直流接地极对管道杂散电流的干扰影响及其规律分析

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(1.中石油管道有限责任公司 西气东输管道分公司，广东 广州 510000； 2.北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

随着国内经济的迅速发展，高压直流输电工程和输油输气管道的建设也在快速发展。由于电力行业和石油天然气行业对传输路径的择优原则极为相近，使得输电线路与输油输气管道平行接近或交叉跨越的情况时有发生。

由于高压直流输电系统本身的特性，在运行过程中不可避免地会对周围金属设施产生直流杂散电流干扰。P.Nicholson[1]在实际测试中发现，故障电流从流入埋地管道至流出管道之前会沿管道流动很长一段距离，在管道中持续存在几分钟甚至几天，会造成杂散电流流出管道部位严重腐蚀。相关研究[2-3]也表明，高压直流输电干扰具有影响范围广、干扰程度大和缓解困难等特点。

1 高压直流输电系统

高压直流输电系统一般分双极和单极两种运行方式，在正常工况下以双极-大地方式运行。此时入地电流为系统不平衡电流，数值小于输出电流的1%，但其大小和方向会随时间发生变化，具有波动性，会对附近的埋地金属结构产生动态直流干扰[4]，引起管道电位的波动，给阴极保护有效测试和运行管理带来困难。在高压直流输电系统建设并投运初期,检修或故障排查时会采用单极-大地运行方式。此时,直流接地极处有高达几千安培的电流流入大地(或由大地流入接地极)，对接地极附近的人畜产生影响[5]，还可能对几十千米甚至上百千米范围内的埋地长输管道及站内设备产生直流干扰，严重影响阴极保护系统的正常运行;也会造成埋地管道腐蚀穿孔或过保护风险[6-7]，引发管材氢脆、氢致开裂等安全问题[8-9]。

为掌握华东某地区高压直流输电工程接地极对周围埋地钢质管道的影响情况，采用远程电位监控系统对周围的天然气管道电位进行长时间连续监测，并分析其受到高压直流输电系统干扰严重程度。

2 高压直流干扰判断

高压直流输电系统在进行单极-大地方式运行时，同一接地极的送端和受端会流出电流和流入电流。接地极流入电流时，称为“阴极放电”；接地极流出电流时，称为“阳极放电”。

采用智能电位远程监测系统，同步测试华东某地区A接地极对附近两条天然气管道的电位偏移情况。A1天然气管道两端为两个站场，中间有7个站场，管线跨越两个省，管道全长约779 km，接地极与管道垂直距离约37 km，接地极位于第5个站场附近；A2天然气管道两端为两个站场，中间有1个站场，管道距离接地极直线距离大于220 km，管线长度约为105 km，其中距离A2管道20 km附近有另一接地极X。

为研究A接地极放电规律、干扰程度和干扰范围，在A1天然气管道分别安装12处电位监测点，A2天然气管道安装7处电位监测点(见图1)。其中在1点40分时，A1管线监测到9处监测点位置发生电位波动，而1号监测点和11号、12号监测点电位均发生正向偏移，3号至10号监测点均发生负向偏移。在2点45分时所有监测点电位均恢复到正常电位。在1点40分至2点45分时间段内，A1管线上监测到的监测点电位均同时发生了正向或负向偏移，可以判断在此时间段内，A1管线受到接地极的干扰。

图1 电位监测点和接地极相对位置

在相同时间段，A2管线监测到6处电位监测点发生电位偏移情况。其中1号至4号监测点均发生负向偏移，5号和6号监测点发生正向偏移(见图3)。可以判断在此时间段内，A2管线也同时受到接地极的干扰。

在靠近A接地极附近的A1管线的8个电位监测点偏移同一个方向，远离A接地极的A1管线两端的电位监测点偏移另一个方向，且电位偏移量较A2管线电位偏移量大，可以进一步判断，此次电位波动是由A接地极造成。通过此类方法对A接地极附近的2条管道长时间连续监测电位进行分析，得到2016年和2017年A接地极对埋地钢质天然气管道的干扰次数和干扰时长短。

3 高压直流干扰监测结果

通过在A接地极附近两条天然气管线上设置19个监测点，对华东地区某片区域高压直流输电工程接地极对管道的干扰影响进行监测(见表1)。在2017年共监测到A接地极干扰24次，干扰总时间长约为97小时37分钟；2016年共监测到A接地极干扰41次，干扰总时间长39小时6分钟。对比两年的干扰情况，2017年A接地极对天然气管道干扰次数较2016年有所下降，但干扰时间长度较2016年有所增加。

表1 A接地极干扰次数和时长监测结果

对高压直流接地极A附近的A1和A2管道通/断电电位进行监测，两条管线监测结果(见表2)显示，在A直流接地极干扰下管道断电电位的最正值和最负值均超过标准[9]要求的阴极保护电位的上下限。其中受干扰最大的管道(管道A1)干扰电位达到了304.40 V(见图2)，远超过人体安全电压。数据显示，附近监测的两条管道的干扰时通电电位绝对值均高于4 V，管道上阀室内的绝缘卡套和引压管存在打火放电烧蚀风险[2-3]。

表2 管道干扰电位

4 高压直流干扰规律分析

根据接地极放电原理，当管道附近的接地极为阳极放电时，电流将在管道靠近接地极端由防腐层破损处流入管道，再由远端流出管道，远端流出点作为腐蚀原电池的阳极发生腐蚀；当管道附近的接地极为阴极放电时，电流将在管道远离接地极端由防腐层破损点流入管道，再由近端流出管道，导致近端流出点腐蚀[10]。

从接地极A附近两条管线的干扰监测情况看(见图2和图3)，A1管线靠近接地极A的4号、5号、6号、7号监测点电位均发生负向偏移，为电流流入管道位置，发生阳极放电，管线两端远离接地极的2号、3号和8号至12号监测点电位发生正向偏移(其中9号监测点附近有阴保站，电位发生反向偏移)，为电流流出位置。靠近接地极位置监测点通电电位负向偏移约-7 000 mV，远离接地极位置监测点通电电位正向偏移约+0.5 mV，表明靠近接地极的管段受干扰程度大于远离接地极端管道受干扰程度。A1管线在受到接地极放电干扰时，管道分为3个杂散电流流入流出管段(除9号监测点有阴保站)，管道中间段电位负向偏移，为杂散电流流入段；管道两端电位正向偏移，为杂散电流流出段，管道中间段和两端互为杂散电流的流入流出点。

图2 A1管线受接地极干扰通电电位

图3 A2管线受接地极干扰通电电位

A2管线靠近接地极位置的1号至5号监测点电位均发生负向偏移，电流从1号点流入管道，远端6号和7号监测点均发生正向偏移，电流流出管道(见图4)。靠近接地极位置1号监测点通电电位负向偏移约-400 mV，远离接地极位置监测点通电电位正向偏移约+0.1 mV，再次证明靠近接地极的管段受干扰程度大于远离接地极段管道受干扰程度。A2管线在受到接地极放电干扰时，管道分为两个杂散电流流入流出管段，管道靠近接地极段电位负向偏移，为杂散电流流入段；管道远离接地极段电位正向偏移，为杂散电流流出段，管道两端互为杂散电流的流入流出点。

图4 管道杂散电流流入流出示意

A1天然气管道全长约779 km，接地极A与管道垂直距离约37 km；A2天然气管道距离接地极直线距离大于220 km，管线长度约为105 km。根据干扰监测结果，A1管线受接地极放电影响管段为2号监测点到12号监测点，管线长度约为700 km；A2管线受接地极放电影响管段为1号监测点到7号监测点，管线长度约为105 km。

对高压直流接地极A在2017年全年监测到对管道的干扰情况进行统计分析，在年初和年末，均未监测到干扰情况，6月份监测到干扰情况最多，达到8次，见图5。在每个月干扰次数的基础上进行干扰时间的统计，除6月份干扰时间达到80 h外，其他月份均不超过5 h，见图6。

图5 接地极A全年干扰次数统计

图6 接地极A全年干扰时间统计

5 结 语

(1)通过在接地极附近监测管道上设置一定数量的电位监测点，可以准确监测到高压直流输电工程接地极对管道的干扰影响，同时通过干扰点及其干扰电位，分析出接地极对附近哪条管线有干扰及干扰程度和影响范围。

(2)2017年监测到A接地极干扰次数较2016年有所下降，但干扰时长较2016年有所增加。

(3)接地极与管道的垂直距离越近，靠近接地极位置的管道干扰程度越大，干扰范围越广。接地极位于管道一端时，管道两端互为杂散电流流入流出点；接地极位于管道中间位置时，管道两端和中间互为杂散电流流入流出点。

(4)A1管线受接地极放电影响管段长度约为700 km；A2管线受接地极放电影响管段长度约为105 km。