高压直流输电系统接地极对长输管道安全运行的影响

中国石化中原油田分公司油气储运管理处

高压直流输电系统接地极对长输管道安全运行的影响

应斌中国石化中原油田分公司油气储运管理处

高压直流输电系统主要通过架空线和海底电缆长距离地输送电能，为了提高输送功率和接地极的运行效率，直流输电一般采用双极线路。高压直流输电系统接地极对金属管道安全运行的主要影响为腐蚀。接地极产生的强大电流通过管道防腐层破损处或排流装置进入管道后，将沿着管道传送至阴极保护系统，导致阴极保护系统不能正常运行，甚至造成恒电位仪损坏；系统对直接与管道相连接的阀门（特别是气液联动阀）影响巨大。为了防止电流流入管道系统，管线路由尽量远离接地极，同时应增设绝缘接头，缩短受干扰管线长度。对于管道附属设施的安全防护，建议设计时考虑在高压直流输电系统接地极影响范围内的站场和阀室前后安装绝缘接头。

直流输电；接地极；长输管道；腐蚀；绝缘接头

为了缓解东南沿海和其他部分经济较发达城市的能源缺口，我国大规模地修建原油、成品油以及天然气长输管道，这些管道难免不与高压直流输电线路交叉或近距离平行。在高压直流输电系统直流工作电流（单极运行）或不平衡电流通过接地极直接泄入大地时，将产生强大的入地电流，对周围的金属构筑物产生严重的影响，尤其对于周边的管道企业，严重影响其安全运行，威胁管道的运行安全。

1 接地极入地电流

高压直流输电系统主要通过架空线和海底电缆长距离地输送电能，为了提高输送功率和接地极的运行效率，直流输电一般采用双极线路。但在直流输电系统投运过程中大部分是先单极运行后双极运行，其间隔周期少则几个月，多则一年以上。正常双极运行时，当换流器有一极退出运行时，直流系统可按单极两线运行，这时依靠大地或海水构成回路。

在双极运行方式中，将正负两极导线和两端换流站的正负极相连，构成直流侧的闭环回路。在双极对称运行时，由于触发角和设备参数的差异，接地极有不平衡电流流过，不平衡电流可由系统自动控制在额定电流的1%以内；当双极不对称运行时，流过接地极的电流为两级运行电流之差。

在单极大地或海水返回运行方式中，利用两端换流站接地极和大地（或海水）构成直流侧的单极回路，流过接地极的电流即为直流输电工程的运行电流。

接地极入地电流参数一般包括额定电流、最大过负荷电流和最大暂态电流，其中最大过负荷电流一般能持续几个小时[1]，最大暂态电流能持续几秒钟[2]。

2 接地极对管道的影响

直流杂散电流的腐蚀机理是由于电解作用。在杂散直流电流进入管道的地方，金属/电解质界面发生腐蚀反应的阴极部分，导致了管道表面负极的极化，过大的阴极电流密度（如>0.1 A/m2）或缺氧，将发生水的分解导致H+和OH-的产生。OH-的产生将增大管道表面的pH值，产生阴极剥离，减少防腐层破损部位与金属表面的黏结力。而H+在获得电子后（阴保设备一般给被保护管道施加负电流，因此很容易获得电子），将变成[H]，由于[H]的半径很小，很容易沿着管材缺陷位置扩散至钢材内部。当较多的[H]开始在钢材缺陷位置聚集后，开始结合成氢气分子，分子半径迅速增大。当大量的氢气分子聚集后，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹，即产生了氢脆。

当高压直流输电系统单极大地返回运行时，接地极的入地电流通过土壤中的电解质实现导电。由于长输管道一般在容易产生杂散电流的区域设置了排流设施，这些设施在面对强大接地极入地电流时将直接变成引流装置，将接地极释放的强大直流通过管道一端的防腐层破损处或排流装置进入管道，从管道另一端的防腐层破损处或排流装置流入大地，从而在管道上形成强大电流。在电流流出端形成阳极区，产生腐蚀；在电流流入端形成阴极区，虽然不会发生腐蚀，当由于电流、电压过大，使管道处于过保护状态，从而可能导致发生氢蚀。

因此，高压直流输电系统接地极对金属管道安全运行的主要影响为腐蚀。

3 接地极对管道附属设施的影响

3.1 对阴极保护设施的影响

直流输电系统接地极产生的强大电流通过管道防腐层破损处或排流装置进入管道后，将沿着管道传送至阴极保护系统，导致阴极保护系统不能正常运行，甚至造成恒电位仪损坏。

2007年5月19～25日，三沪线由于上海华新换流站故障检修，进行了一次单极大地返回运行。在此期间，西气东输管道芙蓉—上海段阴极保护系统出现异常，芙蓉阴保站保护电流增大，恒电位仪输出超压，上海阴保站保护电流输出为零；无锡以东管道电位大幅负向偏移（最大至-1 410mV），无锡以西管道电位则大幅正向偏移（最大至+830 mV），导致恒电位仪无法正常运行。

2011年9月26日下午，南方电网云广线由双极运行改单极运行，鱼龙岭接地极产生了强大的入地电流，导致广东省天然气管网有限公司鳌广干线阴极保护系统多台恒电位仪烧坏。发生事故时，人工检测鳌头首站、从化分输站、广州分输站管道对地电位分别达到+20、-20和-70 V，而3个站场离鱼龙岭接地极的距离分别约为11、26和38 km。2012年3月10日甚至造成了广州分输站恒电位仪在断开阴极、阳极接线的情况下发生机柜着火事故。

3.2 对站场/阀室阀门的影响

直流输电系统除了对与管道有直接连接的恒电位仪有影响外，对直接与管道相连接的阀门（特别是气液联动阀）影响巨大。由于气液联动阀本身结构的原因，阀门气动执行机构部分管路复杂，相互之间距离很近。虽然气液联动阀门厂家出于安全考虑，在气路引压管中间加设了绝缘接头，但是由于连接绝缘接头的金属卡套距离很近，难免导致在强大的直流干扰时不发生金属管线之间或金属卡套之间的放电现象。长时间的放电将产生高温，若管路中有高压天然气，将造成引压管路的爆裂甚至火灾。

2013年12月18∶30～22∶41，由于南方电网云广线增城换流站出现故障将双极运行改单极运行，在鱼龙岭接地极产生了3 125 A的强大直流电流，导致广东省天然气管网有限公司鳌广线从化分输站线路截断阀（气液联动阀）引压管路绝缘接头损坏、塑料管卡融化。

2014年，由于南方电网大唐接地极对地排流，造成广东省天然气管网有限公司广肇干线多个线路截断阀发生类似事故，甚至造成LineGuard中模块损坏，由于这些气液联动阀都未通气投用，因此未造成更为严重的事故。

4 防范措施与对策

随着我国高压直流输电系统和长输管道的建设规模越来越大，直流输电系统单极运行时产生的强大入地电流对管道系统的影响也越来越多，也引起了电网企业、管道管理企业和地方政府的高度重视，如广东省发改委、安监局牵头，开始组织南方电网、广东省内管道企业以及高等院校进行联合攻关研究。

4.1 防止电流流入管道系统

为了防止电流流入管道系统，管道设计时应充分考虑高压直流输电线路接地极的影响。管线路由尽量远离接地极，同时应增设绝缘接头，缩短受干扰管线长度；在可能受到高压直流接地极干扰的区域，设置排流设施时应充分考虑接地极的影响，采用新型智能排流设施。管道建设过程中应加强质量管理，确保施工过程中管线防腐层的完整性，特别是焊缝处和管线入地处的防腐绝缘处理，以堵住杂散电流的流入[3]。而对于后建的直流输电系统接地极，应采取更加严格的接地极设计，防止或减少对附近金属管道系统的影响。

4.2 管道附属设施的防护

对于管道附属设施的安全防护，建议设计时考虑在高压直流输电系统接地极影响范围内的站场和阀室前后安装绝缘接头；对于管道阴保设施的防护，通过在广东省天然气管网有限公司天然气管网现场安装强直流干扰保护器，起到很好的保护作用，有一定的推广价值；而对于气液联动阀的保护，可以对引压管缠绕绝缘胶布等临时应对措施。

[1]饶宏，李岩，黎小林，等．4个直流输电工程共用1个接地极运行方式的研究[J]．高电压技术，2012，38（5）：1 179-1 185.

[2]赵杰，何金良．特高压和高压直流输电系统共用接地极模式分析[J]．中国电力，2007，40（10）：45-47.

[3]江波，常熔，孙其刚．鱼龙岭接地极对广东管网阴保系统的影响及对策[J]．油气田地面工程，2013，32（9）：126.

13193551342、pyhnz@163.com

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.015

应斌：高级工程师，2010年毕业于北京大学，现在中国石化中原油田分公司油气储运管理处从事油气储运研究工作。