高壓直流接地極對埋地管道的干擾及防護

楊 超, 李兆玲, 楊任繼, 李自力, 崔 淦

(1.中國石油大學(xué)山東省油氣儲運安全省級重點實驗室,山東青島 266580; 2.青島市環(huán)海油氣儲運技術(shù)重點實驗室,山東青島 266580;3.浙江金衢麗天然氣有限公司,浙江杭州 310016)

高壓直流接地極對埋地管道的干擾及防護

楊 超1,2, 李兆玲3, 楊任繼3, 李自力1,2, 崔 淦1,2

(1.中國石油大學(xué)山東省油氣儲運安全省級重點實驗室,山東青島 266580; 2.青島市環(huán)海油氣儲運技術(shù)重點實驗室,山東青島 266580;3.浙江金衢麗天然氣有限公司,浙江杭州 310016)

為探究高壓直流接地極對埋地管道的干擾規(guī)律以及防護措施,模擬不同入地電流對管地電位的變化規(guī)律,并從距離、分段隔離和陰極保護3個方面研究對直流干擾區(qū)埋地管道的防護措施。結(jié)果表明:管地電位偏移隨入地電流的增大而增大,隨距離的增大先急劇后緩慢減小;分段隔離+陰極保護措施可保護隔離區(qū)域內(nèi)管段,但可能會對區(qū)域外管段產(chǎn)生直流干擾。對于高壓直流干擾區(qū)管道,在保證接地極與管道最大距離的情況下,可通過分段隔離加陰極保護的方式保護受干擾管道,但應(yīng)注意隔離區(qū)域內(nèi)的陰保系統(tǒng)對區(qū)域外管道的干擾。

高壓直流; 接地極; 埋地管道;分段隔離; 陰極保護

高壓直流輸電系統(tǒng)一般為雙極對稱接線方式,在正常運行時,通過接地極的不平衡電流僅為系統(tǒng)額定直流電流的1%[1],對周圍埋地管道的干擾較小。當(dāng)輸電系統(tǒng)調(diào)試或發(fā)生故障時轉(zhuǎn)為單極運行,此時,大地作為一根導(dǎo)線加入到輸電系統(tǒng)中,電流從受端接地極流經(jīng)大地返回到送端接地極,此時入地電流為系統(tǒng)額定直流電流,數(shù)值可能達到幾千安,瞬間大電流會擊穿埋地管道防腐層造成管道穿孔,且會燒毀附近的陰保設(shè)備,對操作人員造成人身傷害[2-6]。針對直流干擾的嚴重性,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對直流雜散電流對埋地管道和金屬設(shè)施的影響進行了探究。Nicholson[7]通過實際測試發(fā)現(xiàn)HVDC故障電流流入到埋地管道中時,在流出管道之前會沿著管道流動很長一段距離,在管道中持續(xù)存在幾分鐘甚至是幾天,使得管道流出位置產(chǎn)生嚴重腐蝕。中國許多學(xué)者[8-9]也對不同直流接地系統(tǒng)對埋地金屬構(gòu)件和站場內(nèi)設(shè)備的影響進行了研究,而在實際測試中發(fā)現(xiàn),某接地極陽極放電3 500 A,在站場絕緣接頭處的電位偏移達到了50 V,并大量燒毀了管道沿線的防爆接線箱、測試樁等設(shè)備。筆者基于邊界元法[10-11],以溪洛渡左岸-浙江金華特高壓直流輸電工程為實例,計算金絲接地極對金麗溫輸氣管道的影響,并探究不同防護措施對直流干擾下的管道防護的有效性。

1 相關(guān)參數(shù)

溪洛渡左岸-浙江金華特高壓直流輸電工程送端接地極位于四川宜賓興文縣共樂鎮(zhèn),受端接地極位于浙江金華武義縣金絲村,額定運行電壓為±800 kV,額定運行電流為5 000 A,雙極不平衡電流為50 A。金絲接地極采用雙跑道環(huán)形極體布置,為淺埋型接地極,埋深為3.5 m。極體材料采用低碳鋼,活性材料為煅燒后的石油焦炭,接地極埋設(shè)處土壤垂直分層,當(dāng)深度為0 ～ 1.5 m時,土壤電阻率為150 Ω·m;當(dāng)深度為1.5～7 m時,土壤電阻率為300 Ω·m。管道設(shè)計管徑為Φ813 mm×10 mm,外防腐采用3PE防腐層,管中心埋深取2 m,鋼管縱向電阻取1×10-6Ω·m,新建管道防腐層取均勻破損率為1%,金絲接地極距管道最近距離為860 m,當(dāng)不存在雜散電流時,管地電位為-600 mV(相對于飽和氯化銀),取距離接地極較近的管段模擬計算。

當(dāng)金絲接地極為陽極接地時,如圖1所示,管道附近的接地極為陽極放電,電流將在管道近接地極端由防腐層破損處流入管道,再由遠端流出管道,遠端流出點作為腐蝕原電池的陽極發(fā)生腐蝕;當(dāng)管道附近的接地極為陰極放電時,電流將在管道遠離接地極端由防腐層破損點流入管道,再由近端流出管道,導(dǎo)致近端流出點腐蝕[12]。

管道在電流流出的地方發(fā)生腐蝕,根據(jù)法拉第定律,1 A的陽極電流將導(dǎo)致9.1 kg/a的金屬損失。換句話說,若陽極電流密度為1 A/m2時,裸鋼管的平均減薄量為1.17 mm/a,對于直流雜散電流來說,管道傳遞的雜散電流數(shù)量大,而電流排出點集中在界面電阻小、易放電的局部位置,導(dǎo)致破壞性極強,在短時間內(nèi)即可導(dǎo)致管線發(fā)生腐蝕穿孔;而在電流流入的地方會導(dǎo)致管地電位負向偏移,若負向偏移程度超出管道防腐層析氫電位會使得管道產(chǎn)生過保護發(fā)生析氫反應(yīng),導(dǎo)致防腐層陰極剝離。

圖1 金絲接地極陽極接地時的管道干擾Fig.1 Interference on pipeline as anode with Jinsi ground electrode

2 接地極對埋地管道影響

圖2為模擬不同入地電流時管道上的電位分布。圖中,50 A為直流輸電系統(tǒng)雙極正常運行時的不平衡電流, 1 000、2 000、3 000、4 000和5 000A為故障電流。

圖2 不同入地電流對管地電位的影響Fig.2 Influence of different current on electrode-to-pipe protection potential

從圖2中可以看出,隨著入地電流的增大,管地電位的最大正向偏移和最大負向偏移均呈現(xiàn)正相關(guān)變化。圖3為不同入地電流對管地電流密度的影響。由圖3可以看出,在接地極周圍約14 km范圍內(nèi),管地電位的變化與流入到管道中電流(流入與流出管道的電流之和,且規(guī)定電流流入管道的方向為正)呈正相關(guān),且管段距離接地極越近,流入到管段中的電流越大,管地電位負移越大;在管道遠離接地極方向,電流從管道流入到土壤中,且管道上各個點流出的電流隨距離的增大略有減小,并且由于管道壓降的存在,管地電位正向偏移量也略有減小。

圖3 不同入地電流對管地電流密度的影響Fig.3 Influence of different current on electrode-to-pipe current density

3 防護措施

3.1 距 離

在DL/T 5224-2014《高壓直流輸電大地返回運行系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中指出:如果接地極與地下金屬管道、地下電纜、非電氣化鐵路等地下金屬構(gòu)件的最小距離(d)小于10 km,或者地下金屬管道、地下電纜、非電氣化鐵路等地下金屬構(gòu)件的長度大于d,應(yīng)計算接地極地電流對這些設(shè)施產(chǎn)生的不良影響。擴大直流接地極與管道的距離為10、30 、60 和100 km時,以入地電流為5 000 A為例,研究對管地電位和管地電流密度的影響。

圖4、5分別為管地電流密度和管地電位隨距離的變化曲線。在0～ 30 km內(nèi),隨著距離增大,管地電位和管地電流密度急劇減小,當(dāng)距離大于30 km時減小程度明顯減弱;通過距離為60 km和100 km的變化曲線可以看出,隨著距離增大,管地電位和管地電流密度基本不變。在實際工程中,應(yīng)使得高壓直流接地極與管道的最小距離至少為30 km,并且應(yīng)評估接地極對60 km范圍內(nèi)埋地管道的干擾影響。

圖4 不同距離對管地電流密度的影響Fig.4 Influence of different distances on electrode-to-pipe current density

圖5 不同距離對管地電位的影響Fig.5 Influence of different distances on electrode-to-pipe protection potential

3.2 分段隔離

當(dāng)接地極與管道的距離大于30 km時,管地電位的最大正向偏移和負向偏移以及管地電流密度均變化幅度很小,當(dāng)距離為100 km時,高壓直流接地極對管道基本無影響(圖4、5),因此以距離30 km為基礎(chǔ),選擇在30 km管道實行分段隔離措施[13],探究分段隔離措施在直流干擾下對埋地管道管地電位的影響規(guī)律。

圖6給出了當(dāng)入地電流為5 000 A時,安裝絕緣法蘭前后管地電位的變化情況。在隔離區(qū)域內(nèi)(中間段),流入管道內(nèi)的電流減小,管地電位上升,而兩端管段流入的電流增大,因此管地電位均有不同程度的降低;而從圖6中可以看出,在絕緣法蘭兩側(cè)的電壓差可達1.22 V,這可能會造成操作人員觸電或擊穿絕緣法蘭設(shè)施,若存在腐蝕性介質(zhì),還可能加速絕緣法蘭處的內(nèi)腐蝕,因此應(yīng)設(shè)置絕緣法蘭跨接進行防護。

圖6 分段隔離對管地電位的影響Fig.6 Influence of different flange on electrode-to-pipe protection potential

3.3 隔離區(qū)域陰極保護

圖7為未加防護措施和不同防護措施下管地電位的變化曲線(圖中，A表示未增加防護措施,B為采取分段隔離措施，C為分段隔離措施加一端陰保措施,陰保電流為5 A；D為分段隔離措施加兩端陰保措施(相距30 km),陰保電流為30 A。通電點設(shè)置在絕緣法蘭內(nèi)側(cè)管地電位較高點,可以看出,此時隔離區(qū)域管段的管地電位略有下降,而陰保裝置對隔離區(qū)域外的管段基本無影響;當(dāng)在隔離區(qū)域兩端的管段各增加陰保設(shè)施后(曲線D),陰保電流的增大使得管地電流大幅度增大,尤其是在通電點處,并且此時隔離區(qū)域內(nèi)的陰保設(shè)施對區(qū)域外的管道產(chǎn)生了雜散電流干擾,使得其管地電位升高。對于高壓直流干擾區(qū)域內(nèi)的管道可以采取分段隔離措施與陰極保護共同作用進行防護,但應(yīng)注意的是,當(dāng)輸出陰保電流較大時,會引起隔離區(qū)域外管道的直流干擾[14]。

圖7 不同防護措施對管地電位的影響Fig.7 Influences of different protective measures on electrode-to-pipe protection potential

4 結(jié) 論

(1)隨著入地電流的增大,管地電位的最大正向偏移和最大負向偏移均呈正相關(guān)變化;在管道遠離接地極方向,由于流出管道電流略有減小和壓降的存在,管地電位正向偏移量也略有減小。

(2)隨著接地極與管道距離增大,管地電位偏移程度先急劇后緩慢減小,在實際工程中應(yīng)使高壓直流接地極與管道的最小距離至少為30 km,且應(yīng)評估接地極對周圍60 km范圍內(nèi)埋地管道的干擾影響。

(3)對于高壓直流干擾區(qū)的管道,在保證接地極與管道最大距離的情況下,可通過分段隔離加陰極保護的方式保護受干擾管道,但應(yīng)注意隔離區(qū)域內(nèi)的陰保系統(tǒng)對區(qū)域外管道的干擾。

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InterferenceandprotectionofburiedpipelinesduetoHVDCgroundingelectrode

YANG Chao1,2, LI Zhaoling3, YANG Renji3, LI Zili1,2, CUI Gan1,2

(1.ShandongProvincialKeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationSafety,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.QingdaoKeyLaboratoryofCircleSeaOil&GasStorageandTransportationTechnology,Qingdao266580,China;3.ZhejiangJinquliNaturalGasCompanyLimited,Hangzhou310016,China)

In order to study the rules of the interference and protection schemes of the high voltage direct current (HDVC) on the buried pipelines, the process is simulated to study the effect of the electrical current on the pipe-to-soil potential. The electrode-to-pipe distance, insulating flange and catholic protection were simulated. The results show that the deviation of the pipe-to-soil potential increases with the increase of the current, and decreases first sharply and then slowly with the increase of the electrode-to-pipe distance. The protective scheme of insulating flange and catholic protection can protect the pipes in the isolation area, and can cause extra DC interference on pipes out of the isolation area. Therefore, for pipes in the DC interference area, under the condition of guaranteeing the maximal electrode-to-pipe distance, insulating flange and catholic protection can be adopted to protect pipes in the isolation area, and it is noted that the catholic protection system of pipes in the isolation area can cause extra DC interference on other pipes.

high voltage direct current (HVDC); grounding electrode; buried pipe; insulating flange; catholic protection

2016-12-18

國家自然科學(xué)基金項目(51301201)；山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2013EMQ014)

楊超(1991-)，男，博士研究生，研究方向為埋地管道安全評估與防護。E-mail：yangchao201001@163.com。

李自力(1963-)，男，教授，博士，研究方向為油氣儲運系統(tǒng)安全工程。E-mail：zilimenhuzu@163.com。

1673-5005(2017)06-0166-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.06.021

TG 174

A

楊超,李兆玲,楊任繼,等.高壓直流接地極對埋地管道的干擾及防護[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,41(6):166-170.

YANG Chao, LI Zhaoling, YANG Renji, et al. Interference and protection of buried pipelines due to HVDC grounding electrode [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2017,41(6):166-170.

(沈玉英)