高压/特高压直流输电系统对埋地钢质管道干扰的现场测试与分析

李振军

(中国石油西部管道公司，乌鲁木齐 830013)

高压/特高压直流输电系统对埋地钢质管道干扰的现场测试与分析

李振军

(中国石油西部管道公司，乌鲁木齐 830013)

哈密南-郑州±800 kV特高压直流输电系统中哈密接地极与西气东输管道最近距离为44 km。通过在西气东输天然气管道沿线布置电位监测点，测得直流输电系统单极大地回线方式运行时，管地电位的变化情况；通过对测试数据的分析处理，获得了哈密接地极对西气东输天然气管道管地电位的影响范围和影响程度，掌握了直流输电系统不同运行模式下，对管地电位的影响规律。

高压/特高压直流输电系统；埋地管道；直流杂散电流干扰；单极大地回线方式；管地电位监测

随着国民经济迅猛增长，对电能需求越来越大，而我国的电力资源又远离负荷中心[1]，因此需不断增大电力系统的输送容量。与高压交流相比，输送相同功率时，高压直流输电线路造价低、线路损耗小，因此近年来高压/特高压直流输电系统得以快速发展。

接地极是高压/特高压直流输电工程中的重要设施，它在单极大地回线和双极运行方式中分别担负着导引入地电流和不平衡电流的重任[2]。当高压/特高压直流输电线路采用单极大地回线方式运行时，泄放入大地中的电流有数千安培；采用双极运行方式时，通过接地极泄入大地中的不平衡电流相对较小，小于额定电流的1%。直流输电线路大地回路电流运行或不平衡电流通过直流接地极泄入大地时，会引起附近土壤的电位发生变化，进而使不同地点间产生电位差，这一电位差会在埋入地中的金属构件中产生电流，从而导致埋地金属构件发生腐蚀，对于距接地极较近且长度较大的埋地金属构件造成的直流杂散电流干扰更为严重，产生的腐蚀影响也更为明显[3]。

哈密南-郑州±800 kV特高压直流输电系统(简称：哈郑特高压直流输电系统)于2014年1月正式投运，与哈密接地极临近的管道有成品油管道、原油管道、和西气东输两条天然气管道，且直流输电线路与管道长距离并行。

本工作通过在西气东输天然气管道沿线布置电位监测点，测试获得了直流输电系统单极大地回线方式运行时，管地电位的变化情况，并基于现场测试数据，分析研究了哈密接地极对西气东输天然气管道的影响范围和影响程度，掌握了直流输电系统不同运行模式下，对管道的影响规律。根据研究结果让电力和管道部门了解到特高压直流输电系统对管道造成的影响和风险，同时研究结可以为电力部门和管道运营管理部门采取干扰缓解措施提供数据和理论支持。

1 高压/特高压直流输电系统接地极的运行模式

高压/特高压直流输电系统运行方式有双极运行和单极运行，单极运行方式又分为单极大地回线方式和单极金属回线方式。

双极运行方式是利用正负两极导线和两端换流站的正负两极相连，构成直流侧回路，其电路示意图如图1所示。正常运行时，直流电流的路径分别为正极和负极的两个极性。实际上它是由两个独立运行的单极大地回线系统构成。正负两极在地回路中的电流方向相反，入地电流为两极电流之差值。入地电流为两极的不平衡电流，通常小于额定电流的1%。

图1 双极运行方式电路示意图Fig. 1 Circuit diagram of bipolar operation mode

图2 单极大地回线运行电路示意图Fig. 2 Circuit diagram of single pole earth circuit

单极大地回线方式是利用一根导线和大地(或海水)构成直流侧的单极回路，两端换流站均需接地，其电路示意图如图2所示。采用这种方式运行时，大地(或海水)相当于直流输电线路的一根导线，流经它的电流为直流输电工程的运行电流，在实际过程中电流数值达数千安培，入地电流大。大地(或海水)中有直流流过时，将引起接地极附近埋地金属构件的电化学腐蚀以及由于中性点接地极变压器直流偏磁增加而造成的变压器磁饱和等问题。在单极大地回线运行时，接地极流出电流时，叫做“阳极放电”，接地极流入电流时，叫做“阴极放电”。直流输电系统由两个独立运行的单极大地回线系统构成时，同一接地极即可能出现阳极放电，也可能出现阴极放电。

单极金属回线方式是利用两个导线构成直流侧的单极回路，其中一根导线(也称金属返回线)用来代替单极大地回线方式中的地回线，单极金属回线运行的电路示意图如图3所示。在运行中，大地中无电流流过，可以避免单极大地回线方式运行所产生的电化学腐蚀和变压器磁饱和等问题。

图3 单极金属回线运行电路示意图Fig. 3 Circuit diagram of single pole metal circuit

2 接地极与管道相对位置

哈郑特高压直流输电系统哈密接地极采用浅埋型陆地接地极。电极材料为高硅铬铁棒，尺寸为φ50 mm×1.5 m。电极敷设的形状为同心双圆环形，外环半径为500 m(周长为3 141.6 m)，内环半径为350 m(周长为2 199.1 m)，电极埋深为3.5 m。最大持续额定电流为5 000 A，最大过负荷电流为5 629 A，最大暂态电流(3S)为6 540 A，双极不平衡电流为50 A。

哈密接地极与西气东输天然气管道的垂直距离为44 km，离接地极最近的站场为西气东输某压气站，其与接地极的直线距离为50 km。距离接地极最近的阀室为西气东输某阀室，与接地极的直线距离为45 km。西气东输天然气管道的站场进出站位置均有跨接线，将上下游管道跨接，西气东输全线管道为电连接状态。

3 哈郑特高压直流输电系统对西气东输天然气管道干扰监测结果及分析

在西气东输天然气管道与接地极不同距离处设置电位远程监测系统，来实时监测管地电位的变化，监测系统的采样频率为每组数据10 min，监测的时间为9个月，监测系统监测范围为1 000 km以上管道。

3.1 接地极单极大地回线方式统计结果

在接地极非单极大地回线运行时，西气东输管线阴极保护系统正常投运时，管地电位在-1.4 V上下波动，波动幅度在200 mV左右，管地电位波动情况见图4(a)；接地极单极大地回线运行时，管地电位发生正向或者负向偏移，管地电位的偏移情况见图4(b)。管地电位发生偏移的时刻与电网提供接地极单极运行的时刻一致，因此可以根据管地电位的偏移时刻推断出接地极单极大地回线运行时刻和时长。

(a) 接地极非单极大地回线运行时

(b) 接地极单极大地回线运行时图4 西气东输管道离接地极最近测试桩处电位波动图Fig. 4 Potential fluctuation diagrams of recent test pile to earth electrode on West-East gas pipeline: (a) ground electrode non-single electrode in the earth loop operation; (b) ground electrode single electrode in the earth loop operation

监测结果显示，在2014年10月至2015年6月期间，哈密接地极共进行了9次单极大地回线运行，运行共持续了72 h，具体放电时刻和时长见表1，其中单次接地极放电最长持续时间为62.2 h。

表1 接地极放电时刻和时长统计表Tab. 1 Discharge time and time length statistics of ground electrode

3.2 接地极阳极放电时对管地电位的影响

根据电位监测结果可知，在2015-04-18的01∶15～01∶52时间段内，哈密接地极阳极放电，西气东输管线的管地电位分布如图5所示。由图5可见，靠近接地极处，管地电位出现负向偏移，其中离垂直点21 km处，管地电位负向偏移最大，其负向偏移量达到7.1 V(从-1.4偏移至-8.5 V)，如图6(a)所示。随着管道与接地极距离的增大，管地电位负向偏移量减小，随后出现电位正负偏移的分界点，过了分界点后，管地电位往正方向偏移，在某压气站处管地电位正向偏移量达到最大值，为5.4 V(从-1.4偏移至4 V)，如图6(b)所示。随着管道与接地极距离的进一步增加，管地电位正向偏移减小。根据管地电位的偏移变化结果可知，在此次阳极放电时，靠近接地极约106 km处管地电位负向偏移，远离接地极约252 km处管地电位正向偏移明显；管地电位正负偏移的分界点位于距离垂直点(管道上距离接地极最近的位置)约54 km处；此次放电的影响范围约为358 km。

分析接地极阳极放电时，从西气东输管道管地电位的偏移结果可以得到，管道作为一个相对较长的电连接体，在接地极放电时，靠近接地极位置有一

图5 接地极阳极放电对西气东输天然气管线 管地电位的影响Fig. 5 Effect of ground electrode anodic discharge on pipe-to-soil potential of West-East gas pipeline

(a) 离垂直点21 km处

(b) 离垂直点155 km处图6 接地极阳极放电时西二线管地电位偏移情况Fig. 6 The pipe-to-soil potential shift diagram of West second line with ground electrode anodic discharge at the test piles 21 km (a) and 155 km (b) away from the vertical point

个受干扰极大点(见图6)，在远离接地极的位置有两个受干扰的极大点。其中一处为某压气站；另外一处为以垂直点为对称点，与图6某压气站对称的位置。接地极阳极放电时，靠近接地极的段管道流入电流，离接地极最近位置，电流通过路径最短，因此流入电流最多，造成管地电位负向偏移最大。电流流入管道后，管道为良导体，电流往管道上下游流动，在远离接地极段管道，杂散电流流出，造成管地电位往正向偏移，在上下游的位置均有一处电流流出的最大点。

3.3 接地极阴极放电时对管地电位的影响

根据电位监测结果可知，在2015-04-23 16∶52～2015-04-25 20∶40时间段内，哈密接地极阴极放电，西气东输管道管地电位分布如图7所示。由图7可见，靠近接地极的西气东输管段管地电位出现正向偏移，其中离垂直点11 km处管地电位正向偏移量最大，正向偏移量达到11.73 V(从-1.408偏移至10.33 V)，如图8(a)所示。随着管道与接地极距离的增加，管地电位正向偏移量减小，随后出现电位正负偏移的分界点，过了分界点后，管地电位往负方向偏移，在某压气站处管地电位负向偏移量达到最大值，负向偏移量接近4.76 V(从-1.53偏称至-6.3 V)，如图8(b)所示，随着管道与接地极的距离进一步增大，管地电位负向偏移量减小。根据管地电位的偏移变化结果可知，在此次接地极阴极放电时，靠近接地极约143 km处管地电位正向偏移，远离接地极约310 km处管地电位负向偏移明显，管地电位正负偏移的分界点位于距离垂直点88 km处，此次放电的影响范围约为453 km。

图7 接地极阴极放电对西气东输天然气管道 管地电位的影响Fig. 7 Effect of ground electrode cathode discharge on pipe-to-soil potential of West-East gas pipeline

(a) 离垂直点11 km处

(b) 离垂直点155 km处图8 接地极阴极放电时西二线管地电位偏移情况图Fig. 8 The pipe-to-soil potential shift diagram of West second line with ground electrode cathode discharge at the test piles 11 km (a) and 155 km (b) away from the vertical point

接地极阴极放电时，靠近接地极的管段流出电流，离接地极最近位置，电流通过路径最短，因此流出电流最多，造成管地电位正向偏移最大。离接地极较近段管道电流流出，管道为良导体，在远离接地极段管道，杂散电流流入，造成管地电位往负向偏移，在管道上下游的位置均有一处电流流入的最大点。

3.4 直流输电系统运行模式对管地电位的影响

通过对比哈密接地极在不同运行模型下，离接地极最近位置管地电位波动和偏移情况，分析不同运行模式对管地电位的影响规律。

根据电力部门提供的信息：在2015-04-18 01∶07～2015-04-18 01∶49，单极金属回线运行；2015-04-21 01∶49～2015-04-23 05∶45，双极停运；2015-04-23 04∶45～2015-04-25 19∶43，单极大地回线方式运行，最大入地电流2 900 A；其他时间段为双极运行。对比西气东输管道离接地极最近测试桩位置在这几个不同时间段的管地电位可以看出，在单极金属回线运行时，管地电位波动在30 mV左右；接地极双极停运时，管地电位波动在35 mV左右；在单极大地回线运行时，管地电位偏移至9.8 V；接地极双极运行时，管地电位波动在220 mV左右，如图9所示。测试结果显示，在单极大地回线运行时，接地极的入地电流较大，管地电位发生了很明显的

(a) 整体

(b) 局部放大图9 接地极不同运行模式下离接地极最近测试桩处 管地电位波动Fig. 9 The total (a) and partial (b) charts of pipe-to-soil potential wave at the nearest test pile from ground electrode in different operating modes

偏移；在单极金属回路运行或双极停运时，接地极无入地电流，管地电位不受接地极的干扰，波动较小；当接地极双极运行时，有不平衡电流入地，管地电位受到干扰，发生明显的波动。

4 结论

(1) 哈密接地极与西气东输管道最近距离为44 km，通过在西气东输沿线布置电位远程监测系统，监测到2014年10月至2015年7月时间段内，接地极单极运行9次，放电持续时间72 h，最长的放电持续62.2 h。

(2) 接地极阳极放电时，靠近接地极约106 km处管地电位负向偏移，远离接地极约252 km处管地电位正向偏移明显，管地电位负向偏移量最大值达到7.1 V，正向偏移量最大值达到5.4 V，放电的影响范围约为358 km。

(3) 接地极阴极放电时，靠近接地极约143 km处管地电位正向偏移，远离接地极约310 km管地电位负向偏移明显，管地电位负向偏移量最大值达到4.76 V，正向偏移量最大值达到11.73 V，放电的影响范围约为453 km。

(4) 将接地极运行信息与管地电位监测结果对比分析获得了接地极不同运行模式对管地电位的影响规律：接地极单极金属回线方式运行时，接地极无流入流出电流，对管地电位没有影响；接地单极大地回线方式运行时，直流系统运行电流通过接地极流入流出，使管地电位发生明显的正向或者负向偏移；接地极双极运行时，接地极有双极运行造成的不平衡电流的流入流出，使得管地电位发生明显的波动。

[1] 李文文，刘超，邹军，等. 高压/特高压直流输电线路对邻近金属管道危险影响暂态分析[C]//中国电机工程学会电磁干扰专业委员会第十二届学术会议. 武汉：[出版者不详]，2012.

[2] 陆家榆，鞠勇，薛辰东，等. 直流接地极测试方法研究[C]//中国电机工程学会电磁干扰专业委员会第九届学术会议. 北京：[出版者不详]，2004.

[3] 胡毅. 直流接地极电流对输电线路接地构件的腐蚀影响研究[J]. 中国电力，2000，33(1)：58-61.

Field Test and Analysis of Interference of High or Ultra High Voltage Direct Current Transmission System to Underground Steel Pipeline

LI Zhen-jun

(PetroChina West Pipeline Company, Wulumuqi 830013, China)

The minimum distance between the Hami ground electrode in Hami South-Zhengzhou ±800 kV ultra high voltage direct current (HVDC) transmission system and the West-East gas pipeline system is 44 km. The change of pipe-to-soil potential was monitored and tracked along the West-East gas pipelines during the periods of the transmission line operating in the monopolar configuration with earth return. By analyzing the test data, the interference range and degree of Hami grounding electrode to the West-East gas pipeline were obtained, and the interference law to the pipe-to-soil potential was also mastered under different operating modes of HVDC.

high or ultra high voltage direct current transmission system; underground pipeline; stray DC interference; monopolar configuration with earth return; pipe-to-soil potential monitoring

10.11973/fsyfh-201702012

2015-10-14

李振军(1984-)，工程师，本科，主要从事腐蚀控制相关研究工作，0991-7561381，xbgdlizhj@petrochina.com.cn

TG174.41

B

1005-748X(2017)02-0142-05