上海高压直流输电系统对天然气主干网的影响

上海天然气管网有限公司 金东琦

0 引言

随着我国经济快速发展，能源的刚性需求和分布不均匀的现状,客观上要求在大范围内对能源进行长距离转移并优化配置，因此高压电网和长输油气管网日益取得了蓬勃发展。然而，油气管网和高压直流输电网之间相互靠近的情况不可避免地暴露了一些严峻的安全问题。HVDC输电系统也对城市燃气管网(例如上海、深圳等)的运行造成了同样的电干扰。

正常情况下 HVDC输电系统采用双极运行方式，但在投运初期、年度检修以及出现故障排查时，切换至单极大地返回运行方式，上千安培电流通过接地极直接入地，对附近的油气输送管道、化工产品输送管道、输水管道、给水管道、通讯电缆、铁路路轨、地铁盾构等埋地金属构筑物都会造成明显电干扰，引发杂散电流腐蚀问题，甚至对人员、设施安全带来严重的安全隐患。

在城市燃气领域关于 HVDC杂散电流对管道的干扰研究甚少，因此此项研究有重要意义。本文主要从管网公司所辖在役高压天然气主干网的运行实际出发，梳理上海地区已运行HVDC输电线路接地极与主干网的相互位置关系，了解HVDC输电系统运行方式、杂散电流产生机理及对金属结构物的危害，应用阴极保护远程监控系统和数值模拟技术，初步提出主干网的HVDC杂散电流防护措施，并为待建化工区复线的防护设计提供指导。

1 上海高压天然气主干网与HVDC输电系统相关现状

2001年1月，上海市天然气主干输气管网建设工程全面启动。经过 10余年的蓬勃发展，天然气主干网一期、二期项目及崇明项目等相继完工投运，在役主干网运行总长约750 km。主要沿外环线和郊环线分布，压力级制为1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa和6.0 MPa，形成“南北贯通、东西互补、两环相连”的格局，已然成为上海市重要的能源生命线。此外，化工区作为重要区域用户，将增加一条总长约40 km复线，为其安全可靠供气提供强有力保障。

经前期调查上海地区目前有4条HVDC输电线路，3个HVDC接地极，即南桥接地极、廊下接地极和腰泾接地极，分别位于奉贤燎原农场、金山区廊下镇和青浦区练塘镇，线路详细设计参数见表1。

表1 上海高压直流输电线路工程

据调研结果，上海地区HVDC接地极与在役主干网的相对位置如图1所示。腰泾接地极、廊下接地极和南桥接地极与主干网的最短距离分别约为3.5 km、9.2 km和6.2 km；而南桥接地极与待建化工区复线的最短距离也只有约4.5 km。

图1 上海三个接地极与主干网的相互位置关系

2 杂散电流产生机理及危害

2.1 HVDC输电系统运行方式及杂散电流产生机理

与交流输电相比，直流输电具有线路造价低、传输功耗小、运行稳定性高等优点，因此长距离传输多采用HVDC输电方式。HVDC输电系统是将交流电转化为直流电进行传输，在受端再逆转为交流电降压后进行供电的输电方式。基本上由整流站、逆变站和直流输电线路组成，整流站、逆变站与两端的交流系统相连接原理、示意图如图2所示。

图2 HVDC输电系统示意

HVDC输电系统运行方式主要有双极运行方式、单极大地回路运行方式和单极金属回路运行方式，示意图见图3。正常情况下，为双极运行方式，如图3(a)所示，该模式下极I、极II回路电流数值上相等但方向相反，流经大地回路的入地电流IG基本为0，但考虑到设备整流运行上的差异，极I和极II回路电流存在些许差异，设计中要求控制在输送电流的 1%以内，但投运初期、年度检修或出现故障排查时，切换为单极大地回路运行，如图3(b)所示，输电电流通过接地极流入大地形成闭合回路，大量电流通过大地回流，会极大程度地抬升或降低接地极周围大地电压，对附近的金属管道及构筑物造成杂散电流干扰。在某些情况下，电力方也会采用金属回路，如图3(c)所示，电流不经过大地回流，而是通过一根金属电缆线回流，该模式下不会产生任何杂散电流，但会增加电力投资。

图3 HVDC不同运行方式原理

当HVDC双极运行时，不平衡入地电流一般情况只有输电电流的 1%左右，几十安培的电流对几公里以外的管线明显不干扰；而HVDC单极大地回路运行时，几千安培的直流电流直接通过大地回流，接地极放电方式不同会对附近管道造成不同的干扰影响。

若接地极放电方式为阳极放电，即电流从接地极流向土壤，那么接地极附近区域杂散电流从土壤流入管道，而远离接地极区域杂散电流从管道流出；相反，若接地极放电方式为阴极放电，即电流从土壤流向接地极，那么接地极附近区域杂散电流从管道出，而远离接地极区域杂散电流从土壤流向管道，如图4所示。

图4 接地极阳极和阴极放电对管道造成的干扰影响示意

2.2 HVDC杂散电流危害

HVDC杂散电流干扰与其他干扰源相比因其干扰电流大，管道受干扰的强度更高，影响范围更远，危害也更加严重。不仅会对管道本身造成影响，更会对操作设备的人员安全造成隐患。从管道角度分析，杂散电流从管道流向土壤，管地电位变正，管道加速腐蚀，根据法拉第定律，1 A/m2的电流会造成管壁1.16 mm/a的减薄，而管道防腐层破损处泄漏电流密度可能远大于此值，因此管道有很高的腐蚀风险，如天然气管道长时间受到干扰影响，可能会引起管道腐蚀穿孔，造成天然气泄漏、火灾爆炸等事故。杂散电流从土壤流向管道位置，管地电位变的很负，管道过保护，可能造成防腐层剥离或高强度钢氢脆现象。从设备和人员安全角度分析，在土壤电阻率较高的地址环境中，管道干扰电压较高，可能超过国家标准规定稳态时接触电压的限值35 V，对操作人员的人生安全造成危害；而非等电位连接的设备之间也会因为过大的电位差造成设施打火、放电和烧蚀，甚至引发爆炸。

3 HVDC杂散电流对管道的腐蚀干扰监测和数值模拟计算

基于电力公司 HVDC输电系统计划检修的保密性、可能发生故障的随机性和接地极运行方式的不确定性，本次研究在役主干网设置安装 25套阴极保护远程监控设备，见图5所示，主要用于监测管道通电电位、试片极化电位计交流电压等。监测点布置依据为可能干扰强度最大位置区域及适当布设可能影响区域以评估干扰强度及干扰范围。

图5 25处阴极保护远程监控装置设置位置

3.1 阴极保护远程监控系统简介

电位远程监测系统包括电位远程监测终端、数据传输网络和主站服务器三部分。系统架构如图 6所示。电位远程监测系统，通过在管道线路上安装电位监测终端，采用试片法实时采集管道的通/断电电位，利用GPRS无线网络将采集数据传输至主站服务器内，再通过主站服务器查询和分析管道的通/断电电位来判断管道受南桥接地极的干扰情况。

图6 电位远程监测系统架构

3.2 在役主干网受HVDC杂散电流干扰监测

2016年12月至2017年10月，在11个月的监测过程中，南桥接地极共监测到 27次放电，其中阳极放电5次，阴极放电22次，总放电持续时间851 h40 m；廊下接地极共监测到14次放电，其中阳极放电8次，阴极放电6次，总放电持续时间56 h10 m；腰泾接地极共监测到19次，其中阳极放电13次，阴极放电6次，总放电持续时间70 h25 m。具体电网参数和管道监测参数见表2所示：

表2 监测点数据统计汇总

从表2数据分析，上海HVDC输电系统在这将近一年的运行时间里，南桥接地极和廊下接地极放电最大电流接近额定电流，电力公司虽未提供腰泾接地极的放电电流，但对比干扰数据可知，放电电流也基本达到额定电流。

从放电时间上显示，南桥接地极实际放电时间851 h40 m，年放电率为9.8%；廊下接地极实际放电时间为56 h10 m，年放电率为0.64%；腰泾接地极总放电时间为70 h25 m，年放电率为0.81%。从放电次数上显示，南桥接地极、廊下接地极和腰泾接地极的放电次数分别达到27次、14次和19次。根据《高压直流换流站设计技术规定》(DL/T 5223—2005)对HVDC系统可靠性的规定，强迫能源不可用率不大于0.5%，计划能源不可用率不大于1%，接地极单极强迫停运次数不大于5次/(极·年)，双极强迫停运不大于0.1次/年。对比标准要求，南桥接地极的年放电率远超过标准的限定值要求，而三个接地极的放电次数也均偏多。因此，电力公司应重视HVDC接地极放电时间和放电次数，并采取有效措施加以控制。

HVDC杂散电流干扰是近几年新发现的干扰模式，燃气行业范围内尚未出台可参考的标准和规范，故仍沿用《埋地钢质管道阴极保护技术规范》(GB/T 21448—2008)和《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》(GB 50991—2014)关于埋地管道直流杂散电流识别和评价准则。一般地，阴极保护水平(管道极化电位)应负于-850 mVCSE(mVCSE表示电位测量是相对于铜—硫酸铜参比电极，单位为毫伏，下同)。从监测到的极化电位可知，在接地极单极运行工况下，管道侧实际监测到的管道最正极化电位数值均已正于-850 mVCSE管道阴极保护准则，造成腐蚀隐患，需采取一定措施。图7为2017年2月18日南桥接地极阴极放电时管道上监测到通电电位和极化电位波动截屏。

图7 南桥接地极放电时不同位置管道通电电位和极化电位

(a)至(d)监测点为管道离接地极逐渐变远，对比(a)、(b)、(c)可知，接地极阴极放电时，接地极附近管道电位正向偏移，电流从管道流向土壤，且随着管道与接地极距离增大，干扰程度逐渐减弱，最近点干扰程度最大；从(d)可知，该监测点管地电位负向偏移，与(a)、(b)、(c)干扰极性相反，电流从土壤流向管道。

图8为监测到各个接地极的放电次数与月份关系图，从图中可以看出，放电高峰主要集中在6月份，这很可能与夏季用电高峰前HVDC输电系统的集中检修有很大的关系。

图8 三个接地极放电次数与月份关系

3.3 HVDC杂散电流干扰数值模拟计算评估

数值模拟技术依靠电子计算机，结合有限元、边界元等概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题研究的目的。本研究采用 BESAY数值模拟计算软件，通过对现场在役主干网、待建化工区复线和HVDC接地极基础资料调研分析、模型建立、利用现场测试的边界条件和监测干扰数据不断校核和优化已建模型，利用可接受的模型预测和评估干扰状态，最终达到优化防护设计方案的目的，具体技术路线见图9。

图9 技术路线

3.3.1 待建化工区复线数值模拟计算

因待建化工区复线管道尚未敷设，无法通过在线监测得到实际干扰数据，只能利用数值模拟软件进行计算。图 10为南桥接地极、廊下接地极和腰泾接地极额定电流放电情况下，化工区两端阴极保护恒电位仪控制-850 mVCSE时管道的受干扰程度，南桥接地极阴极放电时，管道中间位置管地电位正向偏移波动至+480 mVCSE，影响很大，而廊下和腰泾接地极影响较小。

图10 待建化工区复线受干扰程度模拟计算

3.3.2 在役主干网数值模拟计算

图11～13分别为南桥接地极、廊下接地极和腰泾接地极阴极和阳极放电时，主干网的受干扰模拟计算云图，从图中可以看出，南桥接地极阴极额定电流放电，接地极附近管道电流流出，管道电位正向偏移严重，最正位置电位达到788 mVCSE，距离接地极较远位置管道电位明显正向偏移，南桥接地极阳极额定电流放电时，远离接地极位置电流流出，电位正向偏移，最正位置电位达到-315 mVCSE；廊下接地极阴极额定电流放电，距离廊下接地极较近位置管道电流流出，管道电位明显正向偏移，最正位置电位达到728 mVCSE左右；廊下接地极阳极额定电流放电，距离廊下接地极较远位置管道电流流出，管道电位明显正向偏移，最正位置电位达到-424 mVCSE左右；腰泾接地极阴极额定电流放电，近接地极位置管道电流流出，电位明显正向偏移达到547 mVCSE左右，腰泾接地极阳极额定电流放电时，距离接地极较远的大港门站附近管道电流流出，电位正向波动较大，达到-331 mVCSE左右。无论何种放电模式，均有一定数量的主干网管道电位正于-850 mVCSE，处于腐蚀风险中。

图11 南桥接地极对主干网干扰的数模计算

图12 廊下接地极对主干网干扰的数模计算

图13 腰泾接地极对主干网干扰的数模计算

4 防护措施研究

4.1 待建化工区复线防护措施研究

通过数值模拟软件计算待建化工区复线受HVDC南桥接地极干扰程度，对比绝缘处理、锌带、锌带加极性排流和强制排流等措施，综合考虑经济型、可行性和合理的缓解目标，最终选取与主干网绝缘+独立阴极保护(临港首站、化工区清管站)+3#阀室强制排流的联合缓解措施。

通过调节原设计阴极保护站和 3#阀室新增阴极保护站电流输出，模拟南桥接地极阴极放电和阳极放电时候待建化工区复线沿线管道电位，无论南桥接地极是阴极放电还是阳极放电，化工区复线管道电位均能满足-850 mV准则要求，见图14。

图14 南桥接地极阴极放电和阳极放电对待建化工区复线沿线管道模干扰模拟

4.2 在役主干网防护措施

为达到受干扰主干网-850 mV缓解目标，考虑采取强制排流+多点控制的综合防护措施，通过数值模拟计算分析，建议主干网安装 10处强制排流阴极保护站，15处管道安装多点控制。

图15～17为主干网受HVDC南桥接地极、廊下接地极和腰泾接地极杂散电流干扰时，采取强制排流+多点控制缓解措施后主干网电位分布云图。

图15 南桥接地极对主干网干扰的数模计算

图16 廊下接地极对主干网干扰的数模计算

图17 腰泾接地极对主干网干扰的数模计算

从图中可以看出，采取适当措施后，在役主干网管道整体电位基本能满足-850 mVCSE准则要求，基本达到管道保护的要求。

5 结语

通过上海地区 HVDC输电系统对天然气主干网杂散电流干扰的远程监测、数值模拟等手段，开展对主干网和化工区复线缓解措施研究，初步得到了以下结论：

(1)HVDC输电系统接地极在单极大地回路运行模式下，对埋地管道及金属构筑物均有影响。在接地极阳极放电时，远处管道电流流出，电位正向波动造成腐蚀；而在接地极阴极放电时，离接地极最近的管道电位波动最正，腐蚀影响最严重。

(2)实现了对主干网直流干扰强度及干扰规律的远程监测，监测结果表明3处接地极均对高压主干网构成直流干扰。监测到最强腐蚀干扰电位达+1.01 V，腐蚀风险极大。

(3)待建化工区复线干扰缓解措施确定为新建管线与原主干网间相互绝缘前提下，在临港首站和化工区清管站设计阴极保护站，同时在3#阀室新增一处强制排流站，为化工区复线建设提供设计指导。

(4)初步得到了在役主干网的干扰防护措施，采取强制排流+多点控制的联合保护方式。

(5)通过 11个月的远程监控，南桥接地极放电时间远超标准规定限制，三个接地极的放电次数也明显偏高。HVDC接地极放电次数和放电持续时间需得到电力有关部门的重视并提出限制措施。

本研究针对上海地区 HVDC输电系统对高压天然气主干网的腐蚀干扰和影响进行了初步探索，未来还有更多的工作需要推进。HVDC杂散电流干扰问题涉及到燃气与电力两个行业，建议政府相关职能部门牵头建立联合沟通机制、协调多方合作共同研究，从源头上控制解决问题，确保天然气主干管网生命线的安全可靠运行，保障上海城市的运行安全。