直流接地极影响地下金属管道问题研究

陈海焱，刘小强

(1.电力规划设计总院，北京 100120；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085)

直流接地极影响地下金属管道问题研究

陈海焱1，刘小强2

(1.电力规划设计总院，北京 100120；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085)

接地极是高压直流输电工程的重要组成部分。近年来，直流接地极影响地下金属管道的问题受到了广泛关注，本文主要对该领域的研究现状进行综述，指出目前直流接地极影响地下金属管道的机理以及防治措施研究过程中迫切需要解决的问题，并对该领域今后应该进一步深入研究的方向提出了若干建议。

高压直流输电；接地极；金属管道；腐蚀；阴极保护。

1 概述

当直流输电工程采用单极大地运行方式时，接地极入地电流将会使得接地极附近大地电位升高，一方面可能使直流电流流过具有接地系统的电气设施，从而影响电气设施的正常运行，另一方面还可能导致极址周围地下金属管道产生电腐蚀或者阴极保护运行异常等问题。对于前者，接地极的影响主要体现在直流偏磁问题，该问题在电力行业已得到了相当重视，治理措施方面也取得了一定的工程经验。而对后者来说，接地极地电流对地下金属管道的影响缺乏快速评估和有效治理的方法，而且由于金属管道大多埋设在地下，在接地极的工程建设中往往容易忽视，这给当前电力部门的直流输电工程建设留下了安全隐患。

在国内建成的直流输电工程中，已经出现多起接地极影响周边地下油气输送管道设施的案例，如：溪洛渡送电广东±500 kV直流输电工程、向家坝－上海特高压直流输电工程、三峡－上海±500 kV直流工程等，这些事故暴露出直流接地极影响油气输送管道的分析计算还存在较大的局限性，迫切需要从机理上进行更加深入的研究，并从工程上提出有效的防范措施。

近年来，直流接地极影响地下金属管道的问题受到了广泛关注，本文主要对该领域的最新研究情况进行综述，指出目前直流接地极影响地下金属管道的机理与防治措施研究过程中迫切需要解决的问题，并对该领域今后应该进一步深入研究的方向提出了若干建议。

2 国内研究现状

有关直流接地极对地下金属管道的影响国内已开展了一些理论计算和研究，大多集中在埋地金属管道腐蚀、阴极保护运行、最小保护距离等方面。

2.1 金属管道腐蚀研究

从已有的文献和标准来看，评价金属管道腐蚀程度时一般采用两个重要参数：管道泄漏电流密度和土壤地电位梯度(反映的是土壤中流动的杂散电流的强弱)。国内近期经过修订发布的电力行业标准《高压直流输电线路大地返回运行系统设计技术规定》DL/T 5224－2014中规定：对非绝缘的地下金属管道，在正常额定电流下，如果泄漏电流密度大于1 μA/cm2，或者累积腐蚀量(厚度)影响到其安全运行，应采取保护措施。IEC在2007年发布的高压直流输电接地极设计导则“General guidelines for the design of ground electrodes for high－voltage direct current(HVDC) links(NPPAS)”(IEC PAS 62344)中规定对非绝缘的地下金属管道泄漏电流密度限值为1 μA/cm2，与我国电力行业标准规定一致。我国其他如城镇建设等行业标准中也规定了金属构件允许泄漏电流密度的限值要求，如《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》CJJ 49－1992中规定生铁、混凝土中钢筋、钢结构等不同金属构件材质对应的泄漏电流密度限值分别为7.5 μA/cm2、6.0 μA/cm2和1.5 μA/cm2，其限值远大于电力行业标准。在石油天然气行业中，近期制定发布的国家标准《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》GB 50991－2014中明确规定：对设计阶段的管道，可采用地电位梯度来判别，当管道两侧各20 m范围内地电位梯度大于0.5 MV/m时，确认存在直流干扰；当地电位梯度大于2.5 MV/m时，应评估直流干扰的影响和根据评估结果预设防护措施。

从以上DL/T 5224和GB 50991两项标准可知，电力行业标准以泄漏电流密度的大小，而石油天然气行业标准以土壤电位梯度来评价金属管道腐蚀程度。但是实际工程中这两个参数评价地电流对金属管道的腐蚀影响都不可避免存在局限性，因为金属管道的腐蚀不仅取决于电流密度或者地电位梯度，关键取决于金属管道的累计腐蚀厚度，即与接地极地电流的累计持续时间还有关系。因此实际工程中，要计算金属管道的累计腐蚀厚度，还需统计各种工况下直流输电工程单极大地运行小时数(与建成初期单极大地运行时间以及工程投产后的一极强迫停运率、一极计划停运率等几个因素相关)。关于直流接地极对地下金属管道腐蚀问题，国际大电网会议CIGRE指出，对泄漏电流密度为1 μA/cm2，在一年时间内对铁材料的腐蚀厚度是0.174 mm，是可以接受的。

2.2 阴极保护影响研究

在石油天然气行业中绝大多数埋地金属管道都采用了绝缘防腐层(3LPE、石油沥青、煤焦油瓷漆等)，严格来说分析对这些类型金属管道的影响采用泄露电流和土壤电位梯度这两个指标是不适用的，只有在管道未建、设计阶段评估时可采用这两个参数进行粗略分析。考虑实际工程中管道绝缘层难免出现破损点，因此重要的埋地长金属管道一般都安装了阴极保护装置。

针对做了绝缘防腐处理的埋地金属管道，DL/T 5224和GB 50991都对管地电位的偏移进行了规定，其中DL/T 5224规定了在等效入地电流下如管道对其周边土壤电压超出－1.5 V～－0.85 V范围，应采取保护措施。GB 50991规定对未实施阴极保护的管道，可采用管地电位偏移来判别，当任意点的管地电位相对于自然电位正向或负向偏移超过20 MV时确认存在直流干扰，当正向偏移大于或等于100 MV时应采取防护措施；规定对已实施阴极保护的管道，当干扰导致管道不满足最小保护电位要求时，应及时采取干扰防护措施。关于最小保护电位的要求，GB 50991中并未给出具体规定，但是在《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T 21448和IEC PAS 62344－2007标准中有明确规定，其中GB/T 21448规定的正常管道阴极保护电位范围为－1.2V～－0.85 V，IEC规定的阴保电位范围为－1.1V～－0.85 V，与国内标准略有差异。另一方面，考虑接地极入地电流对金属管道的影响是动态干扰(电流可大可小、持续时间可长可短)，目前国内阴极保护准则并没有明确规定在动态直流干扰下允许金属管道电位偏离阴极保护电位的程度与时长，造成现有标准无法有效指导动态直流干扰下阴极保护系统的运行管理。

从实际工程暴露出的问题看，导致管道阴极保护的异常运行是直流接地极地电流影响埋地金属管道的一个重要体现，虽然DL/T 5224和GB 50991中有相应的识别和判定条款，但是在接地极工程设计中如何量化计算极址周边金属管道的管地电位偏移还面临管道资料收集不够详细、大地土壤模型建立不够精确、计算方法和工具还不够完善等诸多困难，一般只能在工程建成调试时通过实测来确定入地电流对金属管道阴极保护运行的影响。一旦到了调试阶段就意味着接地极工程已建成，若调试过程中对管道出现较大影响，此时再考虑更换接地极极址在工程上将是难以接受的，最好的解决方式只能是配合管道部门采取相应的防治措施来解决。需要强调的是，GB 50991是国家强制性标准，其中3.0.8条是强制性条款，明确规定“当确认管道受直流干扰影响和危害时，必须采取防护措施”。因此在接地极极址选择阶段，一方面要求对极址周边数十公里范围的埋地金属管道进行详细的收资调查(该项工作需要得到管道建设方和设计方的支持与配合)，杜绝出现可能导致影响的重要管道的遗漏、疏漏，另一方面也要求重视量化计算入地电流对金属管道的影响，为极址选择决策提供全面科学的依据。

2.3 最小防护距离研究

目前国内标准中评估接地极对金属管道不良影响的最小距离有一些相关规定。DL/T 5224中规定在接地极与地下金属管道最小距离(d)小于10 km或者地下金属结构的长度大于d的情况下，应计算接地极地电流对管道产生的不良影响，国网公司企标规定更为严格，将这一评估不良影响的最小距离扩大到30 km。《高压直流接地极技术导则》DL/T 437规定预选极址10 km范围内原则上不宜有地下金属管道等设施。

事实上，规定最小防护距离或评估影响的最小距离往往来自经验值，没有科学依据，因为接地极对金属管道的影响与直流输电工程的输电容量、极址周边大地土壤特性、金属管道本身的防护措施等众多因素有关，每个工程的具体情况不同，很难用统一的标准来规定。一般来讲，接地极极址距离埋地金属管道越远对其影响越弱，而从工程决策的角度总希望能找到这样一个直流接地极与地下金属管道的最小防护距离，即大于此距离时认为对金属管道无影响，但是这往往是非常困难的。现阶段在工程设计中部分设计院以行标DL/T 437中规定的10 km近似作为最小防护距离，也有部分设计院采用GB 50991中规定的地电位梯度2.5 MV/m作为边界条件，也即当接地极周围地电位梯度衰减到2.5 MV/m时，此处距极址中心的距离被认为是最小防护距离。

3 迫切需解决的问题

从国内外情况来看，直流接地极影响地下金属管道的机理与防治措施还需学术界和工程界进行更加深入研究，迫切需要解决以下问题：

(1)接地极入地电流对埋地金属管道的腐蚀能否进行精确的量化计算，能否明确管道腐蚀的判定标准，通过量化计算的手段来评估影响，从而为接地极极址选择提供依据。

(2)如果腐蚀计算结论表明管道腐蚀量在工程上无法接受，管道部门是否具备措施来解决，代价有多大，在接地极极址选择论证工作中探讨是否可以吸纳石油管道建设方共同研究提出综合最优方案，从而创新目前的接地极建设管理模式。

(3)当接地极入地电流对管道阴极保护造成影响时，管道部门能否通过在运行上采取适当措施以相对较小的代价加以解决，而不必限制高压直流输电运行方式、更换接地极极址或者改迁管道。

4 建议

鉴于以上分析，笔者针对接地极影响地下金属管道问题的未来研究方向提出以下建议：

(1)大地土壤参数及模型是影响工程计算精度的重要因素，目前工程中一般只对接地极极址周围1～2 km范围内的大地土壤参数进行测量，然后在仿真模型中以此小范围的测量数据来模拟假设极址周围数十甚至数百公里范围内土壤参数，因此目前工程仿真计算中大地土壤参数的有关取值存在局限性，计算结果与实际情况必然会存在差异。未来应深入研究和建立适应工程要求的大地土壤计算模型，并在此基础上提出量化金属管道腐蚀程度的计算方法。

(2)金属管道的腐蚀不仅取决于泄露电流密度或者地电位梯度，关键取决于金属管道的累计腐蚀厚度。目前不论是电力行业标准DL/T 5224还是国家标准GB 50991，均未对金属管道可接受的腐蚀厚度有明确的规定。未来电力行业应配合有关管道部门，分别针对不同材质的金属管道，研究提出工程上可接受的腐蚀厚度，为接地极入地电流腐蚀地下金属管道提供科学的判定标准。

(3)深入调研国内外各类型埋地金属管道抗腐蚀防治措施的研究现状和应用情况，并在技术经济综合比较的基础上，提出各种措施的应用场合。

(4)建议电力行业联合管道部门，研究在动态直流干扰下金属管道电位偏离阴极保护电位的允许程度与时长，并提出阴极保护异常运行的解决措施。

(5)同时建议电力部门进一步创新接地极设计技术，针对接地极选择的条件、直流系统单极运行的限制条件、金属回线的设置等方面，深入开展站内接地网替代接地极技术、深井接地极技术、站外简易接地极技术、金属中性回线运行技术等课题研究。

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Effect of Direct Current Earthing Pole on Underground Metallic Pipelines

CHEN Hai-yan1, LIU Xiao-qiang2
(1. Electric Power Planning and Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2. Beijing Sifang Automation Co.,Ltd., Beijing 100085, China)

The ground electrode is an important part of HVDC system. Recently, the impact of HVDC ground electrodes on buried metallic pipelines has caused great attention of people abroad. The research status on the impact is reviewed in this paper. Several special problems of the mechanism and prevention measures about the impact of HVDC ground electrode on buried metallic pipelines are analyzed and discussed. Some suggestions with a certain reference value for ground electrode designers are proposed.

HVDC; ground electrode; metallic pipeline; corrosion; cathode protection.

TM63

B

1671-9913(2016)06-0056-04

2015-11-23

陈海焱(1979- )，男，博士，主要从事变电站和换流站工程的设计评审以及电力行业设计标准的编制和管理工作。