直流接地极对浙江省天然气管网的干扰与防治

张 丰 何国军 刘 洋 赵俊丞

（国家管网集团浙江省天然气管网有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

我国幅员辽阔，电力供需呈现严重的不均匀性，总体表现为西南地区供过于求、东南地区求大于供。为保障东南沿海地区巨大的用电需求，国家提出了西电东送、北电南送等高压输电工程，建造了大量的高压直流输电系统。

在我国，大多数高压直流输电系统采用双极两端中性点接地的接地方式。正常工况下，会有几十安培（约为正常输电电流的1%）的不平衡电流流入大地成为杂散电流，对管道的干扰可以忽略不计；但是当高压直流输电系统一极发生故障时，几千安培的输电电流会沿着受端接地极-大地-送端接地极流动，严重影响长输管道的安全运行[1]。国内西气东输新疆段、上海天然气管网、江苏甬沪宁管道均发生过高压直流输电系统干扰埋地管道运行的事件，导致引压管出现烧穿、泄漏事故[2-6]。国外虽然也建设了高压直流输电工程，但它们对管道的影响很小，Peter Nicholson、Verhiel 等人分别测试了魁北克-新英格兰直流输电工程、B. C. Hydro高压直流输电系统对附近管道的影响，发现管道电位偏移只有0.3V左右[7]。可以看出，与国外相比，我国天然气管道面临的接地极放电干扰问题更加严重。

目前，国内外还没有形成一套可以彻底解决高压直流输电系统放电影响管道安全运行这一难题的方法。常用的防治措施包括：锌带埋设、分段隔离、强制排流等，但由于各方面的原因，这些措施的效果都不理想[8-10]。

1 接地极放电对管道的干扰及危害

1.1 干扰机理

根据入地电流极性区别，可以将接地极分为阴极接地和阳极接地，故障时对管道产生的干扰存在明显区别，人们分别将电流流入、流出的部位称为阴极区、阳极区，如图1所示。阳极接地时，电流流动路径为：接地极阳极-土壤-管道近端防腐层破损点-管道-管道远端防腐层破损点-大地；阴极接地时，电流流动路径为：大地-管道远端防腐层破损点-管道-管道近端防腐层破损点-大地-接地极阴极。

图1 接地极放电时管道阴极区和阳极区分布

处于电流流入段的管道管地电位会大幅度负向偏移，此时管道易发生析氢腐蚀，导致管道金属氢脆和管道防腐层剥离；处于电流流出段的管道会出现管地电位的大幅度正向偏移，导致管道阴极保护失效，引起管道的腐蚀，作用在局部防腐层破损点的腐蚀易发展成贯穿性腐蚀孔，危害极大。

在阳极区，管地电位大幅正向偏移，管道防腐层破损点处金属与周围土壤发生腐蚀反应，加剧破损点处腐蚀程度，极容易引发穿孔现象；在阴极区，产生大量OH-，管地电位负向偏移，增加管道发生氢脆和防腐层剥离的风险。

1.2 高压直流接地极放电危害

根据干扰对象的不同，高压直流接地极放电的危害可以归纳为：（1）加速管道阳极区腐蚀，引起管道阴极区出现防腐层剥离、氢脆或氢致开裂现象；（2）影响恒电位仪正常运行，烧毁阴极保护电源，加速牺牲阳极损耗；（3）引发放电打火现象，烧毁管道上连接的各种设备；（4）对地电压超过人体安全电压，容易引发人身伤亡。

1.3 高压直流接地极干扰特点

高压直流接地极单极运行时，放电干扰具有以下特点：

（1）持续时间短：研究表明，高压直流接地极单极运行放电时长仅占全年正常运行时长的1%左右，单次放电时间一般为1～2h，而且发生时间具有很强的不可预测性；

（2）干扰范围广：DL/T 5224-2014《高压直流输电大地返回系统设计技术规范》规定，当管道与接地极的距离小于10km时，需要分析管道受到的影响，并采取适当的防护措施。实际上，大量仿真结果表明，接地极与管道的距离达到50km时，接地极放电仍然会对管道电位分布产生影响；接地极与管道的距离为10km时，接地极放电可以影响几十、甚至上百千米管道的电位分布；

（3）治理缓解难：目前，国内长输天然气管道的阴极保护电源大多采用恒电位仪，输出电压较低，难以抵御高压直流接地极释放的高达几千安培的杂散电流。在这种“强干扰、弱保护”的情况下，阴保设备很难发挥应有的功能，而且极易发生烧毁、失灵等事故。

2 直流接地极放电事故案例

2.1 浙江省内高压输电工程介绍

目前，浙江附近及周边共存在3条高压直流大型输电工程，2条接地极位于浙江省内，1条接地极位于浙江省附近，如表1所示。

表1 浙江省内接地极分布情况

2.2 接地极放电事故

接地极单极运行对浙江省天然气管网的影响案例如表2所示。

表2 接地极单极运行影响案例统计

表2（续）

可以看出，受到距离、放电量、放电时长的影响，接地极单极运行放电对浙江省天然气管道及附属设施的影响不尽相同。对石接地极由于距离天然气管道较远（＞28.9km），在最大入地电流高达5000A的情况下，仅造成接地极附近恒电位仪输出参数波动、部分管道管地电位发生偏移；而金丝接地极距离天然气管道很近（1.29km），因此金丝接地极单极运行时，尽管最大入地电流远小于5000A，但依然会造成设备损坏。同时可以看出，澧浦阀室的设备容易受到金丝接地极放电的影响，因此需要增加额外的防护措施。

3 防治措施

为应对日益严重的直流接地极干扰问题，加强管道及附属设备设施风险管控。从阴保设备硬件、控制系统、操作规程上入手，形成“仿真指导+智能监控+规范处理”的接地极放电风险全方位管控措施及架构。

如图2所示，首先开展管道、沿线土壤、接地极的资料收集与调研工作，然后使用仿真软件分别分析各接地极正常运行和单极运行对附近管道的影响；根据仿真结果安装电流监测、阻断设备、排流设备、恒电位仪等阴极保护设备和设施；接着搭建智能阴保系统统一管理阴保设备，实时监控管道电位变化情况，在第一时间发现大直流接地极单极运行干扰；最后，根据接地极放电事故处置步骤编制事故处理流程，实现事故的规范化处理。

图2 接地极放电风险管控措施

3.1 接地极单极运行影响分析

假设对石接地极、金丝接地极、同里接地极单极运行时入地电流均为5000A，对浙江省天然气管网的影响如表3所示。

表3 接地极放电对管道电位的影响

3.2 安装防护设施

3.2.1 常用防护措施比选

根据GB 50991-2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》的规定，当管地电位偏移值大于等于100mV时，需要采取干扰防护措施。从表2可以看出，对石接地极、金丝接地极、同里接地极均正常运行的情况下，仍然需要采取防护措施。常用防护措施优缺点如表4所示。

表4 常用直流干扰防护措施对比

3.2.2 防护措施设置

高压直流接地极单极运行时间具有不可预测性，且持续时间较短，因此设置防护措施的目标是降低接地极正常运行时管道受到的干扰，限制接地极单极运行时影响范围。由于单一防护措施具有局限性，因此采用综合防护技术，以排流保护为主、配合采用其它多种防护措施。

（1）提高防腐层完整性

对全段管道采用加强级防腐层；对管道补口、焊点密封等易发生防腐层破损的薄弱环节采取强化措施，同时通过加强施工管理，确保防腐层地面漏点检测真实有效，发现漏点及时修复，最终保证防腐层的完整性；

（2）管道分段隔离

根据受干扰情况，使用绝缘接头将整条管道进行电隔离，然后依托就近的线路阴极保护站对绝缘接头两侧的干线管道分别提供保护；

（3）增加管道阴极保护

增加强干扰管段阴极保护站的数量，为整条管段提供阴极保护，并对管地电位偏移进行纠偏；

（4）增设排流点

在强干扰区域设置接地排流点，排流保护方式为直接排流保护，材料选用带状锌合金阳极。

3.3 安装高压直流监测设备

3.3.1 电流环工作原理

高压输电系统接地极放电产生的电流是对管道威胁最大的杂散电流，很难直接测量，目前最常用的检测方法是测量管道和参比电极间的电位差来反映杂散电流的分布情况，但这种方法有很大的局限性，测量结果受到参比电极和IR降的影响[11,12]。

电流环监测技术是一种新兴的管道电流监测技术，目前只有一些学者对此进行了研究，在长输管道阴极保护领域使用较少[13,14]。电流环在管道杂散电流监测中的应用场景如图3所示。

图3 电流环监测原理

电流环工作原理是：管道上的杂散电流会激发一个磁场，缠绕在管道表面的螺线管会将该磁场等效放大，这种现场称为聚磁效应。当偏振光经过这个磁场后会引起法拉第旋转角出现偏转，经过一系列换算后就可以得到管道中电流的大小。

3.3.2 电流环工作过程

电流环安装在受直流干扰严重的管段，实时监测管道上流过的电流，并将监测结果实时传输给智能阴保系统，如图4所示。

图4 电流环和阴保桩联合工作示意图

当管道上流过的电流处于正常水平时，智能阴保桩处于正常工作状态，1d上传一次数据；当电流环检测到通过管道的电流发生异常时，智能阴保桩马上切换成紧急工作状态，每隔一段时间（10min或20min）监测一次管道上的电位并上传至智能阴保系统。这种“电流环+智能阴保桩”联合工作方式可以有效监测对管地电位影响接地极单极运行时管道电位分布情况。

3.4 直流接地极单极放电事故处理

即使采用了仿真、智能监测、排流等多种措施来缓解高压直流干扰，但是仍然不能根除高压直流接地极单极运行带来的影响。除了需要与电网运营单位积极沟通，确定接地极单极运行时间以及放电量以外，还需要采取科学、有效的措施，定期开展阴保设备风险排查工作，以应对接地极单极运行可能造成的事故。

3.4.1 日常检测及维护

每日采集一次排流装置、电流环、恒电位仪等设备数据及工作情况，定期做好设备的检查、维护工作，保证阴保设备正常运行。

3.4.2 接地极单极运行时的应对措施

当电流环、阴保桩触发报警或者电网运营方通知接地极放电后，立即关闭干扰严重区域内的恒电位仪，每隔30min记录排流装置、恒电位仪、电流环的数据并记录，同时组织人员观察设备、仪表、管路是否存在放电现象。

3.4.3 单极运行结束后的处置措施

单极运行结束后，立即安排现场人员对影响区域内管道进行徒步巡检，观察是否存在漏气现象；同时，开启恒电位仪，并检查干扰区域内阴保桩、排流设备、绝缘接头等阴保设备是否发生损坏、烧蚀等。

4 结语

为了减轻高压直流接地极的影响，管道营运企业应从以下几个方面开展工作：

（1）大力使用仿真软件，将数值仿真技术应用在阴极保护领域，如接地极放电影响分析、阴极保护措施设计指导以及阴极保护设施效能评价，为阴极保护系统建设提供指导，提升阴极保护系统的作用效果；

（2）提高阴保系统的自动化水平，建立智能管理系统，将阴保桩、恒电位仪、固态去耦合器等阴极保护设备纳入统一的数据管理平台，并在管道受干扰严重区域安装大电流监测设备，实现管道电位实时监测、阴保设备即时管理；

（3）直流接地极干扰治理遵循“正常运行保障电位、单极运行保护设备”的原则。阴极保护设施设置应因地制宜，并满足以下需求：接地极正常运行时，确保管道电位偏移小于100mV；接地极单极运行时，允许管道电位短时超过阈值，但需要防止恒电位仪等设备发生烧毁、烧蚀等事故；

（4）与管网运营单位建立有效的沟通机制，制定完善的直流接地极放电事故处理流程，明确处置措施，细化人员责任，降低接地极单极运行带来的风险。