胶东接地极对某管道干扰检测及模拟分析研究

王 朋

（山东莱克工程设计有限公司，山东 东营 257026）

0 引言

伴随我国高压直流输电系统和长输油气管道的大规模建设，直流输电线路及其接地极对临近长输管道的直流杂散电流干扰问题日益突出[1-6]。直流输电线路接地极在不同运行工况下的入地电流，对管道均可能造成不同程度的电磁干扰影响[7-12]。本文结合±660KV银川-胶东直流输电线路胶东接地极在单极大地模式下对临近LNG管道直流干扰影响的现场检测评估，并利用CDEGS软件对直流接地极对管道的干扰影响进行仿真模拟计算，评估直流干扰影响的范围和程度，提出缓解治理和腐蚀监测方案。

1 直流接地极对埋地管道的电磁影响机理

高压直流输电正常采用双极对称方式运行，当一极停运或发生故障时，则采用单极金属回路或单极大地回路方式运行[13]。单极大地回路作为从双极改变为单极金属回路的过渡运行方式，入地电流极大，对临近管道的直流干扰影响较大[14]。

直流接地极在阳极模式下，电流会在靠近接地极的管道位置流入管道，在远离接地极的管道处流出；接地极在阴极模式下，入地电流在管道上的流入、流出的方向与作为阳极运行时相反。电流流入部位是阴极区，流出部位是阳极区[15]。接地极入地电流对附近埋地油气管道的影响如图1所示。

在直流电流流出的阳极区，破损点处管道金属和土壤接触面发生腐蚀反应，流出的电流强度越大，持续时间越长，管道腐蚀越严重。

在直流电流的流入的阴极区，氢氧根离子的产生增大金属表面的PH值，同时也将导致防腐层从金属表面的缺陷处剥离。在氢气产生之前先生成氢原子，如果氢原子溶解在钢里，会使高强度钢发生氢脆。当直流接地极电流使得管地之间的电位差更负时，会加速管道发生氢脆和防腐层剥离的风险[16]。

2 直流干扰影响现场检测数据及分析

2.1 直流干扰影响的评估标准

针对直流接地极对邻近埋地油气管道电磁影响的限值主要采用GB 50991-2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》和DL/T5224-2014《高压直流输电大地返回系统设计技术规范》。其中：

标准GB 50991《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》规定：没有实施阴极保护的管道，宜采用管地电位相对于自然电位的偏移值进行判断。当任意点上的管地电位相对于自然电位正向或负向偏移超过20mV时，应确认存在直流干扰；当任意点上的管地电位相对于自然电位正向偏移大于或等于100mV时，应及时采取干扰防护措施[17]。

对已投运阴极保护的管道，当干扰导致管道不满足最小保护电位要求时，应及时采取干扰防护措施。

标准DL/T 5224-2014《高压直流大地返回系统设计技术规程》规定：对非绝缘的地下金属管道、铠装电缆，在等效入地电流下，如果泄漏电流密度大于1μA/cm2或者累积腐蚀量（厚度）影响到其安全运行，应采取保护措施[18]。

对用水泥或沥青包裹绝缘的地下金属管道，在等效入地电流下，如管道对其周边土壤（相对于Cu-CuSO4参比电极，消除IR降）的电压超出-1.5～-0.85V 范围，应采取保护措施。

针对带有绝缘防腐层的管道，两个规范中均以控制管地电位为评估准则，GB 50991要求管道电位正向偏移应满足保护电位的要求，但对于负向偏移未提出明确要求，DL/T 5224中规定了管地电位的偏移范围。

2.2 直流干扰现场数据及分析

2.2.1 现场检测方法

针对管道直流干扰的长周期监测采用在监测点设置UDL2数据记录仪+1cm2试片的方式；短周期普测采用万用表+参比电极的形式。管道电位检测方法按照GB/T 21246-2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》的要求执行[19]。

2.2.2 现场检测数据及分析

2.2.2.1 全线普测数据

2019年11月15日针对LNG管道进行首站—208#测试桩进行管道管地电位的检测，LNG管道普测的管地电位曲线如图2所示。

根据现场普测电位数据，LNG管道的阴保电位偏移可划分为4段，其中：首站—37#桩正向偏移，8#桩最正5.58V；38#桩～48#桩电位偏移不明显；49#～128#桩负向偏移，89#桩最负：-5.29V；129#～208#桩电位正向偏移，但偏移不明显。

2.2.2.2 长周期电位监测数据

为科学准确的评估接地极对LNG管道的直流干扰影响，在管道沿线共设置8处长周期数据记录仪对管道的干扰电位进行监测，具体的监测位置如表1所示。

表1 管道沿线监测点信息统计表

在测试周期内，分别统计管道沿线监测点的通/断电电位的最大、最小和平均值，LNG管道通电、断电电位统计数据如表2所示。

表2 管道直流电位及电流信息统计表

2.2.2.3 直流干扰影响数据分析

（1）直流干扰的时间规律

管道沿线监测点位置直流电位的波动，不论是正向还是负向，均在2019年11月16日24:00管道电位回归正常，电位偏移结束的时间与±660KV宁夏银川-山东胶东直流输电线路单极大地回路模式结束的运行时间一致，如图3所示，可基本判断该接地极是LNG管道直流干扰影响的主要干扰源；

（2）干扰影响的范围和程度

通过现场普测的管道电位数据分析，直流接地极在单极大地回路运行额定电流入地的情况下，对LNG管道全线均有一定的干扰影响，距离接地极较远的管道两端位置，管道电位正向偏移。管道电位正向偏移的幅值均超出标准规定限值。距离接地极较近的位置，管道电位负向偏移，电位负向偏移幅值超出DL/T 5224中-1.5V的限值要求。

通过长周期检测数据分析发现，1#阀室断电电位不能完全满足最小保护电位≤-0.85V要求，如图4所示；3#阀室则出现断电电位负于-1.20V的情况，如图5所示；

（3）管道全线直流电位偏移规律

根据现场普测电位数据，LNG管道的阴保电位偏移距离接地极较远的管道两端位置，管道电位正向偏移，为阳极区。主要集中在两端的首站—37#测试桩和末端。距离接地极较近的位置，管道电位负向偏移，为阴极区，主要集中在49#桩～128#桩。阳极区和阴极区中间有两端管道的电位偏移不明显。

3 接地极对管道的电磁影响模拟计算

3.1 计算参数

3.1.1 接地极参数

根据国家电网山东特高压管理处反馈的直流输电线路运行信息，本次放电的高压直流输电线路为±660KV宁夏银川—山东胶东直流输电线路，输电线路运行模式为单极—大地回路模式，胶东侧接地极作为阳极运行。入地电流为额定电流3030A，持续时间为2019年11月11日～2019年11月16日24:00时，共计5天。

接地极采用同心两圆环形布置，内环半径210m，外环半径300m，极环总长3200m，埋深3m。馈电棒材料为圆钢，周围活性填充物为石油焦炭碎屑。

接地极位置土壤电阻率：上部粉质粘土电阻率为11.8～36.8Ω·m，中层中粗砂土电阻为20～35Ω·m，下伏基岩土土壤电阻率为40～165Ω·m。

3.1.2 管道参数

本段天然气管道起点为1#站、终点为5#站，线路长度203km，管道外防腐层采用3PE防腐，强制电流法阴极保护，在2#站、4#站和5#站分别设置强制电流阴保站。±660KV宁夏银川—山东胶东直流输电线路胶东环流站侧接地极位于潍坊市峡山水库南侧，距离LNG管道支线距离33.5km。LNG管道的相关信息如表3所示。

表3 LNG管道信息表

3.2 电磁影响计算结果及分析

（1）电磁影响计算结果及分析

直流接地极入地电流在周围产生的地电位升，使得管道金属与附近土壤之间存在一个电位差，该电位差是反映对管道和操作人员危险影响的主要参数。基于±660kV银川-胶东直流输电线路胶东换流站接地极与LNG管道的相关参数，图6和图7分别给出了胶东环流站接地极在流过额定电流时，LNG管道的对地电压沿线分布曲线；

（2）电磁影响计算结果

从计算结果可以看出：由于胶东环流站接地极深层土壤电阻率较浅层土壤电阻率高，胶东换流站接地极流过额定入地电流时，管道距接地极最近处管道和管道远端上的对地电压最高，最大值分别约为3.3V（1#站）、-6.79V（95#桩）和5.66V（5#站）。模拟计算的结果的分布曲线与现场检测的数据分布具有一定的相似性，偏移幅值位置与现场检测结果基本一致，由于管道极化效应等因素影响，管地电位的幅值与现场检测结果存在一定差异。

4 电磁干扰缓解及腐蚀监测方案

结合现场检测情况，针对直流接地极对LNG管道的直流杂散电流的干扰影响，应首先通过调整现有阴极保护输出和分段绝缘措施来抑制其干扰影响，然后考虑在干扰严重的区域通过增设牺牲阳极的方式进行缓解治理，同时对于腐蚀敏感区考虑采取必要的腐蚀监测措施。

4.1 阴极保护系统改造

针对LNG线路阴极保护的改造，建议依托2#站、3#站进行分段绝缘；将站场进出干线的跨接电缆断开；同时在2#站、3#站分别增设2路输出的恒电位仪，恒电位仪、极化探头应具备一定抗干扰能力，在直流干扰较为严重的情况下可恒流输出。

4.2 排流治理措施

在分段绝缘和增设阴极保护的基础上，针对线路管道杂散电流存在流出的管段（1#站～37#测试桩及）应加强管道防腐层的漏点检验，发现防腐层漏点应进行修复。对于电位持续正向偏移的位置应合理补充牺牲阳极进行缓解治理。

4.3 现场腐蚀监测

针对现场检测过程中试片腐蚀严重、电位波动较大以及一些特殊的环境敏感点，建议在加强日常管道电位、防腐层漏点检测的同时，设置一定的腐蚀失重试片，定期进行腐蚀速率的监测，确保管道本体的腐蚀速率安全可控。

5 结语

通过开展相关的杂散电流干扰现场检测和模拟计算工作，明确了±660KV银川-胶东侧直流接地极作为直流干扰源对LNG管道的干扰影响范围、影响程度以及电位偏移等规律，验证了仿真模拟计算结果的科学性和准确性，并提出了缓解治理和腐蚀监测的方案。针对直流接地极对长输管道的杂散电流干扰影响可在设计阶段通过模拟计算进行分析，并采取相应的缓解措施。