李自力 劉建國 楊超

中國石油大學（華東）；山東省油氣儲運安全省級重點實驗室；青島市環(huán)海油氣儲運技術重點實驗室

 

我國在十一五、十二五和十三五規(guī)劃中提出了高壓直流輸電（HVDC）建設計劃，輸電等級從500kV提高到1000kV，并計劃于2020年形成以華北、華東、華中為核心的特高壓電網(wǎng)[1]。

 

 

圖1 我國電力流向圖

 

由于高壓直流輸電系統(tǒng)本身的固有特性，在運行過程中不可避免地會對周圍環(huán)境尤其是金屬設施產(chǎn)生直流雜散電流干擾。P.Nicholson[2]通過實際測試發(fā)現(xiàn)，當故障電流流入到埋地管道，在流出管道之前會沿著管道流動很長一段距離，在管道中持續(xù)存在幾分鐘甚至幾天的時間，在管道流出的位置會造成嚴重的腐蝕。相關研究[3,4]也表明，高壓直流輸電干擾具有影響范圍廣、干擾程度大、緩解困難等特點。本文對高壓直流輸電系統(tǒng)、干擾機理和特點及應對策略進行了闡述。

1 高壓直流輸電系統(tǒng)簡介 

高壓直流輸電是指±10kV及以上電壓等級的直流輸電及相關技術，分為高壓（HV，10kV-220kV）、超高壓（EHV，330kV-750kV）和特高壓（UHV，800kV及以上）三個等級。如圖2所示，直流高壓輸電系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)、整流站、直流輸電線路、逆變站、受端交流系統(tǒng)五部分組成，其中最重要的部分是換流站，而組成換流站的主要部分是接地極。遠距離高壓直流輸電采用大地回路，可以提高運行可靠性，節(jié)省電能在線路上的損耗以及使工程可以分期建設，具有明顯的經(jīng)濟效益。

 

 

圖2 直流輸電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖

 

如圖3所示，接地極由電極（饋電棒）、導流系統(tǒng)、輔助設施等構(gòu)成，型式主要有水平單環(huán)型、水平雙環(huán)型、垂直型和深井型。接地極雖然在工程中有明顯的優(yōu)勢，但也存在地面跨步電壓過大、本體腐蝕、對電力系統(tǒng)交流變壓器偏磁影響和對地下金屬管道腐蝕影響等問題。

 

 

圖3 接地極資料圖

 

相對交流輸電來說，直流輸電具有輸送靈活、損耗小、能夠節(jié)約輸電走廊和實現(xiàn)快速控制等優(yōu)點，但也存在造價高、消耗無功功率多、諧波危害、電磁干擾和電化學腐蝕等方面的不足。 

2 高壓直流輸電接地極干擾機理及危害

直流輸電系統(tǒng)一般采用兩端直流輸電系統(tǒng)，主要包括單極系統(tǒng)（正極或負極）、雙極系統(tǒng)（正負兩級）、背靠背直流系統(tǒng)（無直流輸電線路）三種類型。如圖4所示，當直流接地系統(tǒng)正常運行時為雙極運行模式，此時由兩接地極和輸電線構(gòu)成回路，流經(jīng)大地的電流僅為運行電流的1%~3%（對稱運行系統(tǒng)）或兩極電流之差（非對稱運行系統(tǒng)）；當直流接地極系統(tǒng)在運行初期或發(fā)生故障和檢修時為單極運行模式，此時大地作為一根導線加入到輸電系統(tǒng)中，電流從受端接地極流經(jīng)大地返回到送端接地極，入地電流為系統(tǒng)額定直流電流，數(shù)值會達到幾千安培，瞬間大電流會擊穿埋地管道防腐層造成管道穿孔，并且會燒毀附近的陰保設備，對操作人員造成人身傷害[5,6]。

 

 

圖4 大地中兩接地極之間的電流

 

（1）造成管道腐蝕或發(fā)生防腐層剝離

如圖5所示，當管道附近的接地極為陽極放電時，電流將在管道靠近接地極端由防腐層破損處流入管道，再由遠端流出管道，遠端流出點作為腐蝕原電池的陽極發(fā)生腐蝕；當管道附近的接地極為陰極放電時，電流將在管道遠離接地極端由防腐層破損點流入管道，再由近端流出管道，導致近端流出點腐蝕[7]。

 

 

圖5 直流接地極干擾示意圖 

 

因此，管道在電流流出的地方發(fā)生腐蝕，根據(jù)法拉第定律，1A的陽極電流將導致9.1kg/a的金屬損失，換句話說，若陽極電流密度為1A/m2時，裸鋼管的平均減薄量為1.17mm/a，對于直流雜散電流來說，管道傳遞的雜散電流數(shù)量大，而電流排出點集中在界面電阻小、易放電的局部位置，導致破壞性極強，在短時間內(nèi)即可導致管線發(fā)生腐蝕穿孔；而在電流流入的地方會導致管地電位負向偏移，若負向偏移程度超出管道防腐層析氫電位，會使得管道產(chǎn)生過保護發(fā)生析氫反應，導致防腐層陰極剝離。

在理想情況下，即在接地極形狀規(guī)則、土壤均勻等條件下，如圖6（a）所示，土壤中的等電位線是以接地極為中心的同心圓，由于管道上電位分布不同，電流在土壤高電位點流入管道，在遠處低電位點流出；而在實際情況下，如圖6（b）所示，管道布局、接地極形狀及埋設方式、環(huán)境變化等參數(shù)的復雜性，使得土壤中地電場分布情況難以求解，因此確定實際情況下管道上電流的流入流出點、計算管中電流以及測定電流密度等都十分困難。

 

 

圖6 接地極周圍電場分布

 

（2）金屬管道及相關設備燒蝕

瞬間大電流阻性耦合會造成金屬管道設施放電、燒蝕，氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)誤操作，陰極保護電源設備、電位傳送器及等電位連接器燒毀，甚至出現(xiàn)金屬管件放電、燃燒、爆炸等嚴重事故。

如圖7所示，2013年8月16日，大塘接地極入地電流達1200A，發(fā)現(xiàn)位于接地極外環(huán)連接鋅帶與管道的二極管燒毀；在其他運行時間里魚龍嶺接地極和大塘接地極的故障放電燒毀了大量站場相關設備。

 

 

（3）威脅人身安全

當直流輸電系統(tǒng)單極運行時，接地極極址附近的跨步電壓會帶來人身安全問題，而附近金屬設施的接觸電勢也會對操作人員的人身安全帶來威脅。

3 高壓直流輸電接地極干擾防護措施 

（1）完善高壓直流干擾判斷標準

目前，對埋地管道遭受接地極干擾規(guī)律的認識尚不完善，尤其對于具有防腐絕緣層的管道，管道電位分布、電流分布等與接地極位置、土壤電阻率、土壤成分等相關關系，還沒有建立完善的理論體系及求解方法，影響到管道的設計及運行管理。電力系統(tǒng)領域相關接地極的研究中，大量工作都是關于接地極對動力系統(tǒng)自身設施的電、磁干擾問題的研究，并形成了相關的規(guī)范，但從管道保護的角度出發(fā)，電力系統(tǒng)的規(guī)定我們能否接受，或者說在滿足電力規(guī)范要求的前提下，接地極對管道的干擾和危害有多大都不得而知。

相關標準[8,9]明確指出，當接地極與地下金屬管道的最小距離（d）小于10km，或者地下金屬管道的長度（L）大于d，應計算接地極對管道的不良影響；當管地電位偏移不小于100mV或地電位梯度不小于2.5mV/m時，應及時采取干擾防護措施。通過金絲接地極對附近管道的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當d=10km時，管地電位最大正向偏移可達6.6V；當d=30km時，管地電位最大正向偏移為1.6V；當d=60km時，管地電位最大正向偏移依然達到800mV；當d=100km時，金絲接地極基本無影響。事實上，對于長輸管道來說，L/d>1，均應考慮高壓直流接地極對附近管道的影響。因此，有必要進一步開展管道受高壓直流接地極干擾規(guī)律的研究，在設計、運行階段準確描述管道受干擾的狀態(tài)及演化規(guī)律，從而建立可行的高壓直流接地極對埋地管道干擾的判斷標準。

（2）提高防腐絕緣層質(zhì)量及完好率

根據(jù)模擬計算及實際檢測，要從根本上降低外界雜散電流對埋地管道的干擾影響，應提高“嚴重干擾區(qū)” 段管道防腐層質(zhì)量及完好率，對管道使用加強級防腐層，同時通過加強施工管理，確保防腐層地面漏點檢測真實有效，發(fā)現(xiàn)漏點及時修復，最終保證防腐層達到最佳絕緣性，杜絕或減少電流流入管道。

（3）對管道采取分段絕緣隔離措施

為大幅縮短直流干擾的影響范圍，減小累計流入電流量及電位波動幅度，可采取絕緣接頭分段電隔離，將管道沿線電位變化控制在可接受范圍內(nèi)。

如圖8所示，本文對金絲接地極的干擾情況進行了數(shù)值模擬，并探究了管道分段隔離措施的有效性，從圖中可以看出，管道進行分段隔離后，金絲接地極的陽極接地時管地電位的最大正向偏移由1612.7mV降為954mV，陰極接地時管地電位的最大正向偏移由1253.14mV降為708mV，管地電位最大偏移值有了明顯減小，但在分段隔離處的兩端電位差有了明顯升高，因此在分段隔離處應采用絕緣法蘭跨接的方法減小兩端電位差值，保護分段隔離裝置。

 

 

圖8 管道分段隔離模擬實例

 

根據(jù)相關的室內(nèi)研究成果，本文提出了分段隔離+陰極保護+排流三種措施相結(jié)合的方法來實現(xiàn)高壓直流輸電干擾保護：

①對直流干擾嚴重段實行分段隔離，將干擾區(qū)域限定在一定范圍內(nèi)；

② 增加陰極保護系統(tǒng)對隔離管段進行單獨保護；

③在隔離管段安裝直流排流保護設施，為防止陰保電流的流出，在排流線上安裝單向?qū)�通裝置。

（4）構(gòu)建智能排流及陰保系統(tǒng)

根據(jù)對金絲接地極干擾范圍的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當管道與接地極的距離為100km時，管道基本不受接地極的影響，因此建議對距離接地極100km范圍內(nèi)的管道進行計算分析，確定接地極陽極、陰極接地方式下管道的電流分布狀態(tài)，設計最佳排流點（排流區(qū)域），實施排流，并且應重點對接地極周圍60km范圍內(nèi)的管道進行防范；研發(fā)智能化排流系統(tǒng)和陰極保護系統(tǒng)，實現(xiàn)對雜散電流的智能檢測、排出及陰保電流的有效保護。

（5）建立管道企業(yè)與電力企業(yè)信息溝通機制

近年來，國內(nèi)發(fā)生的幾起埋地管道遭受高壓直流輸電接地極干擾的事件，都是在直流輸電運行改為單級運行模式，且管道公司未事先得到電力公司通知的情況下發(fā)生了管道恒電位儀出現(xiàn)超限、停機，導致陰極保護失效等問題。因此，建議建立管道、電力企業(yè)間的信息互通機制，實現(xiàn)管道和電力企業(yè)間的業(yè)務聯(lián)動，從而有效減小或避免高壓直流輸電對埋地管道、站場設備和人身造成的危害。

參考文獻：

[1] 李丹丹.高壓直流輸電線路對某埋地金屬管道的干擾規(guī)律研究[D].四川成都：西南石油大學， 2014:3.[2] P. Nicholson. High voltage direct current interference with underground or underwater pipelines [A].Proceeding of Corrosion 2010 [C]. San Antonio: NACE International, 2010: 10102.

[3] 劉連光，崔明德，孫中明等.±800kV直流接地極對交流電網(wǎng)的影響范圍[J].高電壓技術， 2009,35（6）： 1243-1247.

[4] 董曉輝，楊威，唐程等.特高壓直流入地電流對附近桿塔地網(wǎng)腐蝕評估[J].高電壓技術， 2009,35（7）：1546-1552.

[5] Liu J, Dawalibi F P, Ma J, et al. HVDC advanced analysis methods for grounding design and DC interference mitigation techniques[C]. International Symposium on Electromagnetic Compatibility. 2002:202-206.

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[7] Yu Gong, Chunlin Xue, Zhilei Yuan, et.al.Advanced analysis of HVDC electrodes interference on neighboring pipelines [J]. Journal of Power and Energy Engineering, 2015,3:332-341.

[8] GB 50991-2014，埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術標準[S].

[9] DL/T 5224-2005，高壓直流輸電大地返回運行系統(tǒng)設計技術規(guī)定[S].

作者：李自力，男，博士，教授，主要從事油氣儲運系統(tǒng)安全工程的研究。

《管道保護》2016年第5期（總第30期）