应用固态去耦合器减缓交流干扰的效果评价

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(1. 西南石油大学 石油与天然气工程学院，成都 610500；2. 中国石油管道科技研究中心 油气管道输送安全国家工程实验室，廊坊 065000)

应用固态去耦合器减缓交流干扰的效果评价

宋晓琴1,王文强1,蓝卫2,徐承伟2

(1. 西南石油大学 石油与天然气工程学院，成都 610500；2. 中国石油管道科技研究中心 油气管道输送安全国家工程实验室，廊坊 065000)

受高压交流输电线路接地极影响，三层聚乙烯防腐蚀层(3LPE)管道容易受到较强的交流干扰，通常采取“固态去耦合器+接地极”的减缓措施。通过对交流减缓效果、阴极保护效果、排流影响范围、直流漏流量等现场参数进行测试，全面介绍了一种固态去耦合器性能评价方案，并指出现有固态去耦合器在使用过程中存在过度设计及故障电流下铜接地极易出现电偶腐蚀等风险。

固态去耦合器；交流减缓；接地极；阴极保护

随着经济的迅速发展，高压输电线路及埋地钢质管道在“公共走廊”内长距离并行和交叉的现象逐渐增多[1-3]。当钢质管道与高压线杆塔之间的距离小于安全距离且采用高绝缘性能的3LPE防腐蚀层时，管道容易因电磁感应耦合等因素而受到严重交流干扰。国内外相关标准主要通过测量交流电位及交流电流密度等参数来判断干扰程度，并提出相应的减缓措施，以降低管道的交流腐蚀风险[4-5]。目前常用的减缓方式有直接接地、牺牲阳极接地及固态去耦合器接地等[6-7]。与其他排流方式相比，“固态去耦合器+接地极”的排流方式具有抗雷电和故障电流效果好、阴极保护电流损失少、启动电压低等优点。固态去耦合器已在国内研制成功并在工程实践中广泛应用，但缺乏对固态去耦合器性能评价、阴极保护运行影响评价及管道排流有效性评价等方面的研究。

目前，国内外相关标准仅提出了交流干扰的减缓目标，均未涉排流效果评价的相关内容。GB/T 50698-2011《钢质埋地管道交流干扰预防技术标准》指出：1) 排流设施不得对管道阴极保护有效性造成影响；2) 排流评价点的选取原则；3) 排流前后测试过程、方法及设备的统一性原则；4) 在土壤电阻率不大于25 Ω·m的区域，管道交流干扰电压低于4 V；在土壤电阻率大于25 Ω·m的区域，交流电流密度小于60 A/m2；5) 在安装阴极保护管道上的持续干扰电压和瞬间干扰电压应低于相应设备所能承受的抗工频干扰电压和抗电强度指标，并满足安全接触电压的要求。NACE SP 0177-2014提出“交流及雷电保护设计考虑因素应包括稳态条件和故障条件，应明确减缓措施及目标”。国内外标准中缺乏后评价检测内容，易使管道管理单位忽视对固态去耦合器性能及其对阴极保护效果的评价。本工作介绍了一种固态去耦合器的评价方案。

1 固态去耦合器工作原理及性能指标

目前常用固态去耦合器的类型主要有二极管模式和晶闸管模式[8]，内部电子元件主要包括二极管(晶闸管)、电容及浪涌保护装置等。其中,二极管(晶闸管)主要起隔断/导通直流电流功能；电容主要起导通交流电流功能，稳态交流电流通过电容及接地地床由管道流向大地；浪涌保护装置与电容器或二极管(晶闸管)并联，主要由气体放电管构成，导通雷电等大电流。

目前国内外尚未有标准对固态去耦合器的技术参数进行规范，仅有生产厂家提出去耦合器的主要技术参数及指标要求。表1为某厂家产去耦合器的主要技术参数，包含阈值电压、直流泄流量、交流故障电流、稳态交流电流及雷电冲击通流容量能力等。

表1 常见固态去耦合器的主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters of common solid state decoupler

2 固态去耦合器减缓交流干扰效果评价

固态去耦合器减缓交流干扰效果的主要评价内容有：1) 固态去耦合器交流排流效果评价；2) 排流点位置对上下游管道交流干扰影响评价；3) 固态去耦合器直流漏流量评价；4) 交流干扰管段阴极保护有效性评价；5) 开展去耦合器接地极性能评价等。

3 固态去耦合器排流效果检测实例

某成品油管道，管径为φ710 mm，采用3LPE外防腐蚀层，交流干扰主要集中在K514～K556测试桩，干扰管段总长约40 km。两处干扰源为路由与管道交叉的220 kV和500 kV高压交流输电线路，交叉位置分别为K530+217 m与K542+628 m处。两处固态去耦合器安装位置为K528-300 m和K542+573.7 m处。所选用的固态去耦合器为晶闸管、电容及浪涌保护器并联的结构。固态去耦合器的性能指标见表1，排流点接地极均采用截面积为35 mm2的裸铜线，长度为200 m，平行于管道铺设，距离为3 m。

3.1 交流干扰减缓效果评价

图1 固态去耦合器关闭及运行时交流干扰对比Fig. 1 AC interference comparison of the closing and running time of solid state decoupler

由图1可见:两台固态去耦合器关闭时,在K529及K542测试桩处管道的干扰强度最大，两处的土壤电阻率分别为14.6 Ω·m和24.8 Ω·m，计算可知平均交流电流密度分别为439.9 A/m2和290.8 A/m2，属于“强”干扰，两处干扰源干扰较强的影响范围分别为K522～K536测试桩及K539～K550测试桩。两台固态去耦合器工作后,管道整体交流干扰明显受到抑制，尤其以K529及K542测试桩附近处管道减缓效果为最佳，减缓后平均交流电压1.24 V和1.10 V，减缓率分别达到95.8%和96.2%(见图2)。固态去耦合器虽然能使得排流点处交流干扰电压明显下降，却使得去耦合器上下游交流干扰明显增加，如图1中K530～K536管段，交流电压仍在10 V以上。根据标准要求，此处需要进一步增设排流点，使得全段满足交流电压小于4 V的要求。

图2 固态去耦合器运行时交流干扰减缓效果Fig. 2 Effect of AC interference during the operation of solid state decoupler

3.2 固态去耦合器性能评价

由表2可见：K528-300 m和K542+573.7 m两处交流排流量均远小于稳态交流电流额定值，排流能力良好，触摸去耦合器外壳，未发现其出现过热现象。直流漏流量测试结果表明，在去耦合器端子电压-2～2 V的工作范围内，仅K528-300 m处的漏流量小于1 mA，而K542+573.7 m处去耦合器漏流量为-2.79 mA，虽不满足小于1 mA的技术参数要求，但由于整体漏流量较小且未达到直流导通状态，现场初步判断内部晶闸管性能可能退化，具体原因需要实验室进一步测试分析。此外，两处去耦合器的内阻和1 mA极限漏流量时阈值均满足技术要求。

表2 固态去耦合器性能测试结果Tab. 2 Field performance test of solid state decoupler

3.3 阴极保护有效性评价

在管道外检测过程中，若固态去耦合器未与接地极断开会造成断电电位的测量结果产生误差。固态去耦合器中内存在电容元件，起到“隔直通交”的作用。管道阴极保护系统运行期间，管道与接地极之间的电位差会给电容持续充电。断电测试时，电容会瞬间放电，使得电流通过接地极进入管道附近的土壤环境中，一旦周围有防腐蚀层破损点，电流会从此处流入。电容器的放电量还没有衰减到可以忽略不计就进行测试，会造成断电电位的测量值比真实值偏负，这是因为测量值包含电容放电流经土壤的IR降。图3为两处去耦合器在0.1 A电流下充电48 h后放电过程中附近测试桩记录的管地电位，可以看到在500 min内电位波动较大，且电位波动随放电时间的延长变小，这可能是由相邻连接管道上的多个去耦合器中的电容元件来回充放电导致的。放电一段时间后，断电电位才趋于稳定。SEGALL等[9]曾对比研究了固态去耦合器运行及关闭两种工况下对断电电位测试结果的影响，显示在固态去耦合器运行时，所测得的断电电位较断开时更负，且需经过较长的衰减放电过程，两条断电电位测试曲线才趋于一致。

图3 固态去耦合器放电过程中管地电位变化Fig. 3 The change of pipe-to-earth potential during discharge of solid state decoupler

固态去耦合器放电造成的干扰会对沿线阴极保护测试带来负向误差，为了减小去耦合器放电对阴极保护有效性评价的影响，推荐根据SY/T 0029-2012标准推荐的极化探头或埋设检查片的方式进行阴极保护评价，并根据试片失重情况计算阴极保护率和腐蚀速率，结果见表3。由表3可见:交流干扰管段阴极保护依然有效，阴极保护下管道的腐蚀速率均低于0.01 mm/a，达到了阴极保护标准的要求。阴极保护率均高于标准要求的不低于85%的指标。

表3 阴极保护效果评价结果Tab. 3 Evaluation results of cathodic protection effect

4 讨论

4.1 交流干扰排流设计

交流干扰管段的排流效果取决于排流点位置、接地极的接地电阻及防腐蚀层质量等因素。由固态去耦合器运行与关闭时测得管道上下游交流电位，可知K528-300 m和K542+573.7 m两处的固态去耦合器虽然能显著抑制排流点附近的管道交流干扰，但影响的区域十分有限。图1显示在两处排流点的中间区域(K530～K536)排流后交流电压仍在10 V以上，交流减缓率远逊于排流点附近的减缓效果。PCM检测结果显示在K528-300 m附近的排流点处的防腐蚀层漏点较多，通过接地极排出的交流电流在防腐蚀层漏点处重新进入管道造成“二次干扰”，需要重新设计新的去耦合器位置。

在管道的交流干扰排流中，应综合现场的干扰情况，采取分步设计与施工，再辅以干扰同步测试的方法，才能达到交流减缓的要求。对于距离较长且排流点较少的管段，文献报道可以采用如下理论公式进行排流设计[10-11]

式中：Vo为排流前管道交流电压，V；Vmit为缓解目标电压，V；Z为管道特征阻抗，Ω；R为接地极的接地电阻。针对某一管道，管道特征阻抗为固定值，当确定目前交流干扰电压和减缓后的目标电压(通常为4 V)后，可以推断此时的接地电阻，从而对接地极的长度或深度进行计算。对于干扰情况复杂的管段，则可以通过收集现场的交流电压、交流干扰密度及土壤电阻率等参数，采用专业软件(如SES-CDEGS)来进行干扰减缓方案的设计。

在管道的交流减缓设计中，既要避免排流点位置设计不当造成排流点远处管道交流电压升高的现象，更要避免排流器过度设计的情况。目前新建管道的交流干扰减缓设计中，突出存在固态去耦合器排流点及接地极过度及超前设计的现象，其中新建管道通常每间隔几十公里，在站场(阀室)绝缘接头外侧，或者与交流输电线路、电气化铁路交叉平行时就会安装固态去耦合器。排流点的设置，接地极的规模，与管道之间的距离通常根据设计者以往的经验和现场施工条件随意设置。而埋地管段的交流干扰强度主要取决于管道与交流输电线路等干扰源的位置关系。交流减缓设计仍应以前期的建模为主，根据后期实测的现场参数优化排流点，尽量在合理的工程投资下取得最良好的效果。

4.2 固态去耦合器安装时存在的问题

(1) 固态去耦合器故障短路时与铜接地极之间存在电偶腐蚀的风险。目前固态去耦合器通常采用铜导线作为接地极，这是因为铜接地具有使用效果良好、自腐蚀速率低等优点[11]。但是固态去耦合器遭受雷电等大电流时，会处于交、直流故障导通状态，从而存在管道与铜接地之间发生电偶腐蚀的风险。此外，铜导线在得不到外来电流保护且埋设在氧浓度高且潮湿的土壤环境中时，易在表面生成绿色的铜锈，显著降低接地效果。

(2) 去耦合器上的残余电压及两端铜引线的感应电压易使绝缘接头两端电压差超过耐受电压，造成其电击穿。安装时应尽量减少去耦合器与绝缘接头相连的铜引线的长度。

5 结论及建议

探讨了固态去耦合器减缓交流干扰技术的内容，主要包括以下几项关键技术：1) 固态去耦合器交流排流效果评价；2) 排流点位置对上下游管道交流干扰影响评价；3) 固态去耦合器直流漏流量评价；4) 交流干扰管段阴极保护有效性评价；5) 去耦合器接地极性能评价。并根据减缓实例及设备指标要求提出相应的测试参数、关键技术指标和影响因素。

由于过度设计固态去耦合器排流器,在减缓交流干扰的前提下，会给管道阴极保护评价带来不利影响。在雷电等故障电流冲击下，固态去耦合器可能处于导通状态，使用铜接地极可能会导致管道发生电偶腐蚀，应在开展减缓交流干扰评价技术的同时加强对排流效果的跟踪检测。

[1] 胡士信. 阴极保护工程手册[M]. 北京：化学工业出版社，1999.

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EffectEvaluationofSolidStateDecouplerUsedforMitigotionofACInterference

SONG Xiaoqing1, WANG Wenqiang1, LAN Wei2, XU Chengwei2

(1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;2. National Engineering Laboratory of Transportation Safety of Oil & Gas Pipeline, PetroChina PipelineR & D Center, Langfang 065000, China)

“Solid state decoupler + copper grounding”, as a common AC mitigation measurement, is often used in underground pipelines which are coated with three layer polyethylene coating and affected by grounding of adjacent high voltage AC transmission lines. A comprehensive solid state decoupler evaluation is introduced by means of the field parameter test of AC mitigation performance, cathodic protection and DC leakage. The risk of excessive design and copper grounding prone to galvanic corrosion is also pointed.

solid state decoupler； AC mitigation； grounding； cathodic protection

10.11973/fsyfh-201711014

TE988

B

1005-748X(2017)11-0885-04

2016-03-20

王文强(1982-)，硕士研究生，从事管道腐蚀与防护专业，17731601027，17731601027@163.com