高压直流输电线路单极大地回路电流运行方式对天然气管道的影响

周亚驹

摘要：高压直流输电线路在系统调试或发生故障情况下，会处于单极大地回路电流运行方式。本文测试了鱼龙岭接地极单极大地回路运行时，对广东管网天然气管道的影响。得到了接地极的入地电流对管道的影响规律，入地电流大小与管道电位的关系，站场、阀室接地网与管道跨接对干扰的缓解效果，入地电流对管道极化电位的影响。提出了高压直流输电线路单极大地回路运行时，管道存在的风险。

关键词：高压直流输电线路;杂散电流;天然气管道;接地极;管道电位

引言

随着国民经济迅猛增长，电力系统输送容量不断增大，而我国能源分布又远离负荷中心[1]，同时高压直流输电线路与高压交流相比较，输送相同功率时，线路造价低、线路损耗小，因此近年来高压/特高压直流输电系统快速发展。

接地极是直流输电工程中的重要设施，它在单极大地回路和双极运行方式中分别担负着导引入地电流和不平衡电流的重任[2]。直流输电线路采用单极大地回路电流运行方式时，泄放入大地中的电流有数千安培，双极运行方式时，通过接地极泄入大地中的不平衡电流小于额定电流的1%，电流值相对较小。直流输电线路大地回路电流运行或不平衡电流通过直流接地极泄入大地时，必将使附近土壤中各点的地电位发生变化，接地极电流引起的地电位升会使接地极周围的不同地点间产生电位差，这一电位差会在埋入地中的金属构件中产生电流，从而导致地下和地面金属构件产生腐蚀，对于距接地极较近且长度较大的金属构件，产生的腐蚀影响更为明显[3]。

本文在鱼龙岭接地单极大地回路电流运行方式下，研究了接地极泄放入电流至大地时，对广东管网天然气管道影响的规律，入地电流大小与管道电位的关系，站场、阀室接地网与管道跨接对干扰的缓解效果，入地电流对管道极化电位的影响。

1.管道和接地极简介

1.1管道简介

广东管网天然气管道一期工程包含了广惠干线（广州站至惠州站）约150公里、鳌广干线（鳌头站至广州站）约39公里、广肇干线（鳌头站至肇庆站）约163公里、东莞支线约19公里、清远支线约7公里、韶关支线约64公里管道。该管线全线共设置了13座站场、20座阀室。全线采用了3PE防腐层和强制电流阴极保护方式，于管道沿线分输站及分输阀室共设置了6座线路阴极保护系统（鳌头首站、广州分输站、潼湖分输阀室、清远分输阀室、三水分输站、肇庆分输站），干线上共设置10个绝缘接头，分别分布在鳌头首站两个，石角阀室一个、三水分输站一个、肇庆分输站一个、广州分输站两个、增城分输站兩个、惠州分输站站一个。

1.2接地极简介

鱼龙岭接地极位于清远市飞来峡区江口镇鱼龙岭，接地极采用同心双圆环水平铺设布置，内外环直径分别为700米和940米，电极内环采用Φ60钢棒，埋深3.5米，电极外环采用Φ70钢棒，埋深4米。焦炭断面尺寸1.1m×1.1m（外环）、0.7m×0.7m（内环），接地极的形貌见图1。鱼龙岭接地极为云广±800kV、贵广II回±500kV直流输电线路增城穗东换流站和深圳宝安换流站共用接地极[4]。云广±800kV特高压直流输电线路，容量500万千瓦，故障状态下最大入地电流3125A;贵广II回±500kV超高压直流输电线路，容量300万千瓦，故障状态下最大入地电流3000A。

1.3管道和接地极相对位置关系

鱼龙岭接地极中心距离广东管网天然气管道的垂直距离约为2.8km，距离鳌头首站的直线距离约为10.1km，距离清城阀室的直线距离约为9.9km。接地极外围圆环距离广东管网管道的垂直最近距离为2.3km。

1.4接地极单极大地回路运行对管道的影响

接地极单极大地回路电流运行方式主要出现在以下几种情况：（1）高压直流输电系统投产初期的调试阶段;（2）运行期间进行系统的设备或者线路检修过程中;（3）输电系统的线路出现故障时。

在单极大地回路电流运行方式中，利用一根或两根导线和大地构成直流侧的单极回路，见图1。在该运行方式中，两端换流站均需接地，大地作为一根导线，通过接地极入地的电流即为直流输电系统的运行电流。

1.4.1接地极单极大地回路运行对管道不同位置的影响

由有关数据可以看出，接地极运行极性为阴极时，在同一绝缘管段（两端存在绝缘接头的管段）内的管道，靠近接地极位置管道流出杂散电流，电位往正方向偏移，如鳌头往从化方向、鳌头往清远方向、鳌头至清城4#桩位置，形成管道的阳极区，管道存在杂散电流腐蚀的风险[4];远离接地极位置管道流入杂散电流，电位往负方向偏移，如清远阀室、石角阀室上游，形成管道的阴极区，管道存在阴极剥离和氢脆的风险，杂散电流的流动方向见图2。管道中最大最小的电位值出现在离接地极最近的位置和同一绝缘管段内离接地极最远位置。

对比离垂直距离相同两个位置广州出站和石角阀室下游的管道电位，广州出站位置电位远高于石角阀室下游，表明广州出站位置干扰程度大于石角阀室下游位置。两个位置不同点在于广州进站绝缘接头采用固态去耦合器将站外管道与站内接地网跨接，接地网接地电阻较管道小，造成此处管道的杂散电流流入增加，使得下游管道的杂散电流流出增大，因此下游管道受干扰程度升高。说明在受干扰的管道中存在绝缘接头，能降低绝缘接头下游管道受杂散电流的干扰程度。

不同绝缘管段，离接地极越远，受接地极干扰程度越低，见表1石角阀室至三水站段和三水站至永安阀室段管道的电位偏移情况。

测试结果显示，在受干扰情况下，绝缘接头两侧管道的电位的极性是相反的，绝缘接头的一侧管道电位往负方向偏移，另外一侧管道电位往正方向偏移，说明两侧分别形成了杂散电流流入流出点，见图3。因此在受到杂散电流干扰情况下，绝缘接头位置是一个腐蚀风险点。

1.4.2接地极入地电流大小和管道的关系

本次实验测试接地极单极大地回路电流阴极运行1000A、1200A、1350A、1800A、2100A、2250A和3000A电流时，鳌头至清城阀室4#号桩位置的管道电位的变化，见图7。测试结果可以看出管道电位和接地极入地电流成正比。由于接地极放电时，接地极和管道附近的环境不变，整个电流流经的回路电阻不变，因此管道电位随接地极入地电流增加成正比例关系上升。

1.4.3接地极单极大地回路电流运行对管道极化电位的影响

接地极单极大地回路电流运行时，采用极化试片测试管道在杂散电流干扰下管道的极化电位。本次在四个位置进行管道极化电位的测试：（1）鳌头站往清远方向绝缘接头外侧管道、（2）从化站绝缘接头外侧管道、（3）广州站进站绝缘接头外侧管道、（4）鳌头至清城阀室4#号桩。

测试结果显示，在接地极单极大地回路电流运行时，杂散电流流出的位置（1）、（2）、（4），管道的极化电位正向偏移到1V左右，远高于阴极保护的-0.85V准则要求，存在重大的杂散电流腐蚀风险;在电流流入的位置（3），极化电位负向偏移至-1.7V，远低于阴极保护的-1.2V准则要求，处于过保护状态，存在重大的阴极剥离和氢脆的风险。

2.采用站场接地网与管道电连接的缓解效果

由于接地极单极大地回路电流运行时，造成进出站位置绝缘接头两端电位差增大，因此在测试过程中，采用固态去耦合器将绝缘接头的外侧管道与站内接地网进行跨接，固态去耦合器的直流阀值为±2V，当绝缘接头两端的电压差大于2V是，固态去耦合器导通，站外管道与站内接地网形成了电连接。

在接地极单极大地回路电流运行1000A时，通过断开鳌头去清远方向固态去耦合器，测试断开前后管道电位变化情况。

鳌头去清远方向跨接断开后，站外管道电位从16V偏移到25V，4#测试桩管道电位从46V偏移到53V，清城阀室电位从-0.4V偏移到-0.2V，表明此段管道表面流出的电流增加;同时源潭阀室、清远阀室、石角阀室上游电位负向偏移量减小，表明此段管道表面吸收的电流减小;石角阀室下游管道正向偏移量减小，流出电流减小。测试结果可以看出，当鳌头去清远方向跨接时，原来从管道表面流出的杂散电流，部分通过站内接地网流出，使得管道的电位正向偏移量减小，对跨接位置的干扰有缓解作用。同时由于接地网与管道跨接后，杂散电流流经的回路电阻降低，靠近接地极段整体流出的杂散电流增加，造成远端管道吸收的电流也需要增加，使得吸收电流管道的电位负向偏移量增加，增大了阴极剥离和氢脆的风险。

3、接地极单极大地回路电流运行时管道存在的风险

3.1接地极单极大地回路电流运行3000A时，测试到管道最正电位达到140.5V，最负的电位达到-12.5V，管道的最正电位远高于标准规定的人体安全电压35V，管道操作人员存在触电的危险。

3.2接地极单独大地回路电流运行时，管道上存在高电压，管道上附属设施和设备存在损坏的风险，阴极保护系统的恒电位仪均无法工作，无法对管道进行有效的阴极保护。

3.3接地极单极大地回路电流运行时，在电流流出的位置存在重大的腐蚀风险;在电流流入的位置存在重大的阴极剥离和氢脆的风险。

4、結论

4.1接地极单极大地回路运行的影响范围很广，运行为电流3000A时，管道最正电位达到能140.5V。管道中最大最小的电位值出现在离接地极最近的位置和同一绝缘管段内离接地极最远位置。在受干扰的管道中存在绝缘接头，能降低绝缘接头下游管道受杂散电流的干扰程度，绝缘接头两侧管道的电位的极性是相反的，绝缘接头的一侧管道电位往负方向偏移，另外一侧管道电位往正方向偏移

4.2管道电位与接地极入地电流成正比;

4.3管道与站场或阀室的接地网进行电连接，能降低跨接位置管道的电位，使得跨接位置管道表面流入流出的电流减小，降低跨接位置管道的腐蚀和氢脆的风险，但是杂散电流通过接地网流入流出，使得管道整体流入流出的电流增加，会造成管道另外一端的杂散电流流入流出增加，增大远端管道腐蚀和氢脆的风险。

4.4接地极单极大地回路电流运行，造成管道电位值升高，给管道操作人员带来触电的风险，同时会造成管道上设施或设备发生损坏，使得管道在电流流出的位存在腐蚀风险;管道电流流入的位置存在阴极剥离和氢脆的风险。

参考文献：

[1] 李文文，刘超，邹军，袁建生.高压/特高压直流输电线路对邻近金属管道危险影响暂态分析[c].中国电机工程学会电磁干扰专业委员会第十二届学术会议.武汉：2012.

[2]陆家榆，鞠勇，薛辰东，庞廷智.直流接地极测试方法研究[c]. 中国电机工程学会电磁干扰专业委员会第九届学术会议.北京：2004.

[3] 胡毅. 直流接地极电流对输电线路接地构件的腐蚀影响研究[J].中国电力，2000，33（1）.

[4] 程明，张平. 鱼龙岭接地极入地电流对西气东输二线埋地钢质管道的影响分析[J]. 天然气与石油.2010，28（5）.