直流接地极电流干扰下阴极保护电源输出对管道电位分布的影响

曹方圆,白 锋,李 博,沈光霁

(1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.沈阳龙昌管道检测中心，沈阳 110168)

随着我国对能源需求的快速增长，直流输电工 程接地极和输油输气管道接近的情况时有发生[1-5]。特别是在经济发达地区，直流输电工程和输油气管道甚至共用走廊[6]，使得直流接地极电流对附近埋地油气管道的电磁干扰影响日益突出。2013年12月，南方电网云广线增城换流站出现故障，双极运行改为单极运行，导致3 125 A电流从鱼龙岭接地极流入大地，造成了鳌广线从化分输站线路截断阀引压管绝缘接头损坏、塑料管卡融化。2014年8月，天广线大塘接地极单极运行时，接地极入地电流达1 800 A，导致附近管道的电位从-1.3 V迅速正向偏移至10 V左右，手动调节该管段阴极保护电源满载输出(20 A)，管道电位从10 V变化至8.5 V左右，几秒钟后，阴极保护电源报警并自动关闭。

近几年，国内在直流接地极电流对油气管道影响方面开展了大量的研究[7-15]，包括直流接地极电流对油气管道影响的计算方法[7-9]、评价指标[10-14]、防护措施[15-18]等，并取得了一系列成果。其中，在直流接地极电流对埋地油气管道影响水平评估和防护措施设计方面，主要通过仿真计算[19]的手段进行。但在实际工程中，长输管道通常绵延几百上千公里，管道沿线土壤环境十分复杂，仿真计算难以考虑管道沿线土壤情况的差异，一般都是将管道沿线土壤进行等效处理。另外，考虑管道非线性极化特性的计算方法目前还不成熟，使得计算结果与实际情况存在一定的误差。所以，获得直流接地极电流对埋地油气管道影响水平和防护措施效果的最佳途径还是现场测试。

直流输电工程一般以双极运行，这种运行工况下，只有不平衡电流(不超过额定电流的1%)会通过直流接地极入地。只有在系统调试、检修或故障时才会出现单极大地回路运行的工况，而系统故障具有不可预判性且持续时间很短，所以只有系统调试时才具备计划性开展直流接地极电流对油气管道影响的测试条件。目前，工程现场测试案例主要关注管道防护措施的防护效果，关于调整管道已有措施对管道电位影响的研究鲜有报道。

本工作在昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电工程调试期间，对受端换流站接地极邻近的川气东送管道的通/断电电位进行了现场实测，并调整距接地极最近的两个阴保站内阴极保护电源的输出电流大小，研究了阴极保护电源的输出电流对管道电位分布的影响。相关测试结果可为川气东送管道的安全运行维护提供数据支撑，也可为后续直流工程接地极选址和埋地油气管道路径选择提供参考。

1 工程介绍

1.1 接地极情况

昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电线路工程，额定输送容量为12 000 MW，直流接地极额定电流为5 455 A。泾县接地极按双跑道型方式埋设，内外环直线段长都是380 m，两端半圆半径分别为180、215 m，外环电极埋深为4.5 m，内环电极埋深为3.5 m。2019年1月系统调试中，泾县接地极阴极运行，流入电流约为5 540 A；2019年9月系统调试中，泾县接地极阳极运行，流出电流约为3 680 A。

1.2 管道情况

川气东送管道全长约2 203 km，管材为X70钢，管道外径为1 016 mm，壁厚为12 mm，防腐蚀层为三层结构的聚乙烯(3PE)。距接地极最近的管道阴保站是池州输气站和十字镇分输站，各有一个额定输出电压/电流为40 V/15 A的阴极保护电源，阴保站两侧的管道皆通过电缆跨接。两阴保站之间的管道长度约为163 km，这段管道上有7个阀室和1个场站(宣城输气站，两端管道通过电缆跨接)。两阴保站之间(含阴保站)的范围即为测试区域。距接地极最近的阀室为牌楼村阀室，距接地极最近的测试桩为CQDS-1280测试桩。接地极与管道相对位置关系如图1所示。

图1 接地极与管道的相对位置

1.3 土壤参数

用大地电磁测深法测接地极附近的土壤电阻率及对应厚度，结果见表1。将管道测试区域内的浅层土壤分成几种典型土壤类型，用四极法测量每一种典型土壤的土壤电阻率，见表2。

表1 泾县接地极附近不同深度土壤的电阻率

表2 管道附近浅层土壤电阻率

从土壤测试数据可以看出，接地极周围的浅层土壤电阻率与深层土壤电阻率相差不大，3 000 m深度范围内的电阻率在100～200 Ω·m。测试区域内管道经过了水田、农田、山地等不同类型土壤，不同类型的浅层土壤电阻率相差较大，即便是同一类型土壤，不同位置的土壤电阻率也相差较大。

2 测试内容及方法

直流接地极电流会使邻近管道的部分位置有电流流入，部分位置有电流流出。电流从管道流出流向土壤会造成管道腐蚀，电流从土壤中流入管道会使管道电位负偏，而管道电位过负会增大管道氢脆的风险。在直流接地极电流影响下，通过管道电位分布可以获得直流接地极电流对邻近管道的影响水平和影响规律。

2.1 测试内容

为获得直流接地极电流影响下，阴极保护电源的输出电流水平对管道电位分布的影响规律，在昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电工程调试期间，对川气东送管道安装测试设备，进行管道通/断电电位分布测试。分别调整距泾县接地极最近的两个阴保站(池州输气站、十字镇分输站)内阴极保护电源的输出电流大小，在不同输出电流下对管道电位分布进行测试。

2.2 测试方法

根据GB/T 50991-2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》、GB/T 21246-2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》中推荐的测试方法对管道进行通/断电电位测试。使用的测试设备包括管道阴保干扰测试仪、数据记录仪。阴极保护电源显示和调节面板见图2。

图2 阴极保护电源显示和调节面板

测量管道通/断电电位前，预先在管道一侧埋设钢质试片，埋深1 m，试片裸露面积为1 cm2，使用管道阴保干扰测试仪或数据记录仪配合便携式铜/硫酸铜参比电极对管地电位进行测试，记录仪采用通12 s断3 s的通断模式，每1 s记录一个数据。接线示意图如图3所示。

图3 管道通/断电电位、泄漏电流密度测试装置示意

为保证获取的阴极保护电源输出电压和电流有更高的精度，通过管道阴保干扰测试仪来记录阴极保护电源的输出电压和输出电流。

3 阴极保护电源输出调整的影响

昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流工程调试期间，在距泾县接地极最近的两个阴保站之间(含阴保站)的163 km范围内，选择32～40个测试桩进行测试。阴保站和测试桩从上游到下游的顺序依次是：池州输气站、CQDS-1231、CQDS-1232……CQDS-1280……CQDS-1387、CQDS-1388、十字镇分输站。其中，CQDS-1280是距接地极最近的测试桩，距离泾县接地极约16 km，两相邻测试桩之间的距离约为1 km。测试期间，为获得调整管道已有阴保系统对直流接地极电流干扰下管道电位分布的影响，进行了2个阶段(直流接地极阴极运行和阳极运行)的阴极保护电源输出调整,并测试了对应的管道电位。

3.1 第一阶段调整阴极保护电源输出

第一阶段，直流接地极阴极运行，流入电流5 540 A，池州输气站阴极保护电源由恒电位模式自动跳转到恒电流模式，输出电流为0.5 A；十字镇分输站阴极保护电源由恒电位模式自动跳转到恒电流模式，输出电流为0.2 A。管道上32个测试桩处测得的管道通/断电电位如图4所示。

图4 第一阶段管道通/断电电位分布

由图4可见，第一阶段，测试区域内靠近池州输气站的管道电位负向偏移，其他位置管道电位正向偏移，通电电位最正达7.84 V，出现在CQDS-1300测试桩处，断电电位最正达1.14 V，出现在CQDS-1350测试桩处，断电电位最负为-1.05 V，管道的通电电位主要由IR降组成，电流流入流出分界点在CQDS-1240测试桩附近。

本阶段，首先保持十字镇分输站阴极保护电源的输出电流不变(1 A)，调整池州输气站阴极保护电源的输出电流大小(0 A，5 A，10 A)，管道沿线通电电位的变化如图5所示。然后，保持池州输气站阴极保护电源的输出电流不变(0.5 A)，调整十字镇分输站阴极保护电源的输出电流大小(0.2 A，0.5 A，1 A)，管道通电电位变化如图6所示。需要说明的是，测试中也获得了不同阴极保护电流对管道断电电位分布的影响，虽然断电电位的变化趋势和通电电位的一致，但断电电位本身沿线幅度变化较小，为更直观地说明阴极保护电源的输出电流对管道电位分布的影响规律，这里只给出了不同阴极保护电源的输出电流对管道通电电位的影响结果。

由图5和图6可知，增大阴极保护电源的输出电流，管道通电电位会整体下降，距被调整的阴极保护电源越近，管道通电电位下降的幅度越大，反之亦然。将池州输气站阴极保护电源的输出电流从0调整到10 A时，距池州输气站阴极保护电源最近管道(CQDS-1231)的通电电位由-2.2 V降低到-5.3 V，距池州输气站阴极保护电源最远管道(CQDS-1388)的通电电位由1.5 V降低到0.9 V。在测试中发现，十字镇分输站阴极保护电源的内阻太大，电流输出受限，输出电流为1 A时，输出电压就基本达到了该阴极保护电源的额定输出电压，所以十字镇分输站阴极保护电源输出电流的调整幅度很小，对结果影响不明显。这一工况下，增大阴极保护电源的输出电流，电流流入流出分界点会向远离阴极保护电源的方向偏移，管道上电流流出的区域变小，电流流入的区域增大，管道受直流干扰后的腐蚀情况会减弱。

图5 第一阶段池州输气站阴极保护电源的输出电流对管道通电电位分布的影响

图6 第一阶段十字镇分输站阴极保护电源的输出电流对管道通电电位分布影响

3.2 第二阶段调整阴极保护电源输出

第二阶段，直流接地极阳极运行，流出电流3 680 A，池州输气站阴极保护电源由恒电位模式自动跳转到恒电流模式，输出电流2.8 A；十字镇分输站阴极保护电源由恒电位模式自动跳转到恒电流模式，输出电流0.8 A。在管道上40个测试桩处进行了管道通/断电电位测试，与第一阶段选取的测试桩相比，第二阶段在管道CQDS-1300附近区域进行了加密测试，其他测试位置也根据测试时的实地情况略有调整，管道通/断电电位分布结果如图7所示。

图7 第二阶段管道通/断电电位分布

由图7可见,第二阶段，测试区域内靠近池州输气站的管道电位正向偏移，通电电位最正可达-0.5 V，出现在距池州输气站最近的CQDS-1232测试桩处，其他位置管道电位负向偏移，通电电位最负可达-6.04 V，出现在CQDS-1303测试桩处。整个测试区域内管道断电电位波动很小，最正为-0.56 V，最负为-1.22 V，管道的通电电位主要由IR降组成，电流流入流出分界点在CQDS-1235测试桩附近。

本阶段，首先保持十字镇分输站阴极保护电源的输出电流不变(0.8 A)，调整池州输气站阴极保护电源的输出电流大小(2 A，4 A，6.9 A)，管道沿线通电电位的变化如图8所示。然后，保持池州输气站阴极保护电源的输出电流不变(3 A)，调整十字镇分输站阴极保护电源的输出电流大小(0 A，1 A，2 A)，管道通电电位的变化如图9所示。

图8 第二阶段调整池州输气站阴极保护电源的输出电流对管道通电电位分布的影响

图9 第二阶段十字镇分输站阴极保护电源的输出电流对管道电位分布的影响

由图8和图9可知，增大阴极保护电源的输出电流，管道通电电位会整体下降，距被调整的阴极保护电源越近，管道的通电电位下降的幅度越大，反之亦然。将池州输气站阴极保护电源的输出电流从2 A调整到6.9 A时，距池州输气站阴极保护电源最近的管道(CQDS-1232)的通电电位由-0.7 V降低到-1.8 V，距池州输气站阴极保护电源最远的管道(CQDS-1388)的通电电位由-2.6 V降低到-2.7 V。这一工况下，增大阴极保护电源的输出电流，可使测试区域内管道电流方向都是流入管道，管道受直流干扰后的腐蚀情况会大大减弱。

3.3 讨论

从第一阶段和第二阶段测试的结果可以看出，通过合理布置阴极保护电源的位置，增大阴极保护电源的输出电流，能够一定程度解决直流接地极电流对邻近管道的腐蚀问题。直流接地极阴极运行时，靠近直流接地极的管道电位正向偏移，两端管道电位负向偏移，在靠近接地极的管道处增大阴极保护电源的输出电流对于减缓管道腐蚀的效果更好；直流接地极阳极运行时，靠近直流接地极的管道电位负向偏移，两端管道电位正向偏移，在两端管道处增大阴极保护电源的输出电流对于减缓管道腐蚀的效果更好。

在直流接地极电流影响下，管道的通电电位可用于判断是否存在干扰，也能较好反映出管道电位分布规律。建议运行维护时关注通电电位较高管道段内的引压管间距和有老化或污渍的绝缘卡套；对于断电电位高于-0.85 V的管段，宜结合直流接地极单极大地回路运行时间进行管道腐蚀风险的分析和评估。

在直流接地极电流干扰下，管道上不同位置处的通/断电电位差异较大。阴极保护电源在恒电位输出模式下，即使通电点得到有效保护(电位达标)，距阴极保护电源较远的管道处，电位也是不达标的，这种情况下，用单点(通电点)的保护效果去衡量全线的保护效果是不合适的。目前，油气管道上的阴极保护设备很难完全应对特高压直流接地极电流对管道的影响，采用大功率阴保设备联合控制来抵御接地电流对管道的影响是一种可考虑的解决方案，这也为直流接地极电流对埋地油气管道干问题的治理提供了新思路。

4 结论

(1)直流接地极阴极运行，流入电流5 540 A时，管道上通电电位最正可达7.84 V，断电电位为-1.05～1.14 V；直流接地极阳极运行，流出电流3 680 A时，管道上通电电位最负可达-6.04 V，断电电位为-1.22～-0.56 V。

(2)增大阴极保护电源的输出电流，管道通电电位会整体下降，距被调整的阴极保护电源越近的管道，通电电位下降的幅度越大，反之亦然。

(3)直流接地极阴极运行时，靠近直流接地极的管道电位正向偏移，两端管道电位负向偏移，在靠近接地极的管道处增大阴极保护电源的输出电流对于减缓管道腐蚀的效果更好；直流接地极阳极运行时，靠近直流接地极的管道电位负向偏移，两端管道电位正向偏移，在两端管道处增大阴极保护电源的输出电流对于减缓管道腐蚀的效果更好。