王革 許明忠 譚春波 向敏 夏祝福

廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司

摘要：開展了高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)管道干擾的機(jī)理、成因、危害及防治措施的深入研究。選取典型管段進(jìn)行緩解措施試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在國(guó)內(nèi)首次提出了高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)管道干擾緩解措施及方案。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電系統(tǒng)；直流干擾；放電燒蝕；絕緣卡套；管道安全

2013年12月24日，廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司（以下簡(jiǎn)稱省管網(wǎng)公司）從化分輸站氣液聯(lián)動(dòng)球閥LineGuard控制箱引壓管絕緣卡套發(fā)生放電燒蝕，受到業(yè)界高度關(guān)注。通過(guò)調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)埋地輸氣管道存在嚴(yán)重干擾。為此，開展了對(duì)管道干擾的機(jī)理，成因，危害及防治措施的深入研究，并選取典型管段進(jìn)行了緩解措施試驗(yàn)。

1  干擾問(wèn)題發(fā)現(xiàn)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，引壓管絕緣卡套顏色發(fā)黑，上方引壓管也有發(fā)黑的印記，離絕緣卡套左側(cè)約5 cm位置的塑料管卡下端被完全熔化，右側(cè)約18 cm處的塑料管卡下端也有熔化現(xiàn)象（圖1）。從化分輸站氣液聯(lián)動(dòng)閥1#和2#絕緣卡套發(fā)生了高溫熔化（圖2 ）。1#絕緣卡套兩端熔化黏結(jié)在一起，卡套內(nèi)聚酰胺—酰亞胺絕緣件已熔化。兩個(gè)絕緣卡套切割開后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部均有明顯的燒蝕現(xiàn)象（圖3、圖4）。

圖1 從化分輸站發(fā)生燒蝕現(xiàn)場(chǎng)

圖 2燒蝕的絕緣卡套位置示意

圖3  1#絕緣卡套燒蝕情況

圖4  2#絕緣卡套燒蝕情況

調(diào)取該閥門附近的監(jiān)控視頻發(fā)現(xiàn)，從化分輸站越站氣液聯(lián)動(dòng)球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)于12月24日晚上18:30分開始出現(xiàn)亮點(diǎn)，亮度在5 min內(nèi)逐步達(dá)到最亮（圖5），直至該晚22:00，亮點(diǎn)逐漸熄滅。

圖5  監(jiān)控視頻發(fā)現(xiàn)氣液聯(lián)動(dòng)閥發(fā)光點(diǎn)

此時(shí)間點(diǎn)與南方電網(wǎng)的貴廣Ⅱ回直流輸電系統(tǒng)（魚龍嶺接地極）12月24日出現(xiàn)故障，采取單極大地返回方式運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)一致。此次貴廣Ⅱ回直流輸電系統(tǒng)采用單極大地回路運(yùn)行時(shí)，魚龍嶺接地極將3 125 A直流電流泄放，省管網(wǎng)公司的管道距離魚龍嶺接地極垂直距離較近，接地極放電從化分輸站位置管道電位正向偏移（圖6），從化分輸站絕緣卡套的一端與管道電連接，另一端與接地網(wǎng)電連接，造成絕緣卡套兩端存在很大電壓差，同時(shí)由于這兩個(gè)絕緣卡套絕緣性能下降，造成絕緣卡套發(fā)生了放電燒蝕熔化事件。

圖6 直流輸電線路單極運(yùn)行時(shí)造成的管道干擾示意

2  干擾問(wèn)題研究

省管網(wǎng)公司進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)，高壓直流輸電系統(tǒng)放電對(duì)管網(wǎng)造成了以下危害：①高壓直流輸電系統(tǒng)接地極放電時(shí)，線路恒電位儀無(wú)法正常運(yùn)行，并且燒毀了恒電位儀部分元件（圖7）。②燒毀犧牲陽(yáng)極位置的干線測(cè)試樁（圖8）。③燒毀多個(gè)站場(chǎng)絕緣接頭位置的等電位連接器（圖9）。④部分閥室的引壓管之間及指示器信號(hào)線接地套管與閥體接觸發(fā)生放電燒蝕（圖10）。⑤管道防腐層破損點(diǎn)處發(fā)生腐蝕（圖11）。

圖7 恒電位儀元件燒毀         圖8干線測(cè)試樁燒毀

圖9等電位連接器燒毀        圖10接地套管與閥體接觸放電燒蝕

圖11 管道防腐層破損點(diǎn)處腐蝕

魚龍嶺接地極邊緣距離管道垂直距離為2.3千米（圖12）。接地極放電時(shí)會(huì)對(duì)管道造成陰極和陽(yáng)極干擾，干擾規(guī)律見圖13。接地極陽(yáng)極干擾時(shí)，靠近接地極段的管道吸收雜散電流，管道電位負(fù)向偏移，遠(yuǎn)離接地極段的管道排放電流，管道電位正向偏移。接地極陰極干擾時(shí)，靠近接地極的管道排放電流，管道電位正向偏移，遠(yuǎn)離接地極段的管道吸收雜散電流，管道電位負(fù)向偏移。

圖12 魚龍嶺接地極與管道相對(duì)位置示意圖

圖13 高壓直流輸電系統(tǒng)接地極干擾規(guī)律示意

通過(guò)安裝HVDC電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和采用數(shù)值模擬軟件對(duì)高壓直流干擾進(jìn)行模擬計(jì)算，受干擾最嚴(yán)重的管段為省管網(wǎng)一期管道的鰲頭首站至石角閥室段、鰲頭首站至廣州分輸站段。管道受干擾時(shí)的電位能達(dá)到100 V以上（圖14），遠(yuǎn)超過(guò)人體和設(shè)備的安全電壓。閥室引壓管之間、絕緣卡套兩端和站場(chǎng)絕緣接頭位置存在幾十伏的電壓差，引壓管之間和絕緣卡套存在重大的放電燒蝕風(fēng)險(xiǎn)。

圖14  管道受高壓直流輸電系統(tǒng)接地極干擾電位分布

高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)管道干擾危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①造成管道電位嚴(yán)重偏移，存在人身和設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)。②雜散電流流入管道位置，存在防腐層剝離和管道氫脆開裂的風(fēng)險(xiǎn)。③雜散電流流出管道位置，存在管道防腐層破損點(diǎn)處管體腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。④雜散電流在管道中流動(dòng)，影響設(shè)備的可靠性和天然氣站場(chǎng)及閥室防爆安全。

經(jīng)文獻(xiàn)檢索，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有此類型雜散電流干擾緩解措施的可參考案例。研究結(jié)果顯示，如果將電流干擾影響緩解至當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，經(jīng)濟(jì)代價(jià)高，實(shí)施難度大。本次研究雖提出了多個(gè)緩解目標(biāo)和緩解措施，但受認(rèn)識(shí)和技術(shù)水平的限制，還沒(méi)有一種緩解措施能夠完全消除高壓直流干擾對(duì)管道造成的風(fēng)險(xiǎn)。

3 應(yīng)急防護(hù)措施

（1）將處于干線陰保系統(tǒng)保護(hù)的氣液聯(lián)動(dòng)球閥進(jìn)行接地，使閥體與Line Guard控制箱和閥位指示器之間形成等電位。

（2）將站場(chǎng)絕緣接頭位置的等電位連接器更換為固態(tài)去耦合器，將站內(nèi)外跨接，防止大電流排放時(shí)產(chǎn)生電位差。

（3）開挖鰲廣干線犧牲陽(yáng)極和靠近魚龍嶺接地極附近的鋅帶地床，查看犧牲陽(yáng)極腐蝕情況，對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的防腐層破損點(diǎn)及時(shí)修復(fù)。

（4）加強(qiáng)恒電位儀的操作培訓(xùn)及管理，優(yōu)化恒電位儀操作流程，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行相關(guān)處理步驟。在南方電網(wǎng)接地極泄流期間，嚴(yán)密監(jiān)視恒電位儀輸出，當(dāng)出現(xiàn)電位故障報(bào)警時(shí)，切換至恒流狀態(tài)，恒電流狀態(tài)下輸出電流超過(guò)額定輸出時(shí)，拆除零位接陰及陰極電纜。

（5）實(shí)施陰保數(shù)據(jù)智能化采集，沿線安裝電位采集儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控管段受干擾情況。

（6）與南方電網(wǎng)建立聯(lián)絡(luò)機(jī)制，計(jì)劃?rùn)z修及故障放電時(shí)及時(shí)通知公司采取安全防范措施，同時(shí)相應(yīng)減少接地極泄流次數(shù)、降低接地極泄流大小和縮短接地極泄流時(shí)間。

（7）現(xiàn)場(chǎng)增加安全警示標(biāo)識(shí)，對(duì)管道測(cè)試樁噴涂“有電危險(xiǎn)”安全標(biāo)識(shí)，防止公眾誤觸管道測(cè)試樁發(fā)生觸電。

（8）進(jìn)一步研究高壓直流干擾緩解措施。

4 緩解措施應(yīng)用研究

選取受干擾嚴(yán)重的鰲頭首站至廣州分輸站作為試驗(yàn)段，在受干擾嚴(yán)重區(qū)域設(shè)置ER腐蝕速率探頭監(jiān)測(cè)管道腐蝕程度，研究不同緩解措施的緩解效果。

試驗(yàn)段緩解目標(biāo)確定為：①受干擾時(shí)的管道電位控制在人體安全電壓±35 V以內(nèi)。②管道腐蝕速率控制在NACE RP0775－2005要求的0.0254 mm/a以下。③消除站場(chǎng)絕緣接頭兩端的電壓差。

研究了3種緩解措施：①在試驗(yàn)段鰲頭首站和廣州分輸站分別安裝大功率智能雙向強(qiáng)制排流系統(tǒng)。②絕緣接頭位置安裝±4 V直流排流器。③在管段敷設(shè)9處共計(jì)1.8 km鋅帶。結(jié)果表明，綜合采取多種緩解措施后，試驗(yàn)段管道受高壓直流干擾電位控制在±35 V（圖15），管道的腐蝕速率控制在0.0254 mm/a（圖16）。

■為緩解前；●為緩解后

圖15  采取措施前后試驗(yàn)段管道電位

圖16 采取措施前后試驗(yàn)段管道的腐蝕速率

2016－2017年，試驗(yàn)段研究成果應(yīng)用于受接地極干擾嚴(yán)重的鰲頭首站至石角閥室管段，水平敷設(shè)3.93 km鋅帶和25口深井陽(yáng)極（每口井安裝20 m鋅帶）。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，受高壓直流干擾電位控制在在±35 V內(nèi)，管道腐蝕速率小于0.0 254 mm/a，緩解效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

從化分輸站絕緣卡套放電燒蝕事件，是國(guó)內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)埋地輸氣管道的嚴(yán)重干擾。經(jīng)分析研究，掌握了高壓直流輸電系統(tǒng)接地極干擾對(duì)管網(wǎng)造成的危害。在國(guó)內(nèi)首次實(shí)施高壓直流干擾緩解措施，消除了對(duì)管道的安全風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

作者：王革，男，1968年生，現(xiàn)任廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司總經(jīng)理。

《管道保護(hù)》2018年第3期（總第40期）