广东地区天然气埋地管道防高压直流输电接地极干扰措施及其缓解效果

曹国飞

(国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司，上海 200120)

高压直流输电(HVDC)是近年来我国大力推进的一种新型高效输电技术，它有效缓解了国内电力资源与用电需求不匹配问题，对推动经济发展起到巨大的作用。随着高压直流输电线路覆盖程度的增高，高压直流输电接地极对临近油气管道的干扰越来越严重，引起了业者广泛的关注[1-7]。

高压直流输电通常采用双极对称模式运行，但在故障或维检修时可能采用单极大地回路方式运行，此时会有高达数千安培的直流电流通过大地导通，在接地极周边会形成阳极电势场或阴极电势场。如果周边的埋地金属管道处于该电势场影响范围内，管道就会受到直流干扰[1-2,7]。

高压直流输电接地极对管道及附属设施造成的危害可以归纳为以下几种[8-18]：1)受干扰管道的管件之间存在电位差，出现放电打火现象，进而出现烧蚀；2)管道设施对地直流电压超过人体安全电压，存在人身安全风险；3)受干扰管道的阴极保护电源无法正常运行，严重时导致电源烧毁；4)管道上的牺牲阳极加速消耗，未到设计寿命即发生失效；5)管道电位过负，可能造成高强钢管道管体出现氢脆或氢致开裂；6)管道电位过负，可能出现防腐蚀层剥离、鼓泡等现象；7)管道上流出直流杂散电流的区域，管道开始腐蚀。

广东地区是我国高压直流输电线路最密集的区域之一。因地质条件等影响，广东省境内的西气东输天然气管线受到强烈的高压直流输电干扰。为了掌握干扰情况，评价目前已有缓解措施的有效性，测试了广东地区多个高压直流输电接地极对西气东输管道的干扰情况，希望借此推进国内高压直流输电干扰评价与缓解技术的进步。

1 项目基本情况

目前，在广东省内有6个高压直流输电接地极在运行[1](见图1)。对广东地区西气东输管道产生较严重干扰的高压直流输电接地极包括鱼龙岭接地极、大塘接地极以及翁源接地极。

图1 广东地区6个高压直流输电接地极与西气东输管道的位置关系

鱼龙岭接地极为云广±800 kV、贵广±500 kV高压直流输电线路增城换流站和深圳宝安换流站共用接地极。此接地极距管道最近距离约3.5 km，平均距离9.6 km左右。大塘接地极属于天广±500 kV高压直流输电线路，接地极中心距离广南支干线最近约800 m，接地极外环距离管道不足100 m。翁源接地极属于牛从±500 kV同塔双回超高压直流输电线路，翁源接地极位于翁源县坝仔镇新梅村，距离西二线干线约7 km。

基于已有研究成果，管道业主方在西二线干线广东段高压直流干扰区域陆续实施了多项缓解防护措施，包括高压直流干扰监测、自动合闸保护装置、分段绝缘、阀室接地网改造、增设大功率抗干扰的恒电位仪和阳极地床改造、铺设锌带。

(1)高压直流干扰监测措施 为及时监测高压直流接地极对广东段管道的干扰，陆续在管道相关位置安装了高压直流干扰的监测装置。

(2)自动合闸装置 西二线11座阀室均安装了自动合闸装置。该装置利用阀室地网作为排流床，主要用于阀室/站场内。

(3)分段绝缘 对西二线干线进行分段绝缘(加设3处绝缘接头，将管道分为4段)，再进行分段治理(在韶关站安装阴保站1座，在154号阀室安装阴保站1座)。该措施可减少HVDC干扰对西二线干线线路的干扰影响。

(4)阀室接地网改造 在西二线干线153号阀室至160号阀室安装了非对称型固态去耦合器(+0.5 V/-3.5 V)，并对阀室接地网进行了改造:每个阀室沿围墙铺设牺牲阳极，阀室接地网与牺牲阳极相连。这样可以减缓接地网的腐蚀，又可以减低阀室地网的整体接地电阻，从而确保排流效果。

(5)增设大功率抗干扰的恒电位仪和阳极地床改造 更换了大功率恒电位仪并对阳极地床进行改造，以确保在故障大电流引起管道电位正偏移时能输出较大电流，抑制管道电位的正偏移。

(6)铺设锌带 在受干扰的管道沿线铺设多处锌带，锌带直接与管道相连，总长度为29 km。在高压直流干扰时，锌带既能起到排流作用，又可以作为牺牲阳极。

2 防干扰措施的有效性评价

根据Q/SYXQ 278-2020《高压直流接地极干扰防护技术规范》对西二线干线广东段的缓解措施进行有效性评价。

(1)操作人员触电安全限值要求 管道与大地之间的接触电压应满足人体安全电压限值，一般情况下应小于35 V。

(2)管体腐蚀安全限值要求 对于已建管线和高压直流接地极，高压直流干扰下管道腐蚀安全限值如表1所示。

表1 管道腐蚀安全限值

(3)阀室引压管、绝缘接头电弧和烧蚀安全条件 根据引压管、绝缘卡套两侧电位差变化做如下调整：电位差小于4 V时，可不采取措施；电位差为4～10 V时，应保证阀室内相邻引压管的间距不小于10 mm；电位差大于10 V时，应采取排流防护措施将引压管、绝缘卡套两侧电位差降至10 V以下。

(4)阴极保护设备、电涌保护装置损毁安全条件 阴极保护设备、浪涌保护装置不应发生损毁，不能影响正常工况下阴极保护的范围，接地网不能泄漏阴极保护电流。

3 站场阀室防干扰措施的缓解效果

3.1 阀室自动合闸装置

阀室安装的自动合闸装置属于限压等电位连接保护，在接地极放电时，一旦管地电位超过监测的阈值电压，自动合闸装置启动，将管道与接地网直接导通，降低管道与大地间的电位差，从而减低绝缘卡套两端的电位差，起到保护绝缘卡套的作用。

南方电网大塘接地极放电时，自动合闸装置启动，持续时间约92 min，排流期间的最大排流量是1.33 A，如图2所示。

图2 大塘接地极放电时某自动合闸装置的排流情况

表2为翁源接地极2 400 A阳极电流入地时，西二线干线广东段153号至160号阀室自动合闸装置闭合前后的管地电位(管地对地电位)和通过的电流。结果表明，自动合闸装置闭合前，阀室和接地网绝缘，管地电位(即自动合闸装置两端的电位差)较大，自动合闸装置闭合后，阀室和接地网电连通，管地电位降低，可有效避免引压管打火放电风险。这说明自动合闸装置可有效降低管地电位。

表2 翁源接地极放电时自动合闸装置闭合前后管地电位和通过的电流

3.2 阀室接地网改造

西二线干线安装了非对称型固态去耦合器(+0.5 V/-3.5 V)，并对阀室接地网进行了改造，沿阀室围墙铺设牺牲阳极，阀室接地网与牺牲阳极相连，固态去耦合器连接前后的管道电位如表3所示。由表3可见，连接前后管道直流电位变化不明显，交流电压变化幅度较大，这是固态去耦合器通交隔直作用的结果。通交隔直作用可以排除交流杂散电流干扰，不漏失阴极保护电流，在高压直流大电流干扰时，自动短接阀室、管道等关键部位，消除电位差，防止出现击穿风险。因此，改造后阀室接地网与牺牲阳极相连,可减缓接地网的腐蚀，降低接地网接地电阻，增强接地网排流效果。

表3 阀室接地网固态去耦合器连接前后管道电位

3.3 阀室安全设备

西二线干线接地极干扰区域内的恒电位仪，配备了断路保护装置，当与管道电气连通端(包括输出阴极、零位接阴)超过耐受电流、电压时，断路保护装置能瞬间断开设备与管道的电气连接，实现物理电隔离，使接地极放电形成的高压大电流失去进入设备内部的通道。待强干扰停止后，断路保护装置自动重新连接，恢复恒电位仪的工作状态。

西二线干线配备了断路保护装置的恒电位仪，未发生因接地极放电引起设备本体损毁的状况。

4 管线防干扰措施的缓解效果

管线的防干扰措施包括线路分段绝缘，阴极保护系统更换和增设大功率抗干扰恒电位仪、阳极地床改造，锌带铺设等。在实施以上措施后，对管线防干扰措施的缓解效果进行了评价。

4.1 管道电位分布

4.1.1 鱼龙岭接地极放电时

在2020年1月22日，鱼龙岭接地极发生故障性放电，放电极性为阴极放电，放电电流达1 100 A，持续90 min。

防干扰措施对鱼龙岭接地极放电时管道通电电位分布的影响见图3。由图3可见，采取防干扰措施前，监测到鱼龙岭接地极阴极放电1 125 A时，管道最正通电电位为77.161 V，出现在KP4829测试桩处，最负通电电位为-12.455 V，出现在KP4760测试桩处；采取防干扰措施后，监测到鱼龙岭接地极阴极放电1 100 A时，管道最正通电电位为7.88 V，出现在KP4833测试桩处，最负通电电位为-17.837 V，出现在KP4814测试桩处，满足缓解目标±35 V的要求。按相同放电等比例换算，采取防干扰措施后，最正通电电位下降89.8%，出现最负通电电位的KP4814测试桩处为管道受干扰最严重的位置。尽管接地极附近的锌带降低了其附近管道杂散电流的流出，但增加了整体杂散电流的流出，进而增大了158号阀室绝缘接头下游电流流入，使此处成为受干扰程度最大的位置。

图3 防干扰措施对鱼龙岭接地极放电时管道通电电位分布的影响

采取防干扰措施前，鱼龙岭接地极对此段管道的干扰规律呈现为一个流入段和一个流出段，靠近接地极的管段受干扰程度远大于远离接地极管段的；采取防干扰措施后，干扰规律呈现为多个流入段和流出段，靠近接地极的管段受干扰程度趋于平缓，干扰水平与远离接地极管段相当。

防干扰措施对鱼龙岭接地极放电时管道断电电位分布的影响见图4。由图4可知，采取防干扰措施前，鱼龙岭接地极阴极1 125 A放电时，此段管道断电电位为-1.369～1.906 V，断电电位的波动幅度为3.275 V，欠保护管段59 km，过保护管段70.5 km，正常保护管段55.5 km；采取防干扰措施后，鱼龙岭接地极阴极1 100 A放电时，此段管道断电电位为-1.603～0.567 V，其波动幅度为2.17 V，欠保护管段55 km，过保护管段79 km，正常保护管段51 km。由采取防干扰措施前后断电电位分布可见，分段绝缘、阀室接地网改造及加装锌带使管段断电电位波动幅度明显减小，由3.275 V减小为2.17 V，且断电电位正向偏移得到有效抑制，可有效降低管道腐蚀速率。防干扰措施并未延长正常保护管段的长度。这是因为分段绝缘后西二线干线变化为多个流入流出段，而已安装排流设施未能将新增流入流出位置的断电电位有效限制在-0.85～-1.2 V的正常保护区间。但管道断电电位峰值实现了大幅降低。若要实现西二线干线正常保护，仍需在现有措施基础上进一步增加防干扰措施。

图4 防干扰措施对鱼龙岭接地极放电时管道断电电位分布的影响

4.1.2 翁源接地极放电时

2020年1月6日，翁源接地极发生故障性放电，放电极性为阳极放电，放电电流达1 100 A，持续60 min。

防干扰措施对翁源接地极放电时管道通电电位分布的影响见图5。采取防干扰措施前，翁源接地极阴极1 600 A放电时，管道最正通电电位为139.96 V，出现在KP4709测试桩处，最负通电电位为-32.42 V，出现在KP4833测试桩位置；采取防干扰措施后，翁源接地极阳极1 100 A放电时，最正通电电位为11.658 V，出现在KP4675测试桩位置，最负通电电位为-15.70 V，出现在KP4691测试桩位置，全段管道通电电位均得到有效降低，并满足缓解目标±35 V的要求。按相同放电等比例换算，最大通电电位下降83.7%，受干扰程度最大的位置向韶关方向偏移，出现在KP4691测试桩处。采取防干扰措施前，翁源接地极对此段管道的干扰规律呈现为一个流入段和两个流出段，靠近接地极管段受到的干扰远大于远离接地极管段的；采取防干扰措施后，干扰规律呈现为多个流入段和流出段，靠近接地极管段受到的干扰趋于平缓，受干扰程度与远离接地极管段的相当。

图5 防干扰措施对翁源接地极放电时管道通电电位分布的影响

防干扰措施对翁源接地极放电时管道断电电位分布的影响见图6。在翁源接地极阳极放电1 100 A时，采取防干扰措施的此段管道的断电电位为-1.286～1.124 V，正常保护管段48.5 km，欠保护管段97.5 km，过保护管段39 km。

图6 防干扰措施对翁源接地极放电时管道断电电位分布的影响

4.2 腐蚀速率

根据管道沿线布设的电阻式探头采集的腐蚀速率数据，对管道沿线防干扰措施的有效性进行评价。由表4可见，采取防干扰措施后，腐蚀速率比采取措施前的出现明显下降，说明防干扰措施取到一定的缓解效果。

表4 采取防干扰措施前后管道的腐蚀速率

5 结论

(1)采取阀室自动接地合闸装置后，阀室绝缘卡套两侧电位差过大问题得到一定程度的缓解，可降低引压管打火放电的风险。

(2)在阀室安装了非对称型固态去耦合器(+0.5 V/-3.5 V)并对阀室接地网进行改造，可减缓接地网的腐蚀，降低接地网接地电阻，增强接地网排流效果，当出现高压直流大电流干扰时，固态去耦合器自动短接阀室、管道等关键部位，消除电位差，减少击穿风险。

(3)在受干扰区域内的恒电位仪上配备断路保护装置，可以防止因接地极放电引起设备损毁的情况。

(4)在干线管道实施分段绝缘措施使受干扰管道由一个流入段和流出段，变为多个流入段和流出段，使最大通电电位降低。

(5)对受干扰管段采取铺设锌带、分段绝缘、阀室接地网改造等防干扰措施后，最大通电电位可有效降低。

(6)采取防干扰措施后，受干扰管段的腐蚀速率明显降低，管道的腐蚀情况得到一定程度缓解，长期防护效果尚待持续观察。

(7)管道方所采取的防干扰措施都是被动的防护，投资大、防护效果难以保障。保证接地极与管道之间的安全距离、减少接地极的放电次数和放电电流，以及控制接地极放电时长，才能从根源上解决高压直流输电接地极对埋地钢质管道的干扰影响。