高压直流接地极单极运行对埋地管道电位的干扰与影响

2023-10-31胡上茂刘刚廖民传刘青松贾磊吴泳聪屈路张义蔡汉生

南方电网技术 2023年9期

胡上茂，刘刚，廖民传，刘青松，贾磊，吴泳聪，屈路，张义，蔡汉生

（1. 直流输电技术全国重点实验室（南方电网科学研究院），广州 510663；2. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，广州 510663）

0 引言

随着能源经济的不断发展，高压直流输电工程和埋地油气管网在中国的覆盖程度越来越高［1-2］。未来，随着“双碳”目标的落实，还会有许多已规划的直流输电工程［3］。由于地理条件的限制，直流输电和油气管网“公共走廊”而引起的相互干扰问题更加突出［4-5］。高压直流输电一般采用双极运行，在故障或者设备检修时，会转化为单极大地运行。此时，会有数千安培的电流流入大地，引起的地电位升高会使接地极周围的土壤产生电压差，若埋地管道位于这一电压差中，管道的不同段可以吸收、传导或释放接地极的入地电流［6-7］。在管道电流流出的位置，将会发生严重腐蚀和危害［8-9］，使得接地极对油气管道的影响问题越来越引起研究者的广泛关注。

面对高压直流干扰问题，国内外研究者通过现场监测、实验室模拟实验和仿真计算开展了大量的研究，取得了很多研究成果［10-11］。如顾清林［12］等通过现场监测得出华南地区接地极干扰较华东、华中及西北地区的干扰程度大的结论；秦润之［13］等通过室内模拟实验提出了实际高压直流干扰下参数监测与腐蚀速率的预测方法。此外，由于我国地域辽阔，长输管道沿线土壤环境比较复杂，研究者大都采用仿真［14-15］计算研究高压直流接地极对埋地管道的干扰规律和应采取的防护措施。如房媛媛［16］等认为在相同的入地电流条件下双圆环接地极散流最均匀，附近管道干扰最小；曹国飞［17］等研究了管线长度、防腐层类型对埋地管道的干扰程度，进而进行了人身安全距离预测；也有研究者［18-20］等通过仿真计算研究了土壤厚度与土壤电阻率对管道的干扰程度，同时也得出高压直流接地极和管道附近的局部土壤环境对管道受高压直流接地极的干扰影响最大的结论。然而，当前的高压直流接地极对埋地管道的干扰程度和干扰规律均未考虑管道的极化效应；对于埋地长输管道会施加阴极保护系统，管道受高压直流接地极干扰时，埋地管道的真实保护电位（即考虑极化效应的断电电位）、干扰规律和阴极保护系统中的阴极保护电流是否能减弱高压直流干扰程度尚不清楚。

本文首先通过取回广东某管道位置实际土壤，在实验室模拟该土壤在高压直流干扰下的极化曲线，即电流密度与极化电位的关系。然后，采用Beasy 仿真软件，以某接地极的实际土壤分层结构和某管道的基础参数进行建模，分别研究了高压直流接地极入地电流、接地极与管道的位置关系对管道极化电位的干扰程度。最后通过数据分析得到了高压直流干扰期间管道的极化电位、自然电位和接地极入地电流的关系，并提出了在阴极保护系统存在条件下高压直流干扰埋地管道的电路模型，可为后续接地极的选址和管道沿线的阴极保护电位干扰规律提供参考。

1 仿真讨论

1.1 仿真模型

广东地区某接地极和管道的实际位置关系如图1 所示，某管道长度约为150 km，管道沿线全部电连接，共5 个阴极保护站场，分别位于第11.6 km、44.6 km、75 km、107 km 和137 km 里程，某接地极与管道最近距离约18 km，位于管道第90 km位置。

图1 接地极与管道间相对位置关系Fig. 1 Relative position relationship between grounding electrode and pipeline

计算参数选取如下：接地极为同心双圆环水平铺设布置，内外环直径分别为ϕ700 m 和ϕ940 m；内环电极埋深为3.5 m，外环电极埋深为4 m，内环焦炭断面尺寸为1.1 m×1.1 m，外环焦炭断面为0.7 m×0.7 m，入地电流为3 000 A；管道外径为813 mm，壁厚12.7 mm，X65 钢，3PE 防腐层，自然电位为-0.68～-0.73 V（相对于饱和硫酸铜参比电极，简称cse）；5个阴极保护站场阴极保护恒电位仪输出电流分别为3 A、1 A、2 A、1 A和1.5 A。

1.2 土壤模型

土壤情况会影响接地极电流的分布，接地极侧的土壤选用贵广二回直流和云广特高压直流共用接地极工程本体部分施工图设计说明书提供的现场某接地极的实际土层分布，土壤分层结构和相应的土壤电阻率如表1所示。

表1 接地极位置土壤结构Tab. 1 Soil structure at the locations of grounding electrode

由于本文主要研究管道的极化电位（也即真实的阴极保护电位）受高压直流接地极单极运行的影响规律。为此，取回某管道埋深位置的土壤，在实验室采用直流电源、UDL2、万用表、参比电极和与管道同材质的X65管道试片并采用三电极体系模拟该条管道在所属土壤环境中的极化曲线，即管道的断电电位与电流密度的关系，并将其赋予到仿真模型的管道参数中。图2为极化曲线示意图，1 cm2的X65 管线钢试片为工作电极，MMO 阳极管为辅助电极，饱和硫酸铜为参比电极。工作电极埋设在土样以下20 cm 位置，参比电极靠近工作电极，辅助电极浇入足够的水以保持良好接触。连接好电路后，将土壤压实，待试样的开路电位稳定后开始测试。根据图2 的测试装置，采用Fluke 记录外回路中电阻两端的电压，以得到外回路中的电流，使用UDL2 测试并记录试样电位。对于阴极极化曲线，电源负极输出端连接试样，打开电源，设置Fluke为毫伏档并记录。手动调节电源输出为0.1 V、0.2 V、…、1 V、3 V 至30 V，每个输出值停留1 min，记录每一电位值下的通、断电电位与电流，进而绘制电位和电流密度曲线。

图2 极化测试电路示意图Fig. 2 Sketch diagram of polarization test circuit

图3 为测试的极化曲线，图3（a）曲线显示，管道在该土壤环境受高压直流干扰期间，通断电电位差值较大，即使管道通电电位为几十伏，断电电位依然在很小范围内变化；此外，图3（b）的断电电位极化曲线结果表明，断电电位最正值为-0.38 Vcse，偏移自腐蚀电位370 mV；断电电位最负值为-1.26 Vcse，偏移自腐蚀电位510 mV。

图3 管道所在土壤环境的极化曲线Fig. 3 Polarization curves of soil environment where pipeline is located

2 直流干扰相关评价标准

2.1 电网方评价标准

电网方大都从接地极与管道的距离评价管道的干扰程度。如我国电力行业DL/T437《高压直流接地极技术导则》［21］提出接地极址设计前要评估接地极址对周围环境的影响，在预选地址10 km 范围内原则上不应有埋地金属管道、铁道及有效的接地送变电设施，若不能避开，应对接地极电流对这些构件产生的腐蚀等不良影响的程度进行评估。此外，DL/T 5224—2004《高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定》［22］也提出，在接地极极址选择中，对可能的每个接地极址方案应进行不小于10 km 范围内的地质结构调查，同时应收集不小于50 km 范围内地下金属管线等设计资料。然而，在实际工况中，不同地区的土壤结构对接地极的干扰影响较大，仅从距离远近区分管道是否会受到接地极的干扰并不科学，还需要结合管道方的相关评价标准。

2.2 管道方评价标准

目前，管道方无专门针对高压直流干扰的判断指标，考虑到高压直流接地极属于直流干扰，可参考相关的直流干扰评价标准。如国家标准GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》［23］提出，对于处于设计阶段的管道，管道附近20 m 范围内地电位梯度大于0.5 mV/m 时，确定存在直流干扰；对于没有施加阴极保护的管道，当管地电位相对于自然电位正向或者负向偏移大于20 mV 时，确认存在直流干扰，当任意点的管地电位正向偏移不小于100 mV 时，应采取干扰防护措施；对于施加阴极保护的管道，当干扰导致管道不满足最小保护电位要求时，应采取干扰防护措施；此外，欧洲标准EN50162［24］也提出了对于有阴极保护的结构，当干扰导致管道消除IR 降电位超出保护电位范围之外时，干扰不可接受，然而，对于阴极保护准则，GB/T 21447—2018［25］指出，对于钢结构在一般土壤中的最小保护电位（无IR 降）为-0.85 Vcse，最负不宜超过-1.2 Vcse；对于无法达到相应的阴极保护准则时，也可采用100 mV 准则，即当阴极保护电位负向偏移自然电位100 mV时，也认为阴极保护满足标准。对于本文的仿真评价标准，由于仿真模型中考虑了管道的阴极保护系统，以-0.85 Vcse作为干扰时的阴极保护指标。

3 接地极单极运行对埋地管道的干扰研究

3.1 接地极单极运行极性对管道的干扰研究

图4 为仿真计算了接地极阴极、阳极入地电流分别为3 000 A 和管道不受接地极干扰（仅在正常阴极保护）3种工况条件下管道的电位分布情况；在不受接地极干扰时，阴极保护站场附近的管道电位偏负，但是管道全线电位均满足-0.85 Vcse 的阴极保护指标；在阴极保护系统存在条件下，接地极阳极为3 000 A 的入地电流时，管道靠近接地极的部分吸收电流，阴极保护电位负向偏移，管道阴极保护电位位于-0.85 Vcse～-1.2 Vcse 的阴极保护区间内，管道远端释放电流，电位较自然电位正向偏移，但是阴极保护站场附近的管道由于阴极保护电流的存在电位仍然有明显偏负现象，整体电位不满足-0.85 Vcse～-1.2 Vcse 的阴极保护指标；接地极阴极为3 000 A 入地电流时，对管道的电位分布相反；此外，图4 的电位分布结果显示，干扰电位的最正、最负值均位于与接地极最近的位置，即可以确定接地极与管道的距离也会影响管道阴极保护电位的分布。

图4 阴极、阳极单极运行下管道干扰电位分布Fig. 4 Interference potential distribution of pipeline under cathodic and anodic monopolar operation of HVDC grounding electrode

3.2 接地极单极入地电流对管道的干扰研究

接地极单极运行入地电流不同，对管道的干扰也不同。对此，仿真计算了接地极入地电流分别为600 A、1 200 A、1 800 A、2 400 A 和3 000 A 时对管道的干扰规律。图5（a）的结果表明，阳极入地电流越大对管道干扰越严重，但是不同入地电流对管道的干扰趋势相同，因此可通过控制接地极的入地电流以降低管道的受干扰程度。此外，图5（b）的干扰规律结果显示，在受高压直流干扰时，不同里程位置的入地电流和管道电位均为近似线性关系，将图5（b）的线性曲线数据进行拟合统计如表2 所示，不同位置的入地电流与保护电位均符合式（1）。

表2 阳极电流对管道干扰电位影响的线性特征参数Tab. 2 Linear charcteristic parameters of relationship between interference potential and pipeline milage

图5 不同阳极入地电流对管道的干扰Fig. 5 Pipeline interference under different anodic current levels

式中：u为受干扰时管道的断电电位；I为接地极的入地电流；b为管道自然电位或者阴极保护电位；k为斜率。

由图4 可见，若不同接地极入地电流引起管道的断电电位均在正常阴极保护电位基础上负向偏移（如图5（a）的位置三）或在自然电位基础上有正有负偏移（如图5（a）的位置一和位置二），则式（1）中的b为管道未受接地极干扰时的正常阴极保护电位；若接地极入地电流均导致管道电位在自然电位基础上正向偏移（如图5（a）的位置四），则式（1）中的b为管道未施加阴极保护时的自然电位。

为进行对比，图6为600 A、1 200 A、1 800 A、2 400 A 和3 000 A 的阴极电流对管道的干扰规律。相比阳极入地电流对管道干扰的电位偏移趋势，接地极阴极入地电流对管道干扰电位的影响呈现相反的趋势，且依然在接地极距离最近的管道处干扰最为严重。与此同时，图6（b）4 个典型位置的入地电流与管道断电电位也依然呈现出线性关系，即接地极入地电流越大，断电电位偏移-0.85 V 的保护准则越大。

图6 不同阴极入地电流对管道的干扰Fig. 6 Pipeline Interference under different cathodic current levels

将图6（b）不同入地电流和管道断电电位的线性关系进行统计如表3所示。

表3 阴极电流对管道干扰电位影响的线性特征参数Tab. 3 Linear charcteristic parameters of relationship between interference potential and pipeline milage

表3 仍然符合式（1），在受接地极入地电流干扰引起的管道电位均正向偏移-0.85 V 的保护指标时（如图6（a）的位置二和位置三），b为管道自然电位；当断电电位均负向偏移-0.85 V 的保护指标时（如图6（a）的位置一和位置四），b为阴极保护电位；综合对比表2 和表3 可知，当且仅当不同接地极入地电流对管道的电位均负向偏移-0.85 V 的最小阴极保护指标时，k为负值，其他工况均为正值；当不同入地电流对管道的干扰电位均正向偏移-0.85 V的最小阴极保护指标时，b为自然电位，其他工况b为阴极保护电位。为此，对于现场实际受高压直流干扰期间的管道电位，可根据管道受接地极干扰时杂散电流的流入流出方向和式（1）进行计算。

3.3 管道-接地极间距对管道的干扰研究

管道所受的直流干扰水平与土壤电阻率、入地电流、管道长度和防腐层等很多参数有关。因此，采用统一的安全距离并不合适。为此，本论文仿真了入地电流为3 000 A 接地极与管道距离分别为5 km、20 km、35 km 和50 km 时管道的干扰电位，结果如图7所示。

图7 接地极与管道的间距对管道干扰电位分布的影响Fig. 7 Influence of distance between grounding electrode and pipeline on interference potential distribution

图7 （a）的结果显示，接地极与管道的距离越近，受干扰的近端管道越短，干扰电位越大。将图7（a）的近端管道干扰范围和干扰电位极值统计如图7（b），随着接地极与管道距离的增加，近端管道的干扰范围和干扰电位极值呈负相关变化。接地极与管道距离5 km时，受干扰的最大断电电位为664 mV，约15 km 管道不满足-0.85 V 的准则；当接地极与管道距离为35 km 和50 km 时，受干扰的近端管道范围分别为67 km 和76 km，受干扰管道最大断电电位均约为-570 mV，仍不满足-0.85 V 的阴极保护准则。可见，对于实际工况，不能采用统一的“安全距离”评价管道受干扰程度。对于该类问题，建议应该及时调整接地极选址方案，或者采取相应的措施，以避免管道的干扰问题。同时建议行业标准中对不同土壤结构接地极址应收集不同范围内的地下金属结构管线，建议对于深层土壤电阻率较高的地区应收集接地极址至少70 km 范围内埋地管道的设计资料等。

4 仿真结果的分析与讨论

从仿真计算结果看，管道受高压直流的干扰水平与接地极的入地电流、接地极与管道的位置和管道的阴极保护系统均有关。对此，图8 以接地极阳极单极运行为例，提出了在阴极保护系统存在下管道受高压直流杂散电流干扰时的电流流入流出示意图。接地极阳极单极运行时，大量电流从接地极流入大地，靠近接地极的管段流入杂散电流，电位负向偏移，远离接地极的管段流出电流，电位正向偏移。由于长输管道均存在阴极保护系统，远端管道在接地极杂散电流iHVDC流出的同时，在阴极保护站场较近的管段也会吸收由阳极地床流入到土壤的阴极保护电流i阴极保护。然而，在实际工况中，i阴极保护远小于iHVDC，因此，在受高压直流干扰时，阴极保护站场临近的管道i阴极保护电流会抑制部分iHVDC，呈现出如图3 所示的靠近阴极保护站场附近的管段电位会负向偏移。若接地极的入地电流低于1 800 A 时，在阴极保护站场附近的管道受阴极保护电流的影响电位仍会满足-0.85 V 的保护指标，如图5（a）中，第一个阴保站附近管道在1 800 A 电流时，保护电位仍然满足标准。可见，为准确评价管道受高压直流干扰时的真实保护效果，还需要考虑管道阴极保护系统对杂散电流的影响。