高壓直流接地極對埋地管道的干擾及防護研究

趙雅蕾， 李自力， 房翔鵬， 楊 超， 崔 淦

(1.中國石油大學(華東) 山東省油氣儲運安全省級重點實驗室 青島市環海油氣儲運技術重點實驗室，山東 青島 266580；2.青島新奧燃氣有限公司，山東 青島 266580)

高壓直流接地極對埋地管道的干擾及防護研究

趙雅蕾1， 李自力1， 房翔鵬2， 楊 超1， 崔 淦1

(1.中國石油大學(華東) 山東省油氣儲運安全省級重點實驗室 青島市環海油氣儲運技術重點實驗室，山東 青島 266580；2.青島新奧燃氣有限公司，山東 青島 266580)

高壓直流輸電線路與埋地管道路由選擇的相似性導致管道不可避免地進入高壓直流干擾影響區。為探究公共走廊內高壓直流接地極對埋地管道的干擾與防護規律，采用邊界元軟件計算了不同防腐層破損率、不同管道到接地極距離下的高壓直流干擾強度,分析了分段絕緣措施和緩解鋅帶的防護效果。結果表明，防腐層均勻破損率越小，干擾電流越集中，局部腐蝕風險越高；絕緣法蘭之間的管段受到的干擾得到緩解，而隔離區外管段受到的干擾加??；緩解鋅帶的保護范圍有限，與鋅帶長度相當。最后，提出了分段絕緣、陰極保護、緩解鋅帶相結合的綜合防護措施。

接地極； 管道； 直流干擾； 防護措施； 數值計算

相比高壓交流輸電技術，高壓直流輸電(HVDC)技術在長距離、大容量輸電等方面占據優勢，并以其低損耗、可實現不同電網互聯等優點而受到重視[1]。HVDC技術常采用雙極對稱輸電模式，該模式下流經土壤的電流僅占額定電流的1%，但在HVDC系統投運初期或故障檢修期間，接地極采用單極-大地模式運行，高達數千安的電流流入大地。瞬間大電流會加速管道腐蝕，擊穿埋地管道防腐層，燒毀附近的陰極保護設備，對操作人員造成人身傷害[2-5]。因此,開展接地極對埋地管道干擾的相關研究對保障管道安全運行有重要意義。

針對HVDC干擾的嚴重性,P. Nicholson[6]、李振軍[7]、R. Z. Qin等[8]通過現場測試研究了直流接地極對埋地管道的影響規律與干擾程度。觀測點的管道干擾電壓高達上百伏，最大泄R. Z. Qin等[8]測試發現,3 200 A的入地電流在KP4708漏電流密度為82 A/m2，腐蝕速率高達0.55 mm/d，瞬間大電流造成引壓管和絕緣卡套的打火放電及泄漏，燒毀恒電位儀。1988年，P. J. Lagace等[9]開展了相關理論計算，基于拉普拉斯方程求解了4層土壤模型中圓環接地極周圍土壤的地表電位，建立了管道傳輸線型等值模型，推導出接地極干擾下管內電流、泄漏電流密度、管道電位計算公式，并使用C.E. Caroli等[10]的現場測試結果進行驗證。但上述理論推導未考慮管道極化特性。商善澤[11]研究表明，在未考慮管道極化效應的情況下，接地極與管道安全距離的計算結果過于保守。李丹丹[12]通過ANSYS-CFX模塊建立接地極干擾模型，研究入地電流、管道縱向電阻、土壤電阻率等因素對管道直流干擾電壓、管內電流、地電位升與管道泄漏電流密度的影響。曹方圓等[13]建立了防護措施的等效電路模型，使用CDEGS軟件計算了犧牲陽極、強制陰極排流、絕緣接頭、局部接地設備等防護措施對管地電位的影響。隨著輸電線路電壓等級的提高，位于公共走廊內的管道所受的直流干擾問題越來越嚴重，有必要對其進行深入研究，從而采取合理的防護措施。

為此，采用邊界元軟件計算了不同防腐層破損率、不同管道到接地極距離下的高壓直流干擾強度,分析了分段絕緣措施和緩解鋅帶的防護效果。并取100 mV為管地電位正向偏移的限值，給出不同入地電流、土壤電阻率下的防護距離建議；提出分段絕緣、陰極保護、緩解鋅帶相結合的綜合防護措施，研究結果可以為管道和電力專業人員提供參考。

1 HVDC干擾計算模型

1.1 模型建立

HVDC干擾計算模型如圖1所示。

圖1 HVDC干擾計算模型

Fig.1CalculationmodelforHVDCinterference

將高壓直流接地極對埋地管道的干擾問題作如下簡化：(1)HVDC干擾處于穩定狀態，地電場為穩定靜電場；(2)管道極化特性不會瞬時改變；(3)土壤中電流流動遵從歐姆定律；(4)土壤介質外部的電氣連接線路電阻大小可忽略。(5)計算土壤區域為半無限大區域，假設無限遠處土壤電位為自然電位。

當高壓直流接地極單極運行處于穩態時，接地極周圍地電場處于穩態，則管道上的電位分布也為穩定狀態。求解的區域內部既沒有電流的得失，也不存在源點或匯點，且系統狀態不隨時間發生變化，因此可采用拉普拉斯方程來描述接地極入地電流穩定時接地極周圍土壤中的電場分布，并計算管地電位分布[12,14]。

計算模型的邊界條件為：(1)土壤與空氣接觸界面電氣絕緣，法向電流密度為0；(2)無限遠邊界上電位已知，假設無限遠處土壤電位為0;(3)邊界電流密度已知，接地極圓環為恒定電流密度邊界；(4)邊界上電位與電流密度關系已知，管道邊界條件為陰極極化曲線。

1.2 計算參數設置

計算參數主要包括3部分：接地極特性參數、管道特性參數、土壤參數。根據石油、電力行業標準以及相關文獻選取具體參數[15-17]。在圖1模型中，采用單圓環接地極，半徑為250 m，埋深為3.5 m，鋼棒外部包覆焦炭填充截面為0.6 m×0.6 m，接地極單極運行時入地電流5 000 A，管道設計外徑為1 016 mm，管中心埋深取2 m，接地極與管道距離10 km，新建管道防腐層破損率取1%。當沒有雜散電流存在時，管地電位為-600 mV(相對于飽和氯化銀參比)，土壤電阻率為50 Ω·m。

1.3 模型驗證

文獻[12]利用自動電位采集儀對管地電位進行連續檢測，本文選取干擾時間較長且管地電位穩定管段(選擇462#、465#測試樁第1 833 h的管地電位)進行模型驗證。模型計算的參數取值與文獻[12]一致，模擬結果與實際測量數據見表1、圖2。由表1和圖2可知，模擬結果與實際測量數據之間的誤差低于5%，該模型可以用于后續研究。

表1 模型驗證結果Table 1 Model validation results

圖2 模型驗證結果

Fig.2Modelvalidationresults

2 模擬結果與分析

2.1 防腐層破損率對HVDC干擾的影響

2.1.1 防腐層均勻破損率對HVDC干擾的影響

在金屬表面敷設防腐層是防止金屬腐蝕的最普遍而重要的方法。一方面，防腐層可以隔離金屬管道與周圍土壤介質，阻止金屬表層腐蝕微電池的作用；另一方面，防腐層可以防止金屬管道的機械損傷以保證管道的完整性。管道防腐層破損不僅使防腐層面電阻減小，黏結力降低，陰極保護電流流失，也增大了管道發生局部腐蝕穿孔的風險。模型中其余參數不變，選取防腐層均勻破損率為0.5%、1%、5%、10%、50%、100%，計算得到不同防腐層破損率下管地電位的分布和變化曲線見圖3。不同防腐層破損率下管地電位最大偏移量的變化曲線見圖4。

圖3 不同防腐層破損率下管地電位分布

Fig.3Thepipe-to-soilpotentialunderdifferentcoatingbreakdownfactors

由圖3可知，防腐層破損率為50%的管道與裸管的管地電位偏移變化基本在400 mV以內，裸管管地電位的波動情況遠遠小于小破損率管道，并且破損率越小，管地電位絕對值越大，中間位置干擾越嚴重。這是因為直流雜散電流放電更趨向于集中在界面電阻小、易放電的局部位置，導致破壞性極強，在短時間內即可導致管線發生腐蝕穿孔。因此，對于防腐層來說，雜散電流對小破損率的管道的腐蝕問題遠遠高于大破損率，這主要體現在管道腐蝕穿孔問題上，而當破損率達到50%時，從保護電位的角度上來說基本可認為防腐層已經失效。由圖4可知，隨著破損率的增大，管地電位的最大偏移先急劇減小，在破損率大于10%以后變化較為平穩。

圖4 不同防腐層破損率下管地電位最大偏移

Fig.4Themaximalpipe-to-soilpotentialshiftunderdifferentcoatingbreakdownfactors

2.1.2 防腐層局部破損 以管道距離接地極860 m為例，在距離接地極最近的管道處設置1 cm2的防腐層破損，計算了1 cm2破損處的泄漏電流密度，如圖5所示。

圖5 破損點處泄漏電流密度

Fig.5Thecurrentdensityofholidays

由圖5(a)可知，當接地極陽極放電時，靠近接地極的管道為陰極，電流經防腐層破損處流入管道，管道上流入的最大電流密度為150.380 A/m2。由圖5(b)可知，當接地極陰極放電時，靠近接地極的管道為陽極，電流經防腐層破損處流入土壤，此時流出的最大電流密度為51.106 A/m2。根據法拉第電解定律，1 A/m2=1.174 mm/a，腐蝕速率高達60.0 mm/a。因此，應采用加強級防腐層，及時修復破損點，盡量保證防腐層的完整性以減小雜散電流流入、流出[18]。

2.2 管道與接地極間距對HVDC干擾的影響

DL/T 5224—2014《高壓直流輸電大地返回運行系統設計技術規定》中指出：如果接地極與地下金屬管道、地下電纜、非電氣化鐵路等地下金屬構件的最小距離(d)小于10 km，或者地下金屬管道、地下電纜、非電氣化鐵路等地下金屬構件的長度大于d，應計算接地極地電流對這些設施產生的不良影響。因此，以入地電流5 000 A為例，計算管道與接地極距離分別為0.86、5、10、30、60 km下的管地電位與管地電流密度，如圖6、7所示。

圖6 不同管道與接地極距離下管地電位分布

Fig.6Theinfluenceonaveragedpotentialofelectrode-to-pipedistance

圖7 不同管道與接地極距離下管地電流密度分布

Fig.7Theinfluenceonaveragedcurrentdensityofelectrode-to-pipedistance

圖6、7給出了管地電位和管地電流密度隨距離的變化曲線，在0～30 km時，隨著距離的增大，管地電位和管地電流密度急劇減小，當距離大于30 km時減小程度明顯減弱；通過距離為30、60 km的變化曲線可以看出，隨著距離的增大，管地電位和管地電流密度基本不變。因此，在實際工程中，應使高壓直流接地極與管道的最小距離至少為30 km，并且至少應評估接地極對周圍60 km范圍內埋地管道的干擾影響。

石油標準規定[19]：對于未施加陰極保護的管道，當其任意點上管地電位較自然電位正向偏移大于或等于100 mV時，管道干擾程度為不可接受，應及時采取干擾防護措施。一般模型計算過程中都不考慮陰極保護系統，以管道上的正向偏移電壓是否大于100 mV作為臨界條件判定接地極入地電流是否造成管道腐蝕，是否需要防護措施[20]。土壤電阻率與土壤腐蝕性顯著相關，是影響埋地管道腐蝕、進行陰極保護設計時需要考慮的重要參數[21-22]，也是計算管道HVDC干擾時需要考慮的重要參數[11,16]。因此，以100 mV為管地電位正向偏移的限值，計算不同入地電流、不同土壤電阻率下的防護距離。圖8為不同入地電流下防護距離土壤電阻率變化曲線。

圖8 不同入地電流下防護距離隨土壤電阻率變化

Fig.8Theinfluenceofsoilresistanceandcurrentonsafetydistance

由圖8可知，防護距離隨著土壤電阻率增大呈現對數形式增長，不同入地電流下防護距離變化趨勢相同。當入地電流為5 000 A，土壤電阻率為100 Ω·m時，防護距離高達75 km，但目前土地資源日益緊張，所以不能單純依靠增大管道與接地極距離來減小干擾。

2.3 分段絕緣對HVDC干擾的影響

分段絕緣可以縮短管道在直流干擾區域的連續暴露長度，是抑制直流接地極對埋地金屬管道影響的有效措施。其原理是將管道分成電位基本接近的等勢體，從而減小進出管道的電流。模型中其余參數不變，入地電流5 000 A，分別在距離管道零坐標15、30 km處設置絕緣法蘭，增加絕緣法蘭前后管地電位的對比曲線，結果如圖9所示。

從圖9可知，管道進行分段絕緣后，兩個絕緣法蘭之間的管段管地電位下降，直流干擾得到一定程度緩解；而絕緣法蘭外側管段的管地電位反而小幅度上升，干擾加劇。原因是電流具有選擇低阻通道的特性，遠端管段吸收的電流傾向于從管道坐標零點處流出，在安裝絕緣法蘭后，從遠端經零點處流出的電流減少，干擾減小。圖10為不同緩解長度對管地電位的分布的影響。由圖10看出，15 km處絕緣法蘭兩端電位差為1.21 V，30 km處絕緣法蘭兩端電位差為1.04 V，絕緣法蘭距離接地極越遠，法蘭兩端的電位差越小。當入地電流足夠大、管道距離接地極足夠近時，絕緣法蘭兩端的電位差不僅會擊穿絕緣法蘭，還會加速絕緣法蘭附近管道的內腐蝕，甚至會造成人體觸電，因此需要采用絕緣法蘭跨接來減小法蘭兩端管地電位差。圖9、10計算結果可以看出，對于直流干擾區的管道來說，可以通過分段隔離措施將干擾區域限定在一定的管段范圍內進行防護，而對于隔離區域外管段干擾情況會增強。

圖9 分段絕緣對HVDC干擾的影響

Fig.9Theinfluenceonaveragedpotentialofinsulatingflange

圖10 不同緩解長度對管地電位分布的影響

Fig.10Theinfluenceonaveragedpotentialofdifferentzincribbonlength

2.4 緩解鋅帶對HVDC干擾的影響

模型中其余參數不變，以距離接地極最近處的管道坐標為零點，在零點對稱敷設1、5、10、15 km長的緩解鋅帶，結果如圖10所示。

由圖10可知，與未敷設緩解鋅帶的管道相比，敷設鋅帶處管段的直流干擾得到緩解，未敷設鋅帶處管段的管地電位幾乎不變。隨著鋅帶長度增大，坐標零點處的緩解效果下降，這是因為隨著長度增大，緩解鋅帶的接地電阻減小，鋅帶與管道并聯導致系統整體電阻減小，會引入更多的直流雜散電流。隨著鋅帶長度增大，緩解范圍不斷擴大，當鋅帶長度為1、5、10、15 km時，管地電位大幅度下降的范圍接近1、5、10、15 km，因此緩解范圍與緩解鋅帶長度相當。由此可見，緩解鋅帶保護范圍有限，未敷設鋅帶的管段得不到有效緩解。

2.5 分段絕緣+陰極保護+鋅帶對HVDC干擾的影響

基于分段絕緣與緩解鋅帶單獨防護的研究基礎上，在坐標零點兩側20 km處安裝絕緣法蘭來降低隔離區內管段的管地電位，為進一步減小隔離區內管地電位正向偏移，在管段附近敷設鋅帶。對于隔離區域外管段施加陰極保護措施，通電點設置在絕緣法蘭內側管地電位較高點，陰極保護電流密度為114 μA/m2，結果如圖11所示。

圖11 不同防護措施對管地電位的影響

Fig.11Theinfluenceonaveragedpotentialofdifferentprotectivemeasure

圖11給出了未加防護措施和綜合防護措施下的管地電位的變化曲線。從圖11中可知，此時隔離區域管段管地電位下降，干擾得到有效緩解，隔離區域外管段管地電位與無防護措施時相比也有所下降，整體緩解效果較好。分段絕緣與敷設鋅帶可以減小恒電位儀輸出電流，施加陰極保護系統可減小隔離區域外管段干擾，減小法蘭兩側電位差。因此，對于高壓直流干擾區域內的管道，在保證接地極與管道最大距離的情況下，可采取分段隔離+陰極保護+敷設緩解鋅帶的綜合防護措施緩解HVDC干擾。

3 結論

(1)防腐層均勻破損率越小，電流越集中，局部腐蝕風險越高；當破損率達到50%時，從保護電位的角度可認為防腐層已經失效；防腐層存在1 cm2局部破損時，流出防腐層的電流密度為51.106 A/m2，腐蝕速率高達60.0 mm/a。

(2)在0～30 km時，隨著距離的增大，管地電位和管地電流密度急劇減小。當距離大于30 km時，減小程度明顯減弱，應盡量增大接地極與埋地管道之間的距離；防護距離隨著入地電流、土壤電阻率增大而增大；給出不同入地電流、土壤電阻率下的防護距離值，可供管道和電力專業人員參考。

(3)分段絕緣緩解了隔離區域內管段的干擾，但隔離區域外的管道受到的干擾反而加劇。

(4)緩解鋅帶的保護范圍與緩解鋅帶長度相當，未敷設鋅帶的管段得不到有效緩解。

(5)應盡量增大接地極與管道的距離，并采取分段隔離+陰極保護+敷設緩解鋅帶的綜合防護措施來緩解HVDC干擾。

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Interference and Mitigation of HVDC Grounding Electrode on Buried Pipelines

Zhao Yalei1， Li Zili1， Fang Xiangpeng2， Yang Chao1， Cui Gan1

(1.ShandongProvincialKeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationSafety,QingdaoKeyLaboratoryofCircleSeaOil&GasStorageandTransportationTechnology,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),QingdaoShandong266580,China;2.QingdaoXinaoGasCo.Ltd,QingdaoShandong266580,China)

Due to the similarity of the routing between HVDC transmission lines and buried pipelines, the local pipelines inevitably enter the HVDC transmission interference zone. In order to study the law of interference and mitigation of HVDC grounding electrode on buried pipeline, boundary element software was used to calculate the effectiveness of various mitigation methods including anti-corrosion coating, the distance between the pipeline and the grounding electrode, insulating joints and zinc ribbon. The results indicated that the smaller the coating breakdown factor was, the more concentrated the interference current was , and the higher the local corrosion risk was. After installing the insulating joints, the strongest interfered section of pipe was alleviated, while the interference of the other section of pipe was aggravated. The protection range of the zinc ribbon was equivalent to the length of the zinc ribbon. Finally, the paper put forward the comprehensive protection measures which included insulating joints, cathodic protection and zinc ribbon.

Electrode; Pipeline; DC interference; Mitigation; Numerical simulation

2017-09-16

2017-09-29

趙雅蕾(1992-)，女，碩士研究生，從事油氣儲運系統安全工程技術研究；E-mail：zhaoyaleix@163.com。

李自力(1963-)，男，博士，教授，從事油氣儲運系統安全工程技術研究；E-mail：zilimenhuzu@163.com。

1006-396X(2017)06-0073-06

投稿網址：http://journal.lnpu.edu.cn

TG174

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.06.014

(編輯 王戩麗)