高壓直流接地極對管道干擾規(guī)律及緩解措施研究

張浩強(qiáng) 陳少松 張驍勇 徐學(xué)利 劉昊天

（1. 西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 北京安科腐蝕技術(shù)有限公司，北京 102211）

0 引言

由于我國能源需求量的快速增長，直流輸電項(xiàng)目和油氣管道的建設(shè)迅速增加。遠(yuǎn)距離大容量的油氣輸送管道，油氣管道走廊穿越的走廊地形復(fù)雜，幾千公里管道可能穿越低電阻率區(qū)域，也可能穿越高電阻率區(qū)域，一般需要采取陰極裝置，管道陰極保護(hù)用的陽極地床選址要求與傳統(tǒng)的直流淺埋接地極極址的選擇原則基本一致，導(dǎo)致直流輸電線路和油氣管道相互靠近或交叉的情況時有發(fā)生。人口密度較大的東南沿海地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速土地資源緊張，為了減少土地資源的浪費(fèi)，直流輸電項(xiàng)目和油氣管道的建設(shè)有時使用同一區(qū)域土地，這使得我國高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地長輸管道及站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的電干擾問題日益嚴(yán)重的暴露出來。

1 高壓直流輸電系統(tǒng)對管道干擾的產(chǎn)生及規(guī)律

1.1 高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地管道的干擾的產(chǎn)生

高壓直流輸電系統(tǒng)可以在很大的空間范圍內(nèi)對埋地長輸管道及站內(nèi)設(shè)備造成干擾問題，這與其運(yùn)行模式密不可分。高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式主要有雙極運(yùn)行方式、單極大地回路運(yùn)行方式和單極金屬回路運(yùn)行方式。

雙極對稱運(yùn)行模式。理論上，此種運(yùn)行模式下由于兩極攜帶同樣的諧波電流，因此大地中沒有電流流過。但在實(shí)際工況中并非如此，兩極之間的諧波電流差將流過大地，這種不平衡電流一般會小于額定電流的1%[1]。然而，姜子濤等[2]的研究結(jié)論指出，盡管在該模式下運(yùn)行比較安全，但依舊會使埋地管道通電電位干擾達(dá)到數(shù)百毫伏。大多數(shù)情況下的高壓直流輸電系統(tǒng)皆采用雙極運(yùn)行模式，因此會對鄰近埋地管道造成持續(xù)干擾。雖然接地電流較低，但長時間的干擾對埋地管道會造成腐蝕的累積。因此，在實(shí)際工程中，這種不平衡電流對埋地管道的影響也不容忽視。

單極大地回路運(yùn)行模式。在投運(yùn)初期、年度檢修或出現(xiàn)故障排查時，高壓直流輸電系統(tǒng)往往切換為單極大地回路模式運(yùn)行，輸送電流通過接地極流入大地形成閉合回路，大量電流通過大地回流，會在兩側(cè)接地極周圍極大程度地抬升或降低地電勢，對附近的金屬管道及構(gòu)筑物造成顯著的雜散電流干擾[3]。西氣東輸廣東段埋地管道上監(jiān)測到的304V干擾正是這種工況下造成的[4]。高壓直流接地極的尺寸往往很大，直徑范圍可達(dá)公里級，而且當(dāng)接地極通過幾百甚至上千安電流時，即使在距離較遠(yuǎn)的區(qū)域所產(chǎn)生的地電勢梯度還是較高。盡管高壓直流輸電系統(tǒng)只有較短時間是在單極大地回路模式下運(yùn)行，隨著時間累積，仍會在管道上引起嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。顧清林等人[5]對我國不同區(qū)域的17個高壓直流接地極鄰近的埋地管道進(jìn)行了長時間連續(xù)的監(jiān)測，結(jié)果表明高壓直流接地極放電總時長不到全年正常運(yùn)行時長的1.2%。

單極金屬回路運(yùn)行模式。為了降低單極大地回路運(yùn)行方式對自身電力設(shè)施及外源結(jié)構(gòu)物造成的潛在威脅，有時也會采用專用的金屬回路來實(shí)現(xiàn)單極運(yùn)行，電流不經(jīng)過大地回流，而是通過一根金屬電纜線回流。這種運(yùn)行模式下不會在大地中產(chǎn)生任何雜散電流，但會增加電網(wǎng)的投資，因此未被更廣泛地采用[6]。

1.2 高壓直流輸電系統(tǒng)對管道干擾的規(guī)律

高壓直流輸電系統(tǒng)在周期性或不定期的單極大地回路時，直流電流沿著高壓直流送端和受端接地極之間的大地路徑傳導(dǎo)。這種運(yùn)行模式下，埋地長輸管道處于接地極入地電流形成的地電勢梯度場中。與接地極單極運(yùn)行的極性有關(guān)，一部分電流被處于地電勢較高區(qū)域內(nèi)的管道及其接地設(shè)施所吸收，并沿著管道進(jìn)行較長距離傳輸，接著在地電勢較低的區(qū)域內(nèi)排放至大地中[7]。本質(zhì)上來講，根據(jù)管道所處的位置和高壓直流接地極單極運(yùn)行極性的不同，長輸管道的不同管段可以吸收、傳導(dǎo)或釋放接地極的入地電流。由于雜散電流過大，比管道自身的陰極保護(hù)系統(tǒng)電流可能存在數(shù)量級差異，管道的對地電位在其路由沿線不同的位置相應(yīng)地發(fā)生了不同程度的偏移[6]。當(dāng)與管道接近的高壓直流接地極以陽極模式運(yùn)行（即向大地中釋放電流）時，來自接地極的雜散電流由位于其附近區(qū)域的管道所吸收，管地電位發(fā)生負(fù)向偏移；然后在遠(yuǎn)離接地極的位置從管道中重新排入大地，管地電位則發(fā)生正向偏移。相反，當(dāng)高壓直流接地極在管道附近以陰極模式運(yùn)行（即從大地中吸收電流）時，雜散電流在遠(yuǎn)離接地極的區(qū)域由管道所吸收，管地電位發(fā)生負(fù)向偏移；而在接地極附近的管道中重新排入大地，管地電位則正向偏移。

2 高壓直流接地極對管道干擾的影響因素

高壓直流接地極單極大地回路運(yùn)行對管道造成的干擾程度以及影響范圍與多個因素有關(guān)，包括接地極的入地電流大小、管道防腐層質(zhì)量、電連續(xù)性長度、與接地極的垂直間距等，以及接地極和管道沿線的土壤環(huán)境。通過大量的現(xiàn)場干擾監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合仿真計(jì)算方法[7,8]，已得到上述因素對高壓直流干擾的影響規(guī)律如下。

2.1 接地極入地電流

當(dāng)管道和土壤環(huán)境條件保持一致時，管道干擾水平與接地極入地電流大小呈正相關(guān)關(guān)系。接地極單極大地回路運(yùn)行時，入地電流越大，對附近管道干擾電位的偏移影響越明顯，而發(fā)生電位偏移的管段長度則不會變化。

2.2 防腐層質(zhì)量

接地極陽極運(yùn)行時，大量電流涌入大地導(dǎo)致附近土壤電位相對于遠(yuǎn)地大幅抬升，由于防腐層的阻隔，管道產(chǎn)生了很高的管地電位差。防腐層電阻率越高，管道近地電位越高。當(dāng)管道長度較短時，防腐層類型和質(zhì)量對管道所受干擾影響較小。但隨著管道長度增加，干擾影響相應(yīng)增大。防腐層質(zhì)量越好，管道的干擾范圍則越大。

2.3 管道電連續(xù)性長度

當(dāng)管道縱向無任何絕緣部件時，隨著管道長度的增加靠近接地極位置處管道干擾升高，遠(yuǎn)離直流接地極位置處管道干擾降低。當(dāng)管道縱向長度越長，靠近接地極近端管道發(fā)生電位偏移的范圍增加，即干擾距離增大。

2.4 管道與接地極的間距

隨著接地極與管道間的垂直距離增加，管道受接地極干擾的電位偏移幅度相應(yīng)減小，但發(fā)生電位偏移的管段范圍則變化不大。我國DL/T5224《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》中提出：如果直流接地極與地下金屬管道等地下金屬構(gòu)件的最小距離小于10km時，應(yīng)計(jì)算接地極的電流對這些設(shè)施產(chǎn)生的不良影響。曹國飛等[9]利用數(shù)值模擬計(jì)算對高壓直流接地極對埋地管道干擾產(chǎn)生的人身安全影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，埋地管道越長所受干擾范圍越大，所需的安全距離越大。

2.5 土壤特性

土壤結(jié)構(gòu)和電阻率對管道所受的直流干擾影響很大。上層土壤電阻率低、下層土壤電阻率高的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生比較高的干擾電壓；而相反，上層土壤電阻率高、下層土壤電阻率低的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干擾電壓則較低。結(jié)構(gòu)均勻土壤環(huán)境中，土壤電阻率越高，接地極對管道造成的干擾越大。呂超等[10]研究得出以下結(jié)論：表層電阻率的降低使得整體土壤電阻率降低，導(dǎo)致直流接地極對長輸管道的干擾也降低。表層土壤對干擾的影響與其厚度密切相關(guān)。高壓直流接地極附近管道所處土壤的電阻率對直流干擾的影響很大。

3 埋地管道直流干擾防護(hù)措施及其應(yīng)用

埋地管道的高壓直流干擾防護(hù)措施可以參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中推薦的常見直流雜散電流干擾治理方法，包括絕緣隔離、防腐層修復(fù)、排流保護(hù)、陰極保護(hù)、屏蔽、路由避讓、從源頭減少排放等[11]。這些標(biāo)準(zhǔn)均提出，對直流干擾的治理應(yīng)該從設(shè)計(jì)階段開始考慮。然而，干擾源和管道之間的安全距離受到多個因素的復(fù)雜影響，往往難以確定。研究人員通過仿真計(jì)算研究了接地極電流干擾下影響防護(hù)距離的因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤電阻率和管道防腐層類型對管道防護(hù)距離的影響較大，而極化效應(yīng)引起的局部土壤pH變化幾乎不改變管道的防護(hù)距離[12]。

3.1 防腐層修復(fù)

管道防腐層缺陷點(diǎn)會成為雜散電流流入和流出的通道，修復(fù)防腐層缺陷可減少管道內(nèi)的雜散電流。處于干擾區(qū)域的管道應(yīng)定期進(jìn)行防腐層質(zhì)量及絕緣性能檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)防腐層缺陷，并及時修復(fù)，降低管道的雜散電流干擾強(qiáng)度。

3.2 絕緣隔離

使用絕緣隔離方法可以降低管道電連接長度，達(dá)到防護(hù)的效果[13]。在被干擾管道上安裝絕緣裝置，可以通過增大被干擾管道回路電阻來減少管道的雜散電流干擾強(qiáng)度，并縮短干擾范圍。對于干擾復(fù)雜且采取其它干擾防護(hù)措施后無法有效緩解干擾的管段，可通過絕緣裝置將其從整條管道中隔離出來，便于單獨(dú)采取針對性措施。采用絕緣隔離措施后應(yīng)特別注意電絕緣裝置兩端可能形成的新的干擾點(diǎn)。分段隔離措施對限制干擾影響范圍，并可減小管道電位正向和負(fù)向偏移，分段隔離點(diǎn)宜選擇在干擾電壓的正偏移與負(fù)偏移之差的中間位置處。

3.3 排流保護(hù)

排流保護(hù)有多種方式，其中鋅帶排流和強(qiáng)制排流是常用的方式。鋅帶排流措施對緩解管道電位的正向和負(fù)向偏移均有效，是適用于已建管道的常見措施。其優(yōu)點(diǎn)是鋅帶本身的作用是接地，不需要特殊的調(diào)控，整體結(jié)構(gòu)簡單，不需要外部供電，因此排流設(shè)施可以放置在野外。強(qiáng)制排流是將埋地管道上的雜散電流引向排流器，并經(jīng)由排流器流入大地或流回干擾源，從而避免雜散電流直接從管道流入土壤造成電化學(xué)腐蝕[14]。排流器不能影響陰保系統(tǒng)的工作，同時要考慮其自身受到的雷電過電壓和高壓輸電塔故障電流的影響[15]。

3.4 陰極保護(hù)

作為干擾防護(hù)措施的陰極保護(hù)系統(tǒng)可采用以下兩種方式：一是利用現(xiàn)有陰極保護(hù)系統(tǒng)，調(diào)整其運(yùn)行參數(shù)以適應(yīng)干擾防護(hù)的需要；二是增設(shè)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。增設(shè)的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在被干擾管道的陽極區(qū)，其輔助陽極地床距管道不小于20m。如果在管地電位正負(fù)交變的場合使用犧牲陽極時，應(yīng)在管道與犧牲陽極之間串接單向?qū)娖髟?/p>

3.5 干擾防護(hù)措施的應(yīng)用

孟曉波等[16]分析了敷設(shè)防腐層和加設(shè)絕緣接頭對直流接地極的影響，對抑制管地電位的效果和規(guī)律，結(jié)果表明：管地電位對管道防腐層的電阻率和厚度依賴較??；加設(shè)絕緣接頭的管道可使管地電位顯著降低，進(jìn)一步使得入地電流對管道的直流干擾降低。

付龍海等[17]通過某工程實(shí)踐和計(jì)算定量探究了管地電位受直流接地極周圍管道及沿線環(huán)境上土壤結(jié)構(gòu)、土壤電阻率和接地極與管道間距離的影響，結(jié)果表明，距離越小干擾的程度越大，且傳導(dǎo)的干擾幅值受土壤環(huán)境影響較大。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的集中接地排流和緩解線排流措施。

北美Trans Mountain管道系統(tǒng)受到不列顛哥倫比亞至溫哥華島高壓直流輸電系統(tǒng)干擾，Verhiel等人[18]設(shè)置了3處強(qiáng)制排流系統(tǒng)在高壓直流干擾最嚴(yán)重位置，進(jìn)而施加反向電流，抵抗高壓直流干擾，最終緩解效果增強(qiáng)。

曹方圓等[19]研究了土壤結(jié)構(gòu)對直流接地極干擾下管道泄漏電流的影響，通過計(jì)算得出，土壤電阻率對泄漏電流影響成正比。在表層土壤電阻率大于底層土壤電阻率的情況下，比率越大管道的泄漏電流密度越小?？偟膩碚f，管道泄漏電流分布受土壤結(jié)構(gòu)影響較大。

廖永力等[20]的研究中，利用接地極仿真分析建立了對管道采取防腐層、絕緣接頭措施的等效電路模型，通過對比防護(hù)措施對降低管地電位的效果，結(jié)果表明：防腐層電阻率很大的情況時，其厚度對管地電位的影響很小。在管道上加設(shè)絕緣接頭可以減小管地電位?？偟膩碚f，在建設(shè)管道設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮優(yōu)化站場的選址，合理的設(shè)置絕緣段。

4 總結(jié)與展望

由于高壓直流接地極單極大地運(yùn)行具有干擾程度高、發(fā)生時間不固定、干擾的極性不確定等特點(diǎn)導(dǎo)致人們無法通過單一的防護(hù)措施來緩解其對埋地管道的影響，需要通過多種防護(hù)措施組合的方式來達(dá)到緩解目的。目前國內(nèi)外就高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對管道干擾問題的治理措施尚未形成系統(tǒng)成熟的規(guī)范性指導(dǎo)。主要難點(diǎn)仍在于達(dá)到最優(yōu)保護(hù)效果時的各種參數(shù)的設(shè)置及優(yōu)化防護(hù)措施。這些都需要借助人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)尋求防護(hù)措施的自動優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以這些將是該領(lǐng)域未來的研究熱點(diǎn)方向及趨勢。