張朝暉

中原油田分公司油氣儲運中心

近年來，廣東地區(qū)新建投運了一批直流超高壓輸電線路，在單極運行時將大地作為回路介質(zhì)，對輸氣管道陰極保護系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的影響。程明等人通過分析得出，貴廣二回500kV高壓直流輸電系統(tǒng)、800kV云廣特高壓直流輸電工程共用的魚龍嶺接地極的入地電流對西氣東輸二線埋地鋼質(zhì)管道產(chǎn)生影響，預(yù)測管道防腐層發(fā)生陰極剝離及管體重大腐蝕的可能性較低，管道陰極保護電位偏移較大，導(dǎo)致陰極保護電源設(shè)備運行異常[1]。接地極單極運行時，輸氣管道受到強干擾，只能將恒電位儀關(guān)機，待輸電線路正常運行后再投運。

1 基本情況

1.1某輸氣管道防腐概況

管道全長466.66km，管徑916mm，采用3PE防腐層+強電流陰極保護措施，沿線設(shè)線路陰極保護站8個，其中在鰲頭站、廣州站、三水站、石角閥室等處設(shè)置了線路絕緣，清遠分輸閥室、潼湖閥室設(shè)置了干線與支線間的絕緣（見圖1）。站場內(nèi)區(qū)域陰保均采用強電流保護。

1.2直流輸電系統(tǒng)接地極概況

廣東地區(qū)在役直流輸電線路共7條，接地極共5個。距廣東天然氣管網(wǎng)輸氣管道較近、影響較大的有如下三個，其與管網(wǎng)的位置如圖1。

翁源接地極。牛從±500kV直流輸電，總?cè)萘繂位?20萬千瓦，雙回共計640萬千瓦，故障狀態(tài)下最大入地電流6400A。

魚龍嶺接地極。是云廣±800kV和貴廣II回±500kV直流輸電線路增城穗東換流站和深圳寶安換流站共用接地極，故障狀態(tài)下最大入地電流3425A。

大塘接地極。故障狀態(tài)下最大入地電流1800A。

 

圖1 高壓直流輸電接地極與廣東管網(wǎng)管道相對位置圖

  2 干擾影響及特征

  2.1接地極干擾對輸氣管道及設(shè)備的影響

  在管道運行中，多次發(fā)生鰲-廣線管道、從化分輸站站內(nèi)管道及設(shè)備陰極保護恒電位儀在未開機情況下被燒毀的情況（圖2）；鰲頭站、廣州分輸站等四座輸氣站場的進出站管道絕緣接頭兩端的5個等電位連接器也受到強電流的干擾被燒毀（圖3）；從化分輸站、三水分輸站的越站閥及線路截斷閥的引壓管絕緣接頭被燒毀（圖4）；同時也發(fā)現(xiàn)BV閥個別引壓管之間有電弧灼燒痕跡，甚至在BV閥和埋地鋼質(zhì)護管套管之間也存在打火、金屬附屬設(shè)施被電弧熔接到一起的情況（圖5）。據(jù)分析，發(fā)生恒電位儀燒毀的原因，是大地內(nèi)流入電流超過恒電位儀元器件額定參數(shù)，使元器件產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。發(fā)生打火、熔接現(xiàn)象，是接地極放電時，輸氣管道的電位升高（或者降低），由于絕緣接頭的存在，絕緣接頭兩端管道或者管道與本地設(shè)備之間形成高的電壓差，在兩者距離接近的情況下產(chǎn)生電弧。

   

圖2 恒電位儀被燒毀      圖3 等電位連接器被燒毀

   

圖4  BV閥引壓管絕緣接頭被燒毀      圖5  BV閥與信號線套管之間放電熔接

  2.2 干擾源分析

直流輸電系統(tǒng)可以采用雙極和單極兩種運行方式。在雙極運行方式中, 利用正負兩極導(dǎo)線和兩端換流站的正負極相連, 構(gòu)成直流側(cè)的閉環(huán)回路。在雙極對稱運行時，接地極入地電流在額定電流的1%以內(nèi)；當(dāng)雙極不對稱運行時, 流過接地極的電流為兩級運行電流之差。在單極大地返回運行方式中, 流過接地極的電流即為直流輸電運行電流。以魚龍嶺接地極為例，其入地電流見表1。

從上表看出，接地極運行時的入地電流很強。

2.3干擾特征

以下為部分站場和閥室在魚龍嶺接地極陰極運行電流為145A～3002A時的監(jiān)測記錄（圖6—圖11）。

      

圖6 鰲頭去清遠方向出站電位         圖7 鰲頭去從化方向出站電位

    

圖8 從化站站內(nèi)外電位          圖9 廣州站進站處站內(nèi)外電位

  

圖10 清遠分輸閥室支干線絕緣接頭處電位         圖11 三水站上下游電位

 

 

 

圖14 魚龍嶺接地極放電2400A時各站（閥室）電位情況圖

可以看出，魚龍嶺接地極單極運行3000A時，鰲頭首站出站往清遠方向至石角閥室，鰲頭首站出站往從化方向至廣州站段管道的站場及閥室受到干擾影響較大。其中，鰲頭往清遠方向管道電位偏移最大，達到+49V。對其他段管道和閥室影響較小，但在石角閥室絕緣接頭處下游、三水站絕緣接頭上下游位置電位有一定的偏移。

為綜合確定干擾程度，分別對站場絕緣接頭跨接處的電流進行檢測，表3為魚龍嶺接地極陰極放電3000A時的檢測結(jié)果。

 

圖15 魚龍嶺接地極干擾影響范圍示意圖（紅色為干擾嚴(yán)重區(qū)）

綜合以上測試結(jié)果，魚龍嶺接地極對廣東管網(wǎng)管道干擾主要有以下幾個方面（圖15、16）：

（1）魚龍嶺接地極放電時，受干擾最嚴(yán)重的管段為鰲頭首站至石角閥室段管道和鰲頭首站至廣州站段管道。

（2）魚龍嶺接地極放電對石角閥室下游至三水站至永安閥室段管道和廣州站至朱村閥室段管道的影響，主要表現(xiàn)在：使得石角閥室干線絕緣接頭、三水站干線絕緣接頭和廣州出站絕緣接頭兩端的電壓差增大，電流流入和流出的位置主要在絕緣接頭處。

（3）魚龍嶺接地極陰極運行正極放電時，靠近接地極位置的管道流出電流，管道電位向正方向偏移；遠離接地極位置管道流入電流，管道電位往負方向偏移。隨著接地極流出電流增加，靠近接地極位置管道正向偏移增大，遠離接地極位置管道負向偏移增大，同時各站場絕緣接頭兩端的電壓差也增大。

 

圖16 魚龍嶺接地極陰極放電時干擾嚴(yán)重管段電流流入流出分界點示意圖

（4）陰極放電時，受干擾嚴(yán)重兩個管段的電流流入和流出的分界點分別為離清城閥室3-4km公里處和離鰲頭站15-16km處。圖中黑色線代表的管道為電流流入管段，紅色線代表的管道為電流流出管段。

（5）站場接地與管道跨接斷開實驗表明，管道與接地網(wǎng)直接連接時，部分從防腐層流入和流出的電流會轉(zhuǎn)移到接地網(wǎng)上，通過接地網(wǎng)流入和流出，能降低管道的電位和絕緣接頭的電壓差，但是仍有大量的電流通過防腐層流入和流出。由于接地網(wǎng)接地電阻較小，整體流出的電流增加，造成遠端吸收的電流也增加，使得管道電位負向偏移量增加。

（6）魚龍嶺接地極放電電流在2400A以內(nèi)時，對石角閥室下游至永安閥室段管道和廣州出站至朱村閥室段管道的影響不大。

總體上來看，直流輸電系統(tǒng)接地極運行時的影響范圍大，干擾可達到50公里以上，有的甚至可達上百公里，跟接地極周圍的土壤電阻率和各地層電阻率都有很大關(guān)系，在土壤電阻率大，接地極接地電阻比較大的時候，影響距離會更遠。也與輸氣管道絕緣接頭的設(shè)置有一定關(guān)系，在管道絕緣接頭之間距離短時，范圍會減小。在干擾強度較大的情況下，輸氣管道電位偏移劇烈，且隨接地極入地電流大小變化而變化。同時，干擾方向隨接地極入地電流極性變化而變化。

3  應(yīng)對措施及效果

3.1研制并應(yīng)用強干擾保護器

針對強干擾燒毀恒電位儀的問題，研制了恒電位儀強干擾保護器，通過切斷恒電位儀與管道等外部的電氣聯(lián)系，達到保護恒電位儀的目的。該設(shè)備在恒電位儀運行過程中能及時檢測到陰極輸出/輸入電流、陰極和陽極之間電壓以及參比電極和零位之間的電壓，能及時直觀的判斷外界干擾強度的大小；強直流干擾時，切斷恒電位儀與被保護設(shè)備的電氣連接，保護了恒電位儀不被損壞。操作人員通過觀測干擾電壓來判斷外界干擾是否消除，從而能夠及時恢復(fù)啟用恒電位儀，提高了陰極保護系統(tǒng)運行效率。

經(jīng)現(xiàn)場使用，該設(shè)備在干擾產(chǎn)生時能自動報警并切斷電源，有效保護了恒電位儀，降低了工人的勞動強度，提高了恒電位儀的運行時間和輸氣管道的陰極保護運行率。

在發(fā)現(xiàn)越站BV閥引壓管絕緣接頭和等電位連接器被燒毀后，為防止發(fā)生安全事故，當(dāng)時采取了將閥體接地的臨時措施，以防止引壓管兩端產(chǎn)生電壓。同時將出入站絕緣接頭的等電位連接器短接，使干擾電流直接導(dǎo)入站內(nèi)地網(wǎng)。

3.2應(yīng)用去耦合器替代等電位連接器

為保證輸氣管道安全運行，保護絕緣接頭不被電壓差擊穿燒毀，防止出現(xiàn)絕緣接頭兩端的高電壓差對操作人員可能造成的危險，根據(jù)前期研究確定的管道電位偏移量、電流流入流出分界點等數(shù)據(jù)綜合分析，采用去耦合器作為絕緣接頭的等電位連接。使用后對恒電位儀的日常運行沒有影響。在直流輸電系統(tǒng)接地極放電時，站場未出現(xiàn)大的干擾，說明去耦合器已經(jīng)導(dǎo)通，起到了等電位的作用。放電后，檢查去耦合器，外觀完好，功能正常。

4  結(jié)論與建議

研究結(jié)果表明，直流輸電系統(tǒng)接地極單極放電時，干擾可達到50公里以上，有的甚至可達上百公里（視接地極周邊土壤及地層情況而定）。鰲頭首站出站往清遠方向至石角閥室和鰲頭首站出站往從化方向至廣州站段管道的站場及閥室受到干擾影響較大。同時，在干擾強度較大的情況下，管道電位偏移劇烈，且隨接地極入地電流大小變化而變化。干擾方向隨接地極入地電流極性變化而變化。應(yīng)用強電流干擾保護器、去耦合器等措施，能有效消除接地極放電時輸氣管道恒電位儀燒毀、BV閥絕緣接頭打火、設(shè)備間熔接等安全問題和隱患。

但以上措施只是解決了安全問題。在強電流干擾時，管道的其他部位還是有較高的對地電位，管道受到正向干擾的部分是被強制腐蝕的，因此仍需采取下列措施：

（1）擴大去耦合器的使用范圍。為防止其他站場和閥室發(fā)生類似事故，建議將受干擾比較嚴(yán)重的閥室站場的等電位連接器全部更換為去耦合器。

（2）為防止干線陰保電流的流失，建議所有閥室的儀表均通過去耦合器接地。

（3）制定更加嚴(yán)格的排流措施，比如沿管道鋪設(shè)更長的鋅帶，從而對管道形成屏蔽，保證接地極放電時，管道各處依然受到陰極保護。

（4）研制能雙向輸出的恒電位儀，并能輸出更大電流，在干擾發(fā)生時進行強力抑制。

（5）采取分段隔離的方法，在設(shè)計前做好充分的調(diào)查，設(shè)計時縮短干線陰保距離，可以有效降低干擾強度，為治理打下較好的基礎(chǔ)。 

參考文獻：

[1]程明，張平.魚龍嶺接地極入地電流對西氣東輸二線埋地鋼質(zhì)管道的影響分析[J].天然氣與石油,2010,28(5):22-26. 

作者：張朝暉（1965.11），男，工程師，畢業(yè)于石油大學(xué)（華東），現(xiàn)主要從事天然氣輸氣管道陰極保護管理。 

《管道保護》2016年第6期（總第31期）