譚春波 許明忠 向敏 夏祝福

廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司

摘要：研究了魚龍嶺接地極單極大地回路運(yùn)行時(shí)不同大小的入地電流對(duì)廣東省天然氣管網(wǎng)天然氣管道的影響。通過分析，總結(jié)了接地極的入地電流對(duì)管道的影響規(guī)律，入地電流大小與管道電位的關(guān)系，以及入地電流對(duì)管道極化電位的影響大小。初步測(cè)試了采用站場(chǎng)、閥室接地網(wǎng)作為干擾緩解措施的防護(hù)效果。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電線路；雜散電流；天然氣管道；接地極；管道電位

接地極是直流輸電工程中的重要設(shè)施，它在單極大地回路和雙極運(yùn)行方式中分別擔(dān)負(fù)著導(dǎo)引入地電流和不平衡電流的重任[1,2]。直流輸電線路采用單極大地回路電流運(yùn)行方式時(shí)，電流通過接地極泄入大地，使附近土壤產(chǎn)生電壓差，這一電壓差會(huì)在埋地金屬構(gòu)件中產(chǎn)生電流，從而導(dǎo)致地下金屬構(gòu)件產(chǎn)生腐蝕，對(duì)于距接地極較近且長(zhǎng)度較長(zhǎng)的金屬構(gòu)件，產(chǎn)生的腐蝕影響更為明顯[3]。

筆者研究了魚龍嶺接地單極大地回路電流運(yùn)行方式下，接地極泄放電流至大地時(shí)，對(duì)廣東管網(wǎng)影響的規(guī)律，入地電流大小與管道電位的關(guān)系，站場(chǎng)、閥室接地網(wǎng)與管道跨接對(duì)干擾的緩解效果，入地電流對(duì)管道極化電位的影響等。

1 管道和接地極簡(jiǎn)介

1.1 管道簡(jiǎn)介

廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司天然氣管道一期工程包含廣惠干線、鰲廣干線、廣肇干線、東莞支干線、清遠(yuǎn)支干線、韶關(guān)支干線。全線采用3PE防腐層和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方式，共設(shè)置了6座線路陰極保護(hù)系統(tǒng)， 10個(gè)絕緣接頭。

1.2 接地極簡(jiǎn)介

魚龍嶺接地極為云廣±800 kV、貴廣II回±500 kV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[4]。云廣±800 kV故障狀態(tài)下最大入地電流3 125 A；貴廣II回±500 kV故障狀態(tài)下最大入地電流3 000 A。魚龍嶺接地極位于清遠(yuǎn)市飛來峽區(qū)江口鎮(zhèn)魚龍嶺，采用同心雙圓環(huán)水平鋪設(shè)布置，內(nèi)外環(huán)直徑分別為700 m和940 m，其形貌見圖1。

圖 1  魚龍嶺接地極位置地貌

1.3 管道和接地極相對(duì)位置關(guān)系

魚龍嶺接地極中心距廣東管網(wǎng)天然氣管道的垂直距離為2.8 km，距鰲頭首站的直線距離為10.1 km，距清城閥室的直線距離為9.9 km。接地極外圍圓環(huán)距管道的最近垂直距離為2.3 km，見圖2、圖3。

圖 2 魚龍嶺接地極與管道相對(duì)距離示意

圖 3 魚龍嶺接地極與廣東管網(wǎng)管道相對(duì)位置示意（方塊為絕緣接頭）

2 接地極單極大地回路運(yùn)行對(duì)管道的影響

在單極大地回路電流運(yùn)行方式中，利用一根或兩根導(dǎo)線和大地構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，見圖4。在該運(yùn)行方式中，兩端換流站均需接地，大地作為一根導(dǎo)線，通過接地極入地的電流即為直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行電流。

圖 4 高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地回路運(yùn)行電路

2.1 接地極單極大地回路運(yùn)行對(duì)管道不同位置的影響

在魚龍嶺接地極故障陰極放電時(shí)，測(cè)試了廣東管網(wǎng)一期管道不同位置的管道通電電位（表 1）。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，接地極運(yùn)行極性為陰極時(shí)，在同一絕緣管段內(nèi)的管道，靠近接地極位置管道流出雜散電流，管道電位往正方向偏移，形成管道的陽極區(qū)，管道存在雜散電流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)[4]；遠(yuǎn)離接地極位置雜散電流流入管道，管道電位往負(fù)方向偏移，形成管道的陰極區(qū)，管道存在陰極剝離和氫脆的風(fēng)險(xiǎn)，雜散電流的流動(dòng)方向見圖5。管道中最正最負(fù)的電位值出現(xiàn)在離接地極最近的位置和同一絕緣管段內(nèi)離接地極最遠(yuǎn)位置。

圖 5  接地極陰極運(yùn)行時(shí)管道電流流向示意

測(cè)試結(jié)果顯示，在受干擾情況下，絕緣接頭的一側(cè)管道電位往負(fù)方向偏移，另外一側(cè)管道電位往正方向偏移，兩側(cè)管道的電位極性相反，說明兩側(cè)分別形成了雜散電流流入流出點(diǎn)，見圖6。因此在受到雜散電流干擾情況下，絕緣接頭位置是一個(gè)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

圖 6 石角閥室絕緣接頭兩側(cè)電位測(cè)試結(jié)果

2.2 接地極入地電流大小和管道干擾電位的關(guān)系

分別測(cè)試了接地極單極大地回路電流陰極運(yùn)行1 000、1 200、1 350、1 800、2 100、2 250和3 000 A電流時(shí)，鰲頭至清城閥室4#樁位置的管道電位變化，見圖7。結(jié)果可以看出管道電位和接地極入地電流成正比。

圖 7  管道電位與接地極運(yùn)行電流關(guān)系

2.3 土壤電阻率對(duì)接地極入地電流干擾的影響

計(jì)算了3種土壤模型下管道所受干擾情況（表 2）。

據(jù)此得到不同土壤結(jié)構(gòu)下管道電位分布如圖8所示。對(duì)比土壤結(jié)構(gòu)2和3，上層電阻率小、下層電阻率大的土壤結(jié)構(gòu)（土壤模型2）不利于電流散入深層土壤，從而導(dǎo)致管道所受干擾增強(qiáng)。可見，土壤電阻率對(duì)管道所受干擾影響很大，上層電阻率低的土壤結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較高的干擾水平。

圖 8 土壤電阻率對(duì)管道電位的影響

2.4 接地極單極大地回路電流運(yùn)行對(duì)管道極化電位的影響

接地極單極大地回路電流運(yùn)行時(shí)，采用極化試片測(cè)試管道在雜散電流干擾下管道的極化電位。分別測(cè)試了四個(gè)位置：①鰲頭站往清遠(yuǎn)方向絕緣接頭外側(cè)管道；②從化站絕緣接頭外側(cè)管道；③廣州站進(jìn)站絕緣接頭外側(cè)管道；④鰲頭至清城閥室4#樁。

結(jié)果顯示（圖 9），在接地極單極大地回路電流運(yùn)行時(shí)，雜散電流流出的位置①、②、④，管道的極化電位正向偏移到1 V左右，遠(yuǎn)正于陰極保護(hù)的﹣0.85 V準(zhǔn)則要求，存在重大的雜散電流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；在電流流入的位置③，極化電位負(fù)向偏移至－1.7 V，遠(yuǎn)負(fù)于陰極保護(hù)的－1.2 V準(zhǔn)則要求，處于過保護(hù)狀態(tài)，存在重大的陰極剝離和氫脆風(fēng)險(xiǎn)。

圖 9 接地極單極大地回路電流運(yùn)行時(shí)管道極化電位測(cè)試結(jié)果

3 采用站場(chǎng)接地網(wǎng)與管道電連接的緩解效果

由于接地極單極大地回路電流運(yùn)行時(shí)，造成進(jìn)出站位置絕緣接頭兩端電位差增大，因此在測(cè)試過程中，采用固態(tài)去耦合器將絕緣接頭的外側(cè)管道與站內(nèi)接地網(wǎng)進(jìn)行跨接，固態(tài)去耦合器的直流隔斷閥值為±2 V，當(dāng)絕緣接頭兩端的電壓差大于2 V時(shí)，固態(tài)去耦合器導(dǎo)通，站外管道與站內(nèi)接地網(wǎng)形成了電連接。

在接地極單極大地回路電流運(yùn)行1 000 A時(shí)，通過斷開鰲頭去清遠(yuǎn)方向固態(tài)去耦合器，測(cè)試斷開前后管道電位變化情況。

鰲頭去清遠(yuǎn)方向跨接斷開后，站外管道電位從16 V偏移到25 V，4#測(cè)試樁管道電位從46 V偏移到53 V，清城閥室電位從－0.4 V偏移到－0.2 V，表明此段管道表面流出的電流增加；同時(shí)源潭閥室、清遠(yuǎn)閥室、石角閥室上游電位負(fù)向偏移量減小，表明此段管道表面吸收的電流減小。測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)鰲頭去清遠(yuǎn)方向跨接時(shí)，原來從管道表面流出的雜散電流，部分通過站內(nèi)接地網(wǎng)流出，使得管道的電位正向偏移量減小，對(duì)跨接位置的干擾有緩解作用。同時(shí)由于接地網(wǎng)與管道跨接后，雜散電流流經(jīng)的回路電阻降低，靠近接地極段整體流出的雜散電流增加，造成遠(yuǎn)端管道吸收的電流也增加，使得吸收電流管道的電位負(fù)向偏移量增加，增大了陰極剝離和氫脆的風(fēng)險(xiǎn)。

4 接地極單極大地回路電流運(yùn)行時(shí)管道存在的風(fēng)險(xiǎn)

（1）接地極單極大地回路電流運(yùn)行3 000 A時(shí)，管道最正電位達(dá)到140.5 V，最負(fù)電位達(dá)到－12.5 V，管道的最正電位遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人體安全電壓35 V，管道操作人員存在觸電的危險(xiǎn)。

（2）接地極單獨(dú)大地回路電流運(yùn)行時(shí)，管道上存在高電壓，管道上附屬設(shè)施和設(shè)備存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)，陰極保護(hù)系統(tǒng)的恒電位儀均無法工作，無法對(duì)管道進(jìn)行有效的陰極保護(hù)。

（3）接地極單極大地回路電流運(yùn)行時(shí)，在電流流出的位置存在重大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；在電流流入的位置存在重大的陰極剝離和氫脆風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

（1）接地極單極大地回路運(yùn)行的影響范圍很廣，運(yùn)行電流為3 000 A時(shí)，管道最正電位能達(dá)到140.5 V。管道中最正最負(fù)的電位值出現(xiàn)在離接地極最近的位置和同一絕緣管段內(nèi)離接地極最遠(yuǎn)位置。

（2）管道受干擾電位與接地極入地電流成正比。

（3）在受干擾的管道中增加絕緣接頭，能降低絕緣接頭下游管道受雜散電流的干擾程度，但絕緣接頭兩側(cè)管道的電位的極性相反，且壓差較大，是腐蝕及安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

（4）管道與站場(chǎng)或閥室的接地網(wǎng)進(jìn)行電連接，能降低跨接位置管道的電位，使得跨接位置管道表面流入流出的電流減小，降低跨接位置管道的腐蝕和氫脆的風(fēng)險(xiǎn)，但是雜散電流通過接地網(wǎng)流入流出，使得管道整體流入流出的電流增加，增大遠(yuǎn)端管道腐蝕和氫脆的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）接地極單極大地回路電流運(yùn)行，造成管道電位值升高，給管道操作人員帶來觸電的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)會(huì)造成管道上設(shè)施或設(shè)備發(fā)生損壞，使得管道在電流流出的位存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；管道電流流入的位置存在陰極剝離和氫脆的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

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作者：譚春波，男，1982年生，工程師，現(xiàn)在主要從事輸氣生產(chǎn)與管道保護(hù)管理方向的研究工作。

《管道保護(hù)》2018年第2期（總第39期）