华东特高压直流接地极对输气管道电干扰的监测及分析

李 想1,滕卫明,肖剑锋3,劳旦鸣

(1. 浙江浙能技术研究院有限公司,杭州 310003； 2. 浙江浙能天然气运行有限公司，杭州 310003；3. 中石油西气东输管道公司 浙江管理处，杭州 310003)

随着我国高压/特高压输电线路及油气管网的大规模建设，高压/特高压输电线路与埋地油气管道临近或并行情况越来越多。当高压直流(HVDC)输电系统直流工作电流或不平衡电流通过接地极泄入大地时，会形成杂散电流，使附近土壤电位发生变化[1]。油气管道受高压直流输电系统杂散电流干扰(简称高压直流干扰)以及由此引发的管线腐蚀及安全问题日益突出[1-4]。虽然高压直流干扰的影响周期较短，但其影响范围却很大，影响程度极其剧烈。瞬间大电流可能会烧毁与管道相连的阴极保护电源设备，也可能造成操作人员的人身伤害。同时，高压直流干扰会导致管道快速腐蚀，其腐蚀速率往往是自然腐蚀的几十倍甚至上百倍。目前，国内电力和石油行业已经逐步意识到油气管道受到高压直流干扰问题的严重性[2]。

近期，华东地区进行了5次特高压直流输电线路不平衡电流试验，致使省天然气公司3台恒电位仪故障，西气东输浙江省内输气管道的阴保系统大部分数据异常。本工作对华东特高压直流接地极单级运行放电时管道的电位变化进行了监测，分析研究了接地极单级运行时对长输管道的影响范围，为以后油气管道建设及运行防护提供一定的借鉴。

1 干扰原因分析

1.1 管道阴保系统工作原理

在土壤电解质溶液中，金属表面由于电化学不均匀，形成腐蚀原电池。原电池的阳极区发生腐蚀，不断输出电子，阴极区发生阴极反应，析出氢气或接受正离子的沉积，但金属本身却不发生腐蚀[3]。因此，如果给金属通以一定的电流，使金属表面处于阴极状态，就可以抑制表面阳极区金属释放电子，从根本上防止腐蚀发生[4]，该方法即为强制电流阴极保护系统,见图1。按照阴极保护标准，管道的阴极保护电位应控制在-1 200～-850 mV(相对于铜/硫酸铜电极,CSE)，当电位高于-850 mV时管道将发生腐蚀，低于-1 200 mV将发生析氢反应。

图1 强制电流阴极保护系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of impressed current cathodic protection system

1.2 干扰电流的产生

高压直流输电线路一般为双极运行，在双极运行方式中，利用导线将其正负两个接地极和两端换流站的正负极相连，构成直流侧的回路。在地层中，正负两极的电流方向相反，电流大小为两极电流之差。在双极运行时，不平衡电流一般控制在额定电流的1%以内。

在故障或检修期间，往往采用单级运行，此时利用一根或两根导线将单极接地极和大地构成直流侧的单极回路。在该运行方式中，两端换流站均需接地，大地作为一根导线，通过接地极入地的电流即为直流输电工程的运行电流。单级运行可能会造成金属管道设施放电、烧蚀，气液联动执行机构误操作，阴极保护电源设备、电位传送器及等电位连接器被烧毁，甚至出现阀室爆炸、燃烧等严重事故。

尽管埋地管道都有防腐蚀层保护，但管道防腐蚀层在制造、运输、下沟、覆土等各环节不可能做到百分之百无漏点。当高压直流接地极阴极放电时，杂散电流在管道远端穿过防腐蚀层破损点流入管道，使近端管道阴极保护电位正向偏移(形成阳极干扰)，杂散电流在管道近端穿过防腐蚀层破损点流出管道，形成腐蚀区[5]，如图2(a)所示。现代埋地管道防腐蚀层的绝缘性好，进入管道的杂散电流可以长距离传输后，从防腐蚀层破损、剥落等缺陷处流出，局部腐蚀速率极大[6]。此外，如果过多的电流聚集，管道被阴极极化并超过了安全水平，会出现防腐蚀层的剥离损伤。高压直流接地极阳极放电时，杂散电流在管道靠近接地极端通过防腐蚀层破损点进入管道，管道阴极保护电位负向偏移(形成阴极干扰)，杂散电流在管道远离接地极端通过防腐蚀层破损点流出管道，形成腐蚀区,如图2(b)所示。

(a) 阴极放电

(b) 阳极放电图2 高压直流接地极阴极放电和阳极放电时入地电流对管道腐蚀的影响Fig. 2 Effects of cathode discharge (a) and anode discharge (b) of HVDC grounding electrode on pipeline corrosion

1.3 直流干扰的判定

根据SY/T 0017-2006《埋地钢制管道直流排流保护技术标准》的规定，当管道任意点的管地电位较自腐蚀电位正向偏移大于20 mV或管道附近土壤电位梯度大于0.5 mV/m时，确认为直流干扰,其干扰程度的判断指标见表1。

2 现场监测

2.1 浙江周边高压直流接地极分布

目前，浙江省省内特高压直流接地极有两处：一处在金华武义，与金丽温天然气管道最近距离为860 m；另一处在浙江临安，采用双地极并联的方式，测试期间还未投运。浙江省周边对输气管道有影响的特高压直流接地极有三处，具体见表2。浙江省及周边特高压直流接地极位置见图3。

表1 直流干扰程度的判断指标Tab. 1 Judgement index of DC interference degree

表2 浙江省省内及周边特高压直流输电线路分布情况Tab. 2 Distribution of UHVDC transmission lines in and around Zhejiang Province

图3 浙江省省内及周边特高压直流接地极与管线分布图Fig. 3 Distribution diagram of UHVDC grounding electrodes and pipelines in and around Zhejiang Province

2.2 试验概况

通过监测及调研，从2017年5月30日至6月3日，共进行了5次直流接地极不平衡试验。其中，6月1日，宾金(溪洛渡左岸-浙江金华)直流接地极电流不平衡试验，金华站极1功率为3 969 MW，极2功率为1 569 MW，接地极不平衡电流为3 000 A；6月3日，宾金直流开始极1额定功率试验，试验期间接地极不平衡电流为2 750～3 000 A。5月30日至6月2日，复奉线(向家坝-上海)和葛南线(葛洲坝-南桥)也进行了大功率不平衡试验。

测试期间，发现直流接地极入地电流造成衢州站、龙游站和奉化站恒电位仪故障，见表3。西气东输浙江省管道阴保系统几乎全线异常。

表3 恒电位仪故障统计Tab. 3 Fault statistics of potentiostats

2.3 监测数据

2.3.1 武义接地极干扰

由图4可见：6月1日13∶00至20∶00，武义接地极阳极放电7 h，监测到西二线上海支干线诸暨站29#FS测试桩处管道阴极保护电位负向偏移700 mV；6月3日08∶10至11∶30，武义接地极阳极放电200 min，诸暨站29#FS测试桩处管道阴极保护电位负向偏移4 500 mV。

2.3.2 奉贤接地极干扰

图4 诸暨站29#FS测试桩电位监测数据Fig. 4 Potential monitoring data at test pile 29#FS in Zhuji station

5月30日9∶50至17∶40，奉贤接地极阴极放电时，监测到嘉甪联络线嘉兴站附近29#FS、45#FS、46#FS、47#FS、48#FS测试桩处管道阴极保护电位均发生负向偏移，其中48#FS测试桩处负向偏移量最大，为-2.6 V；其余6个阀室处管道阴极保护电位均发生正向偏移，距嘉兴站最近测试桩处管道阴极保护电位正向偏移量最大为1.75 V，如图5所示，电位偏移量远大于标准规定的0.2 V，说明此处管道受到的干扰非常严重。

6月1日23∶30至次日10∶20，奉贤接地极阴极放电时， 45#FS、46#FS、47#FS、48#FS测试桩处管道阴极保护电位均发生正向偏移，其中48#FS处正向偏移量最大，为2.3 V；其余6个阀室处管道阴极保护电位均发生负向偏移，距嘉兴站最近测试桩处 管道阴极保护电位负向偏移量最大为1.05 V，如图5所示。

图5 距嘉兴站最近测试桩电位监测数据Fig. 5 Potential monitoring data at test pile closest to Jiaxing station

6月2日18∶40至次日00∶30，奉贤接地极阴极放电时，45#FS、46#FS、47#FS、48#FS测试桩处管道阴极保护电位均发生正向偏移，其中48#FS测试桩处正向偏移量最大，为2.4 V；其余6个阀室处管道阴极保护电位均发生负向偏移，距嘉兴站最近测试桩处管道阴极保护电位负向偏移量最大为0.85 V，距金山站最近测试桩处管道阴极保护电位正向最大偏移量为1.05 V，见图6。

图6 金山站最近测试桩电位监测数据Fig. 6 Potential monitoring data at test pile closest to Jinshan station

3 分析与讨论

3.1 接地极对埋地管道的影响距离

根据DL/T 5224-2005《高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定》第9章规定：如果接地极与地下金属管道、地下电缆、非电气化铁路的最小间距d小于10 km，或者地下金属管道、地下电缆、非电气化铁路等地下金属构件的长度大于d，应计算接地极电流对这些设施产生的不良影响。

武义接地极距离西二线诸暨站直线距离约为91.9 km，距离浙能龙游站直线距离约为61.7 km，距离浙能衢州站直线距离约为96 km；奉贤接地极距离西二线嘉兴站直线距离约为71 km。由此可见，在实际应用时直流接地极放电对管道的影响距离远超过10 km。

3.2 绝缘接头对高压直流干扰的有效性

西二线浙江站场与阀室之间没有设置绝缘接头，在本次试验时阴保系统几乎全线异常。浙能天然气管网在站场与阀室之间都设置了绝缘接头，高压直流干扰仅对接地极附近的站场恒电位仪造成了影响。由此可见,绝缘接头的设置对高压直流干扰具有很重要的意义。

3.3 排流保护措施的有效性

武义接地极距离浙能金丽温管道最近距离不足1 km，由于金丽温管道还在建设，因而本次高压直流试验对其附近管道的影响尚不知晓。就目前的情况来看，其无疑是一个重大安全隐患。目前，金丽温天然气管道已经敷设了排流带，但建议同时考虑增设干线绝缘接头，增加隔离段，配套增设线路阴极保护站，配套智能电位测试桩，并设置埋地试片，定期观测、分析腐蚀状况。

4 建议及应对措施

参考文献[7-10]针对高压直流输电系统对埋地金属管道的阴极保护的影响，提出以下建议和应对措施。

4.1 增强信息来源，与电网公司共建协调机制

建议省内管道公司与电网公司建立协调机制，提前获取特高压直流系统计划性非正常运行信息，并能及时获取特高压直流系统突发异常信息，以便各管道公司及时做好应对措施。同时，建立长久的沟通渠道，实现双方数据共享。

4.2 优化应急预案，配备专业检测队伍

由于本次试验的突发性，各天然气公司没有能够及时派技术人员在试验期间进行测试，使此次直流试验对管道的影响范围及深度无数据支撑。建议各天然气公司优化应急预案，建立专业检测队伍，在大直流故障或试验期间能够及时响应，搜集第一手资料。

4.3 摸清接地极分布情况，评估划分影响区域等级

通过本次试验发现，管道受影响的范围远超过预计，建议各天然气公司摸清浙江省及周边接地极、变电站的分布情况，并通过第三方机构对影响区域进行仿真、计算和评估，划分一级、二级等影响区域，并对重点影响区域采取铺设智能阴保测试装置等相应防护措施。

4.4 加强施工建设管理和重点影响区域的检测

由于管道防腐蚀层在基建和运行过程中必然会存在一些破损点，而杂散电流往往从管道防腐蚀层破损点流入流出管道，在管道破损点流出点发生较为严重的腐蚀，因而在管道下沟时，建议对重点影响区域的管道加强防腐蚀层检查，落土时应避免大石块等对管道防腐蚀层的损坏。覆土完成后，对管道进行高密度ECDA检测，若建有排流保护装置，应对排流保护效果进行评估。对于已建管道，由于大直流对管道本体造成的金属腐蚀的影响无法直观评估，建议加强重点区域管道的内检测。

5 结论

(1) 从本次华东特高压直流接地极单级运行放电结果来看，其对管道的影响范围远超DL/T 5224-2005规范的要求，必要时在设计阶段通过模拟仿真计算其影响范围。

(2) 绝缘接头用于直流杂散电流干扰防护具有良好的防护效果，建议在管道建设期在合适的位置加装绝缘接头。

(3) 目前针对直流接地极干扰主要采用被动防护为主，加强信息渠道获取和强化公司管理，在管道运行期的防护具有重要意义。