青州换流站高青接地极对周边油气管道影响研究

苏 炜，马诗文，李文祥，刘效通，白 锋

（1.华东电力设计院有限公司，上海 200001；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；3.国网山东省电力公司威海供电公司，山东 威海 264200；4.国网山东省电力公司烟台供电公司，山东 烟台 264001；5.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

随着我国经济持续增长，对能源的需求越来越大，高压直流输电系统和输油输气管道都在快速发展，直流输电系统接地极与输油输气管道接近难以避免，使得直流输电系统对输油输气管道的电磁影响问题日益突出。因此，合理解决直流输电系统接地极对地下输油输气管道的电磁影响，保证输油输气管道的安全可靠运行，减少工程投资，具有重要的意义。

青州换流站高青接地极（以下简称高青接地极）作为±800 kV扎鲁特—青州直流输电工程受端接地极，落点在山东省淄博市的高青县，其周边30 km范围内分布有多条油气管道。因此，开展高青接地极对周边油气管道影响的研究，保证油气管道安全可靠运行是十分必要的。

1 高压直流输电工程对埋地金属管道干扰影响机理

1.1 我国直流输电系统运行简介

我国目前直流输电工程都是按双极直流输电系统设计，正常运行情况下，多采用双极对称平衡运行方式，两极不平衡电流很小。当一极停运或发生故障时，可采用单极金属回路运行方式，或单极大地回路运行方式。而单极大地回路只作为从双极回路转变为单极金属回路的过渡运行方式，运行时间很短，以减少对环境的影响，并延长接地极的寿命。此外，仅在工程投运之前的系统调试期间，为单极大地回路工况试验的需要，采用单极大地运行方式，但时间较短，一般不超过1天。

1.2 直流输电系统接地极对埋地金属管道腐蚀影响机理

当接地极流过直流电流时，在土壤中会形成恒定的直流电流场，并伴随大地电位升高。如接地极附近埋设有地下油气管道，因管道的电阻远比土壤小，直流电流会在管道上流通，并在流出管道的区域发生电腐蚀。

我国用于输油输气的管道，表面一般敷设有防腐层，较为常见的有PE防腐层、FBE防腐层和石油沥青防腐层。当防腐层完好时，防腐层与土壤之间交换的电流密度很小，可不考虑地中直流电流对管道的腐蚀影响。但是，当防腐层出现破损点时，则破损点处的电流密度可能会很大。接地极入地电流对附近埋地油气管道的影响如图1所示。

图1 接地极对埋地管道干扰示意

对于直流电流流出的接地极，管道破损点处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。

因此，管道一般采取阴极保护措施使得管道保持负电位，使管道不发生电腐蚀，同时其电位又不能太低，以保证管道表层不发生氢脆。

1.3 直流接地极对埋地金属管道的影响限值

1.3.1 管道直流腐蚀影响限值

目前，直流接地极对邻近埋地油气管道直流腐蚀影响的限值主要采用以下标准。

1）GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》。

管道工程处于设计阶段时，当地电位梯度大于或等于2.5mV/m时，应评估管道敷设后可能受到的直流干扰影响，并应根据评估结果预设干扰防护措施。

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l00mV时，应及时采取防护措施干扰。

管道投运后，对于施加阴极保护的管道，当干扰引起的管道极化电位不满足阴极保护准则要求时，干扰程度为不可接受，应及时采取干扰防护措施。

2）DL/T 5224—2014《高压直流大地返回系统设计技术规程》。

在接地极与地下金属管道、地下电缆、非电气化铁路等地下金属构件的最小距离（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长度大于d，应计算接地极地电流对这些设施产生的不良影响。

对非绝缘的地下金属管道、铠装电缆，在等效入地电流Ieq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。

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Ieq下，如管道对其周边土壤（相对于Cu-CuSO4电池）的电压超出-1.5～-0.85 V范围，应采取保护措施。

结合国内外标准和相关研究的观点，对输油输气管道，由于现场测量获得的地中电场强度的可靠性尚存在争议，本工程按接地极流过等效入地电流进行计算，并采用管地电位正向偏移100mV作为评价指标。

1.3.2 管道操作人员安全电压限值

涉及人身安全风险的主要是由于管道金属电位与所在大地电位出现电位差，进而导致人身接触电压风险。长时间作用下的人体安全电压相关标准如表1所示。

表1 人体长时间安全电压标准 V

从表1中可以看出，长时间作用下的人体接触电压限值一般分为15 V、33 V和60 V左右3级。其中美国NACE RP 0177—2014标准中规定的限值最严格，为15 V。但该限值考虑的是不使人有明显感觉，作为一种长期埋于地下、一般只会由职业人员接触到的设施，采取此限值显然过于严格。

GB 3805—2008中规定的 33 V限值，考虑的是干燥环境下人体长时间能够承受的安全电压，并且该标准指出此限值没有人群特定针对性。GB 6830—1986中规定的60V限值，考虑的是电信工作人员在接触通信线时，载到人体上的安全电压限值。人体长时间安全电压可取33 V和60 V，前者适用于普通大众，后者适用于职业人员。因此，本工程人体长时间安全电压限值 （针对可接触到管道金属部位的职业操作人员）应取60 V。

2 计算条件

2.1 接地极极址概况

高青接地极落点在山东省淄博市高青县，高青县西偏北约14 km处。与附近埋地油气管道的相对位置关系如图2所示。图中，高青接地极附近30 km范围内涉及的管道主要包括5条：中石油沧淄线管道（含2条分支）、中石化石油管线东临线、中石化石油管线东临复线、中石化天津—济南LNG管道和中石化济青二线管道。高青接地极与中石油沧淄线管道的距离最近，约7.55 km。

图2 高青接地极与附近埋地油气管道的相对位置示意

高青接地极极址的土壤电阻率参数如表2所示。

表2 高青接地极极址土壤电阻率

2.2 接地极系统参数

高青接地极为浅埋型陆地接地极，极环按双圆环设计，布置如图3所示。内、外环半径分别为150m和200m，电极埋深3.5m。高青接地极的额定电流为6 250A，双极不平衡电流10 A。

2.3 管道参数

表3汇总了图2涉及的5条埋地油气管道的相关参数。

图3 接地极布置示意

表3 涉及的管道参数

3 电磁影响计算结果及分析

3.1 管道对地电压计算

基于高青接地极与邻近埋地油气管道的相关参数，可建立仿真计算模型进行计算分析。表4列出了高青接地极在流过额定电流（6 250 A）时，邻近油气管道上对地电压的最大值。从计算结果可以看出：高青接地极流过额定入地电流时，附近埋地油气管道上距接地极最近处管道上的对地电压最高；结合第1.3.2节的相关限值分析和调研，5.37 V的管地电位差对管道操作人员和管道上的恒电位仪不会产生危险影响。

表4 额定电流时管道对地电压最大值 V

3.2 接地极对管道的腐蚀影响

接地极电流对地中管道的腐蚀影响是一个长期累积的过程，采用额定电流为控制标准来衡量直流电流在管道上产生的管地电位差或电流密度，则过于严格；如仅考虑不平衡电流，则忽略了大电流可能造成的不利影响。为此，在计算管道腐蚀时应采用一个可以兼顾强电流和不平衡电流不同腐蚀特性的等效入地电流。最新的行业标准DL/T 5224—2014中已基于法拉第电解定律提出了“等效入地电流”的概念，该电流是在假定管道的腐蚀速度与接地极的入地电流成正比的前提下，等效入地电流为根据接地极各类入地电流的持续时间在设计寿命中占有的比例确定权重，加权累计后的电流值。

表5给出了高青接地极的等效入地电流计算方法。

表5 高青接地极等效入地电流

现阶段，在直流接地极入地电流对邻近埋地油气管道的腐蚀影响计算中，较多的还是采用与交流入地电流对埋地油气管道影响相同的计算方法，未考虑管道防腐层破损点处金属与土壤交界面上的直流“极化效应”。

基于现有计算方法和评价指标，表6列出了高青接地极寿命期内长期以等效入地电流运行时邻近油气管道上对地电压的最大值。从计算结果可以看出：接地极流过等效入地电流时，距接地极最近管道处的对地电压最高，约44.81mV；在现有计算方法和评价指标下，与GB 50991—2014中规定的100mV限值比较，可认为高青接地极对邻近埋地油气管道的直流腐蚀影响满足要求。

表6 等效电流时管道对地电压最大值 mV

需要说明的是，表6中计算结果是基于直流接地极上大电流短时间和小电流长时间对管道的腐蚀影响仍满足法拉第电解定律的前提下提出的，该假设需要通过开展大量的试验验证才可确定。另外，上述计算过程中未考虑管道金属的直流极化效应，且接地极入地电流的持续时间考虑较为保守，计算结果可能误差偏大。

4 结语

基于现有计算方法和评价指标，进行了高青接地极对邻近埋地油气管道的电磁影响分析，分析结果可供工程前期设计参考。

建议本工程采用60 V作为人体长时间安全电压限值；按接地极流过等效入地电流进行计算分析，并以管地电位正向偏移100mV作为管道直流腐蚀影响的评价指标。

高青接地极流过额定入地电流（6 250 A）时，所涉及的5条油气管道上对地电压的最大值约为5.37 V，其对管道操作人员和管道上的恒电位仪不会产生危险影响。

高青接地极流过等效入地电流时，距接地极最近管道处的对地电压最高，约44.81mV。与GB 50991—2014中规定的100mV限值比较，高青接地极对邻近埋地油气管道的直流腐蚀影响满足要求。