高压直流接地极对埋地管道干扰规律的研究

江西省天然气管道有限公司 严 俊

随着我国经济快速发展，城市持续扩容，局部区域对能源需求急剧上升。西部、北部近80%的能源资源分布与中部、东部近70%的能源需求，这种能源产地与能源需求分布相矛盾的现象使得油气管线、电力输送得到了快速的发展。高压直流输电线路与埋地管道路有公用现象使得管道不可避免地受到了高压直流接地极的干扰。国内外就高压直流接地极对埋地金属干扰问题多有报告。

本文利用数值模拟的方法，就高压直流接地极对埋地管道干扰规律进行了若干研究，包括高压直流接地极不同工况下对管道干扰规律、土壤电阻率、管道-接地极间距及管道接地系统对干扰影响规律。通过数值模拟的研究掌握了直流接地极对管道干扰影响规律，研究结论可以为干扰预测及缓解提供理论依据。

1 高压直流接地极干扰原理

高压直流输电是将交流电转化为直流电输电，在受端逆转为交流电降压进行供电的输电方式，其运行方式包括双极运行和单极运行。

双极运行多为双极对称运行，但调试过程中可能存在短时间双极不对称的运行方式。

单极运行分为单极大地回线运行和单极金属回线运行两种，电路示意分别见图1和图。单极大地回线运行是通过接地极接地与输电线路形成闭合回路从而实现输电，此时接地极入地电流与输电线路电流相同，接地极入地电流对周边管道易产生干扰；单极金属回线运行则是利用金属导线与输电线形成闭合回路，此时接地极入地电流为零，对管道不产生干扰。

图1 单极运行方式电路示意

高压直流输电正常工况下为双极对称运行，此时输电线路中两线路分别利用接地极形成闭合回路以阳极、阴极极性运行，经接地极入地电流矢量和为零，理论上接地极对管道不产生干扰。实际工程中，受设备运行差异，双极对称运行时存在不平衡电流，数值上为输电电流的 1%左右。当双极不对称运行时，阴极、阳极电流不等，接地极入地电流为两电流差值，入地电流对管道产生或阳极或阴极极性干扰。

图2 双极运行方式电路示意

接地极存在入地电流时对于周边环境而言就形成了直流干扰源，易对周边金属产生直流干扰。当接地极阳极运行，电流流向大地时，对周边金属产生阳极干扰，受干扰金属表现为临近点吸收杂散电流、电位变负，远端金属流出电流、电位变正；接地极阴极运行时，临近金属受阴极干扰。

2 数值模拟实例参数

雅中-江西±800 kV 高压直流输电工程中莲湖极址接地极采用双同心圆环设计，接地极埋深3 m，内外环直径为225 m和300 m，馈电材料为FeCrSi，内外环焦炭面积为0.75 m2、0.80 m2。直流输电工程设计额定输送功率为8 000 MW，额定电流5 000 A，不平衡电流10 A，过负载电流6 266 A。管道材质为L451，管径DN500，管中心埋深2 m，防腐层为3PE，面电阻率为100 000 Ω·m2。土壤电阻率为100 Ω·m。

接地极与管道位置关系见图3，其中接地极距离左右两侧管道最近距离分别为39.2 km、36.8 km，两侧管道端部方向距接地极的最远距离分别为90.0 km、70.7 km，管道中部距接地极最远距离为59.6 km。

图3 接地极与管道相对位置关系示意

3 研究结果与讨论

3.1 接地极入地电流极性对管道干扰影响

接地极入地电流分为阳极电流、阴极电流。数模计算了在额定5 000 A入地电流下管道受干扰情况，由图4可知，阳极、阴极运行工况下，管道受干扰情况正好相反，这是因为阳极电流、阴极电流下接地极引起的大地电位升大小相同、极性相反。管道干扰强度最大的位置为接地极最近端及最远端，因为该位置地电位升差值最大处为管道受干扰提供最大驱动电压差的位置，即为杂散电流流入、流出最大的区域。

图4 阴极、阳极单极运行下管道干扰情况

3.2 接地极入地电流大小对管道干扰影响

雅中-江西±800 kV 高压直流输电工程设计额定电流为5000 A，不平衡电流为10 A，过负载电流6 266 A。案例计算了10 A、50 A、100 A、1 000 A、2 000 A、3 000 A、4 000 A、5 000 A和6 266 A共计9种电流大小下接地极对管道干扰情况。管道受干扰电位情况见图5，可以看出接地极入地电流越大，管道受干扰越严重。入地电流越大，地电位升越大，管道受干扰驱动电压增大，干扰增强。

图5 接地极入地电流干扰影响

3.3 管道与接地极间距对管道干扰影响

DL/T 437－2012《高压直流接地极技术导则》条文4.2.4中指出极址10 km范围内不宜有埋地金属管道；条文6.1指出极址10 km范围内不能避开金属管道时应对金属管道进行腐蚀影响评估，若存在影响应考虑搬迁或者采取适当保护措施。可见管道-接地极间距对干扰影响极大。本研究以距接地极最近点36.8 km方向为例，模拟计算接地极在额定5 000 A入地电流下管道与接地极间距为36.8 km、18.4 km、9.2 km、4.6 km时管道受干扰情况，结果如图6所示。由图6可知，间距越大，管道所在土壤地电位升越小，干扰驱动电压减小，管道受干扰强度越小。

图6 管道-接地极间距干扰影响

3.4 土壤电阻率对管道干扰影响

本研究模拟计算了接地极在双极对称不平衡10 A运行、额定5 000 A单极运行时不同土壤电阻率 10 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m、200 Ω·m 下管道受干扰情况，如图7所示。由图7可知，双极对称不平衡10 A运行时，管道电位基本无偏移，最大偏移量仅3 mV，小于标准BS/EN 50162－2004规定的20 mV，双极对称运行下接地极对管道无影响。

随着电阻率增大，管道土壤地电位升增大，干扰驱动电压增大，管道受干扰增大。为此，为减小接地极对管道干扰情况应综合考虑土壤电阻率情况，土壤电阻率较大时应考虑增大管道与接地极间距以减小干扰。

图7 土壤电阻率对管道干扰影响

3.5 管道接地对管道干扰影响

管道沿线共存在阀室、站点共计 15座，本研究模拟计算了阀室、站点接地系统与管道电导通、电绝缘情况下管道受干扰情况变化，如图8所示。由图8可知，当管道与接地系统电导通时，杂散电流量增大为不接地时的2.2倍；接地系统极大的影响了临近管道的电位情况，管道阳极干扰区域电位变正，阴极干扰区域电位变负，且管道受干扰强度越大处接地系统对其影响越大。

图8 管道接地系统对干扰影响

对 15处接地处管道电位变化情况、接地系统杂散电流情况进一步梳理，发现接地系统杂散电流与管道电位变化成正相关关系，如图9所示。土壤电位升越大，管道干扰强度越大，此时接地系统引入或流出杂散电流越大。同理，临近管道因存在更低的电流路径接地系统，管道受杂散电流影响减小。可见，在干扰缓解设计中应优先于干扰强度较大处进行设计。

图9 管道接地杂散电流对干扰缓解影响

4 结语

(1)接地极阴、阳极运行情况下，接地极引起的大地电位升大小相同、极性相反，此时对管道干扰情况基本成对称分布；

(2)接地极对管道干扰随入地电流、土壤电阻率增大而增大；随管道-接地极间距增大而减小。土壤电阻率较大时，应增大管道-接地极间距以减小干扰；

(3)双极对称运行接地极入地电流为10 A时，接地极对管道无干扰影响；

(4)管道接地后，引入杂散电流增大，但降低了管道干扰强度。接地对于缓解干扰强度是有效的，干扰强度越大位置，接地缓解效果越明显。接地排流量越大，管道电位变化越大，即排流量与干扰强度变化量存在正相关关系。