高压直流输电系统对埋地管道干扰及防护研究进展

姜子涛，董绍华，刘冠一，汪麟，董廷涛，张玉楠

高压直流输电系统对埋地管道干扰及防护研究进展

姜子涛1，董绍华1，刘冠一1，汪麟1，董廷涛1，张玉楠2

（1.中国石油大学（北京），北京 102249；2. 北京科技大学，北京 100083）

为了让相关人员更好地了解高压直流干扰领域研究现状，通过对国内外相关领域研究成果的总结，介绍了高压直流输电系统接地极和线路对埋地管道干扰的产生方式，分析了高压直流干扰对埋地管道的危害类型、评价指标研究现状以及现有防护措施的类型和优缺点。在此基础上，总结了目前该领域的研究重点和难点，指出了未来高压干扰问题的发展方向，为相关研究人员和工程人员提供参考和借鉴。

高压直流；埋地管道；接地极；干扰评价；干扰防护；干扰危害

我国是制造大国，对电力、石化等能源需求旺盛，然而由于能源供给方与需求呈现逆向分布，因此需要对能源进行大范围调度。近年来我国全力发展高压电网和长输油气管网[1-2]，截至2017年底，我国油气长输管道总里程已达1.314×105km[3-6]。按照规划，到2025年，长输油气管道总里程将达到2.4×105km[7]。与此同时，我国正全力建设全国范围内的特高压坚强智能电网，而高压直流输电技术（HVDC）具有塔结构简单、输送容量大、造价低、损耗小、不易老化、寿命长、输送距离不受限制、不存在交流输电的稳定问题、可方便进行分期建设和增容扩建等特点，日益成为远距离跨区域电能输送的重要手段[8-11]。目前，我国是世界上高压直流输电工程数量最多，输送距离最长，电压等级最高的国家。预计2020年，全国将建成直流输电工程38项，线路长度达5.23× 104km[12-13]。

伴随着油气管道和高压直流输电工程的突飞猛进，高压直流输电系统与油气管道网络系统纵横交错，高压直流输电系统对管道的干扰问题也逐渐暴露出来。曹国飞等人[14]报道了西气东输巡检人员在日常巡检中先后发现多处管线阀室的引压管、绝缘卡套接头出现放电现象，导致引压管出现烧穿、泄漏事故。现场测试结果显示，翁源接地极放电时，对西二线广东段造成的干扰，导致管地电位波动可达304 V，管内电流高达121 A。此外，在上海天然气管网、浙江省金丽温输气管道、江苏甬沪宁管道、西气东输新疆段等也相继发现不同程度的高压直流输电系统对埋地管道的干扰问题[15-18]。在国外，虽然也建设了一些高压直流输电工程，但是其对管道的干扰水平较低。如Peter Nicholson[19]报道了北美地区魁北克-新英格兰直流输电工程建成后，对附近管道产生的干扰仅为0.3 V。Verhiel[20]现场测试了B. C. Hydro高压直流输电系统对Trans Mountain管道系统的影响。其对入地电流进行了等比例换算，结果显示，直流接地极入地电流达到1200 A时，管地电位偏移最高仅为0.264 V。C E Caroli[21]现场调研了巴西±600 kV Itaipu输电工程对周围埋地管道造成的干扰，现场测试结果显示，管道受到干扰后的管地电位最高为21 V。由此可见，相较于国外，我国面临更为严峻的高压直流杂散电流干扰问题。

随着高压直流输电网和油气管网的发展，高压直流输电系统干扰问题日益增多，引起国内学者的广泛关注。然而，目前对于高压直流干扰的评价以及防护研究处于起步阶段，国外也没有相关可借鉴的成熟经验。鉴于此，文中基于目前高压直流输电系统对埋地管道的干扰及其防护措施的研究现状进行了介绍与分析，并对目前存在的问题和未来的发展进行了探讨和展望。

1 高压直流输电系统对管道干扰的产生

高压直流输电是以直流电的方式实现电能传输的工程。在送端换流站，将发电系统发出的交流电转换成直流电，然后通过输电线路将电能送往受端，在受端换流站内，将直流电变换为交流电，送到配电系统供用户使用（如图1所示）[22]。直流输电系统按照结构主要分为2种，即单极系统和双极系统。单极系统的线路结构简单，造价较低，国际上采用单极系统的直流工程主要分布在欧洲地区。如瑞典至丹麦的康梯-斯堪工程、瑞典至芬兰的芬挪-斯堪工程、丹麦至德国的康特克工程等[23-24]。由于单极系统将大地（或海水）作为回流线，通过接地极泄放大量电流入地，对接地极附近的埋地钢质管道造成电腐蚀。此外，还会对变压器造成直流偏磁等问题。因此，目前我国大多数高压直流输电系统采用双极系统结构。我国大部分高压直流输电系统采用双极两端中性点接地方式，即两端换流站的中性点均接地，两极导线分别和正负极相连，构成闭环回路。这种方式实际是由2个独立的单极大地直流供电回路构成。在系统正常运行时，两回路在大地回线中的电流方向相反，因此总泄漏电流为两极电流之差。

图1 双极两端中性点接地直流输电系统构成原理[22]

1.1 接地极对埋地管道的干扰

高压直流输电系统对埋地管道的干扰，按照干扰来源可分为接地极对管道的干扰以及输电线路对管道的干扰。对于双极两端中性点接地高压直流系统，主要运行方式有4种。

1）双极对称运行方式（如图2a所示），是双极高压直流输电系统一般运行方式。理论上，该方式下两极的电压和电流均相等，此时大地中无电流流过。实际工况下，两极之间的电流并不能保证完全一致，会有一定的不平衡电流通过接地极流入大地。一般来说，不平衡电流通常小于额定电流的1%[25]。如对于常见的1000~5000 A直流输电系统，其不平衡电流为几十安培量级，因此也会对周围管道产生干扰。文献[17]就报道了高压直流输电系统双极对称运行方式下对埋地管道通电电位影响可达几百毫伏（如图3所示）。由于高压直流输电系统大部分情况下以此方式运行，从而对附近的埋地管道产生持续干扰。虽然双极对称方式运行下入地电流较低，但是干扰时间较长，其对管道腐蚀的积累效应明显，因此实际工程中不应忽略高压直流输电系统不平衡电流对管道的影响。

图2 高压直流输电系统的运行方式

图3 直流输电系统双极对称方式下对埋地管道的干扰[17]

2）单极大地回线方式（如图2b所示）。在直流输电系统一极进行检修或发生故障等情况下，该极回路停止运行，系统采取单极大地回线方式运行，管道行业也称之为“放电”。此时，会有大量电流（可达几千安培）通过接地极进入大地，对周围很大范围内的金属结构物产生强烈干扰。在西气东输广东段管道上测试到的304 V干扰，正是由于这种工况导致的[14]。当其入地电流为正（阳极放电），靠近接地极管道电位负向偏移，远离接地极管道正向偏移。反之，入地电流为负（阴极放电），靠近接地极管道电位正向偏移，远离接地极管道负向偏移（如图4所示）。由于该方式并不是高压直流输电系统的常规运行方式，因此其出现概率和持续时间尤为重要。在高压直流输电工程建设完成初期，需要对系统进行调试，此时常常需要切换单极大地回线方式运行，放电时间较长，有时会连续1周以上。随着直流输电系统运行逐渐趋于稳定，放电时间逐渐减少。文献[26]对我国西北地区、华中地区、华东地区及华南地区的17个高压直流接地极对周围管道的干扰情况进行了现场长时间的连续监测，结果（见表1）显示，高压直流接地极放电总时长占全年时间的比例最大不超过1.2%。

表1 高压直流接地极单极大地回线运行时长[26]

Tab.1 The time of HVDC earth return mode[26]

图4 直流系统单极大地回线方式下对埋地管道的干扰

3）双极不对称运行方式（如图2c所示）。当受端两个系统分别属于不同的供电系统时，可能导致两极的电压、电流相差较大，此时大地中的电流为两极电流的差值。由于这种方式下通过直流接地极的电流较大，而且作用时间较长，因此对附近的埋地金属结构产生的干扰严重。该运行模式在国内应用较少，在调试阶段或者特殊情况下，可能出现一段较长时间的双极不对称运行。在平常运行中，应尽量避免长期双极不对称运行。

4）单极金属回线方式（如图2d所示）。当输电系统换流站或接地极发生故障时，还可能采取单极金属回线方式运行，此时两极线路构成闭合回路。该方式下，所有电流通过输电线路组成的回路运行，没有电流通过接地极进入大地，因此对附近的金属结构干扰最小。

1.2 线路对埋地管道的干扰

输电线路一般通过电磁耦合的形式对埋地管道产生干扰。对于高压直流输电线路，理想情况下，其恒定的直流电流不会对埋地管道产生电磁感应影响。由于高压直流输电系统的电力来源为发电机组产生的交流电整流得到的直流电，因换流器的非线性特性，所以在其直流电流中不可避免地存在交流谐波。图5为文献[27]中提供的直流线路上的电流时域波形。由图5可见，在直流电流的基础上，还叠加有周期的信号，即谐波电流。与交流输电线路电流的影响相同，高压直流输电线路上的谐波电流也会在埋地油气管道上产生交流感应电压。该文献还利用CDEGS数值模拟软件计算了某±800 kV特高压直流输电线路的谐波对埋地管道的干扰，结果显示，该高压直流输电系统的谐波总的有效值不超过20 A（见表2），其对管道产生的交流干扰电压最大为0.4 V，交流电流密度最大值为5.3 A/m2。按照GB/T 50698—2011中的相关标准，干扰程度较小[28]。目前国内外对于高压直流输电线路谐波对埋地管道干扰的相关研究和工程案例较少，还不能完全确定其干扰程度是否可以忽略。从目前公布的少量相关研究成果以及笔者曾经在西部管道进行的测试结果显示，高压直流输电系统的谐波确实没有对管道产生较为严重的干扰问题。

图5 特高压直流线路上电流时域波形[27]

表2 高压直流输电系统的谐波电流[27]

Tab.2 Harmonic current in HVDC system[27]

2 高压直流输电系统对管道的影响研究

2.1 对管道的危害

高压直流输电系统对油气管道的干扰主要表现在以下几个方面。

1）管地电位偏高导致的人身安全风险。当有大量电流通过直流接地极进入大地时，会导致直流接地极附近的大地电位相对于远大地发生大幅抬升，而管道由于有防腐层的隔离，使得管道金属与附近土壤之间可能存在比较大的电位差。如果管道与附近大地之间的电位差超过人体安全电压时，有人员接触管道外露部位（如测试桩引线、管道地上部分等），可能导致人身伤害。

2）管地电位偏高导致的设备安全风险。出于保证电气安全需要，管道上的设备一般要进行接地，但是接地网材料（如铜、镀锌扁铁、接地模块等）会消耗大量的阴极保护电流。为了防止阴极保护电流在接地网上的散失，常常采用绝缘装置将接地网与埋地管道进行绝缘。同样的，大量电流通过直流接地极进入大地时，使得管道金属与附近土壤之间可能存在比较大的电位差。当电压超过空气的击穿电压时，会导致绝缘设备产生击穿、烧蚀等损害，甚至可能导致失火爆炸等事故，威胁管道运行安全。广东地区某管道受到高压直流干扰产生的气液联动阀引压管放电打火及烧蚀情况如图6所示。此外，高压直流电流入地后，会从接地网进入油气管道站场变压器，导致变压器直流偏磁，影响变压器的正常工作。

图6 高压直流导致的放电打火及绝缘卡套烧蚀

3）电流流出管道导致的腐蚀风险。当受到高压直流干扰时，管道上部分位置电流流出。根据腐蚀电化学理论，流出的电流引起氧化反应，对于钢质埋地油气管道，主要发生铁的腐蚀反应。根据法拉第定律可知，1 A的阳极电流1 a可造成9.13 kg铁的腐蚀，因此当流出管道的电流较大时，会对管道产生较为严重的腐蚀风险。

4）电流流入管道导致的防腐层剥离风险。管道防腐层的粘合剂一般是通过极性基团与钢材形成结合键，从而粘接在金属表面。当受到高压直流干扰时，管道上部分位置吸收电流（电流流入），使得这些位置处的土壤建立碱性条件，高浓度的OH–对防腐层与金属粘结界面的破坏作用，使金属/防腐层界面力学性能下降，引起防腐层剥离。此外，在电位梯度作用下，不仅使得阴、阳离子发生移动，同时也使得H2O分子朝管道阴极方向迁移，管道防腐层处含水量可能增大，H2O等极性分子能够显著影响金属和防腐层间结合键。因此，在电流流入管道区域，存在防腐层剥离风险[29-32]。

5）电流流入管道导致的氢脆及氢损伤风险。当受到高压直流干扰时，管道上部分位置吸收电流，根据腐蚀电化学理论，当管道吸收电流达到析氢电位时，将发生析氢反应。反应产生的氢一部分在钢材表面结合成氢气，氢气发生湮灭，对钢材产生氢损伤；一部分通过扩散作用进入钢中，在钢内部缺陷区域聚合成氢气分子，体积膨胀，产生内应力。在内应力和外部应力的联合作用下，可能导致管材产生氢致延滞脆性断裂，即管道氢脆[33-35]。

2.2 高压直流干扰的评价

对于高压直流干扰的评价，应从其主要的危害入手，针对每种危害进行评价。

1）人身安全风险的评价。按照人体对电流的反应可分为3种：感知电流，人体可以感觉到的最小电流，为0.7~1 mA；摆脱电流，触电后人体能够正常摆脱接触电结构的电流，为10~16 mA；致命电流，在短时间内能够致死的电流，其下限为30~50 mA。由于人体处于不同的干湿空气中，皮肤的接触电阻变化较大，可接受的电流与电压相乘得到的安全电压也会随着环境的变化而变化，GB 3805 《特低电压ELV限值》中规定的人体直流安全电压见表3。由表3可见，一般干燥环境下，安全电压为70 V；而当潮湿环境下（如下雨、下雪等），安全电压为35 V。埋地管道的地上结构（如测试桩、排流桩等）一般直接暴露于野外，可能在雨雪天气下有非工作人员接触到。鉴于此，笔者认为，应当按照较为保守的情况进行评价，即按照潮湿环境35 V的指标进行评价。

表3 稳态人体安全电压限值

Tab.3 Steady-state safety voltage limit for human

2）设备安全风险的评价。空气间隙的击穿临界电压，不仅受到空气湿度、气压和温度的影响，还与电极形状等密切相关。对于空气的击穿特性，国内做了大量的研究，并得出了相应的湿度校正方法、曲线和公式[36-38]。一般来说，棒-棒电极，平均击穿场强约为4.8~5.0 kV/cm。如此高的击穿电压按道理一般不容易发生击穿，但是现场却发现高压直流干扰下的放电现象。究其原因，是因为现场发生的是引弧放电，即引压管在风载、震动等因素的作用下发生接触引弧，拉开放电的过程。文献[39]利用实验室模拟试验，研究了不同电压下引压管的放电烧蚀问题。结果显示，固定间距下，0.01 mm的间距，需要210 V的电压才能击穿空气。而引弧放电过程，4 V以上的电压就可以产生明显的放电现象。目前，国内外关于高压直流干扰导致的引压管放电研究较少，还无法形成公认的评价指标。实际工程中，可以将引压管相互靠近的位置安装绝缘固定支撑进行物理隔离，消除打火放电的危害。此外，发生引弧放电需要4 V以上的电压，这与正常的阴极保护存在较大的差距。因此，可以在接地与管道之间安装限位导通装置（如固态去耦合器等）。当管道与附近大地电压差超过4 V时，将管道与接地导通，消除两者的电压差，从而消除放电危害。

3）管道腐蚀风险的评价。高压直流对管道的腐蚀评价应该从两方面入手。当直流输电系统双极运行时，其对管道的干扰是长期稳定存在的。如果想有效控制管道的腐蚀，应该按照GB/T 21447《钢质管道外腐蚀控制规范》的要求，保证管道的阴极保护电位处于有效区间。如在一般的土壤中，应保持管道的极化电位负于–0.85 V（vs. CSE）[40]。

当直流输电系统单极大地回路运行时，对管道产生的干扰较高，但是由于其全年放电时间仅有1%左右，因此，如果按照阴极保护有效区间进行防护，会给实际工程带来很大的难度。笔者认为，回归腐蚀风险最原始的评价目的是比较经济有效的做法，即通过计算最小允许壁厚结合管道预计的剩余使用年限，给出可接受腐蚀速率。对于实际管道在高压直流干扰下的腐蚀速率，可利用腐蚀监测技术，如使用ER探针等进行监测。文献[41]的研究结果显示，金属的腐蚀量与通过其界面的电流积分值满足法拉第定律，因此也可以通过监测试片上的电流，结合法拉第定律计算评价高压直流输电系统放电导致的管道腐蚀风险。需要注意的是，对于新建管道或直流输电系统，常常需要评价其可能带来的腐蚀风险。如果此时通过测试管道对地电压及电阻率，利用接地电阻公式计算流过试片的电流密度来评价腐蚀风险，会存在比较大的误差。这是因为高压直流干扰的电渗透效应显著。所谓电渗透效应是指土壤颗粒会吸附溶液中的离子形成双电层，扩散层和自由孔隙水中的可交换阳离子在外加电场的作用下，会拖拽着极性水分子一起定向移动。此外土壤中的离子根据其带电极性不同，也会随着电流出现定向移动。电场强度越强，电渗流速越大[42]。当管道上电流由金属流向土壤时，其电渗透作用使得水分子离开金属表面，导致金属表面土壤的含水量降低。土壤电阻率与含水量密切相关，当含水量降低时，电阻率增加。因此，随着高压直流干扰的进行，管道破损点处的腐蚀电流会逐渐下降（如图7所示）。当干扰电压较高时，电渗透导致土壤电阻率增加的过程很快（约几百秒），因此如果采用电压和土壤平均电阻计算电流密度会导致较大的误差。目前研究结果表明，这种电渗透会降低管道的腐蚀速率，也就是说采用平均电阻率进行计算时，其腐蚀速率计算结果相对保守。因此，在无法取得更加精确的腐蚀速率评价结果时，可以采用相对保守的方法进行估计，但是对设计人员或工程师来说，应该明白该结果与后期现场面片测试结果可能存在较大误差。

图7 直流电流密度随时间的变化曲线[41]

4）防腐层剥离风险的评价。相关研究表明，对于管道来说，当管地电位负于–1.2 V（vs. CSE）时，会发生剧烈的析氢反应，在管道附近的土壤产生大量的OH–，引起防腐层的剥离、起泡等[29-32,40]。笔者认为，对于直流输电系统双极运行工况，需要按照–1.2 V（vs. CSE）进行控制。对于单极大地运行情况，由于其干扰时间较短，OH–富集程度和其对防腐层的作用时间都比较短，因此可能与稳态情况有所不同。目前对于间歇性干扰下防腐层剥离性能相关研究还比较匮乏，导致高压直流干扰下的防腐层剥离风险评价还存在空白。笔者认为，开展防腐层剥离风险研究时，不仅要考虑高压直流干扰发生时段阴极电流对剥离性能的影响，还应该结合无干扰时土壤中OH–的扩散速率以及二次干扰是否有累积损伤等开展更加细致的研究工作。

5）氢脆及氢损伤风险的评价。GB/T 21447中指出，对于高强度非合金钢和屈服强度超过550 N/m2的低合金钢，需要考虑其氢脆风险。一般来说，当管地电位负于–1.2V（vs. CSE）时，会发生剧烈的析氢反应，因此氢脆风险也比较高。考虑单极大地回路方式对管道干扰产生的氢脆问题时，应该注意到管道上的析氢反应发生在管道防腐层破损处。防腐层破损面积越大，电流密度越小，因此表面的氢浓度越低，渗透进入钢本体内的氢浓度也低。防腐层破损面积较小时，电流密度大，表面的氢浓度越高，渗透进入钢本体内的氢浓度也高。防腐层破损较大时，其塑性损失对管道整体承压性能的影响更大，在这种情况下，如何评价氢脆的影响是需要考虑的。此外，当高压直流干扰消除时，常规阴极保护也会维持一定的表面氢浓度。这种情况下，氢的逸散和累积是需要开展系统研究的。

3 高压直流干扰的防护措施

3.1 远距离避让

对于新建管道及高压直流输电系统来说，采用远距离避让是最简单有效的降低管道干扰的方法。我国DL/T5224《高压直流输电大地返回系统设计技术规范》中提出：如果直流接地极与地下金属管道等地下金属构件的最小距离小于10 km时，应计算接地极的电流对这些设施产生的不良影响[43]。CSA Z662《Oil and Gas Pipeline System》曾提到，在一定的土壤中，高压直流输电系统接地极影响范围可达70 km[44]。目前，对于高压直流干扰下的安全距离国内外学术界还没有达成共识。

文献[45]利用数值模拟技术研究了高压直流接地极对埋地管道干扰产生的人身安全影响，并给出了相应的安全距离。其研究结果显示，钢质管道长度越长，所受的干扰越大，所需的安全距离越大。因此，对于长的线性结构，如埋地管道、铁路系统、公路钢筋路基、输电线路自身等，对高压直流干扰比较敏感。对于楼房结构钢筋、码头结构钢筋、短的桥梁等非线性结构，对高压直流干扰不敏感。土壤电阻率越高，干扰越严重，安全距离越大。因此，在丘陵、山地等地区，由于深层土壤电阻率较高，导致管道所受的干扰十分严重，需要的安全距离较远。管道防腐层电阻越高，干扰越严重，即3PE管道的干扰要高于普通的石油沥青管道。作者在论文中对不同参数下的安全距离，绘制了安全距离图谱，供设计人员使用。从其研究结果来看，对于大部分管道工况，管道与接地极相距超过40 km，其干扰电压低于人体安全电压。文献[18]利用数值模拟计算了5000 A入地电流对附近管道的干扰。通过研究，作者认为，随着直流接地极与管道距离的增大，管地干扰电位初期快速降低，然后缓慢降低。作者提出在实际工程中高压直流接地极与管道的安全距离至少为30 km，而且应评估高压直流接地极对周围60 km范围内管道的直流干扰影响。文献[46]的研究结果也认为，60 km是管道需要评估干扰的距离。

从学术上来说，管道所受的直流干扰水平与土壤电阻率、入地电流、管道长度、防腐层状况等诸多参数相关，而且这些参数对安全距离的影响很大。如在广东地区，相距几十公里以外的管道仍然受到很高的交流干扰。在上海等地区，距离10 km左右，管道的干扰就已经降到比较低的水平。因此，采用统一的“安全距离”显然不合适。工程上对于安全距离的需求很高，因为这种单一的评价指标便于指导工程中的初步判断。鉴于此，笔者认为可以对安全距离进行细分。

1）干扰风险弱的“安全距离”，该指标对应的是该距离下管道基本不会受到干扰。

2）干扰风险中等的“安全距离”，该指标对应的是管道上可能受到干扰，也可能没有干扰，但是即使受到干扰，采取一定的防护措施（或经济可行）可以消除管道干扰。对于该类情况，需要在系统建成以后进行复测，验证干扰水平，并进行相应的防护。

3）干扰风险强的“安全距离”，该指标对应的是在该情况下管道可能受到较强的且难以防护的干扰（或经济上不可行）。对于该类问题，应该及时调整接地极选址方案，或者开展详细的前期工作，通过相应的措施，可以避免管道干扰问题。

此外，安全距离的确定与高压直流的评价技术和指标密切相关，但尚无专门针对高压直流干扰各种风险的评价指标，这也为安全距离的研究带来一定的困难。

3.2 直流输电方防护措施

对于高压直流干扰问题，直流输电一方采取防护措施，可以降低其附近所有埋地结构的干扰程度，起到一举多得的作用。因此实际工程中，应优先考虑相关措施。直流输电方可采用的措施主要有以下几种。

1）入地电流控制。腐蚀是一个累积过程，显然直流输电接地极降低入地电流大小和时间可以有效降低管道所受的干扰。对于接地极放电时的电量，一般与工程的功率有关，一旦工程确定，改变难度较大。因此，对于入地电流的控制，主要在控制其放电时间。目前，电力行业已经开展了对高压输电系统可靠性的研究，以降低其故障率。此外，对于直流输电方，其迫切需要对放电的方式进行说明，即需要开展研究明确直流输电系统放电是少次每次放电时间长，还是多次每次放电时间短对管道的干扰风险较高。一种可以借鉴的思路是，通过计算确定不同入地电流下管道的干扰电位，再通过试验拟合得到干扰电位与金属腐蚀量的定量关系，从而将入地电流与金属腐蚀量建立起联系。根据管道能接受的腐蚀速率，确定不同入地电流对应的最大时长，形成放电限制电量值，为直流输电运行部门提供指导。

2）接地极极址优化。直流输电方可以通过优化接地极的选址，减小对周围管道的干扰。文献[47]计算了某接地极对管道的干扰，结果显示，采用原接地极极址（深层有岩石层，土壤电阻率高），其干扰程度很高，难以进行防护。更换为新的极址后（深层土壤电阻率较低），管道干扰大大降低，使得管道不需要施加新的防护措施。文献[48]的计算结果也显示，随着土壤电阻升高，接地极对管道的影响升高。文献[49]研究了双层土壤结构下表层土壤电阻率与深层土壤电阻率对干扰大小的贡献。结果显示，当表层土壤厚度小于150 m时，高压直流干扰程度主要取决于深层土壤电阻率；当表层土壤厚度为150~9000 m时，表层和深层土壤电阻率对高压直流干扰程度贡献相当；当表层土壤厚度大于9000 m时，高压直流干扰程度主要取决于表层土壤电阻率。由此可见，优化极址的关键是寻找土壤电阻率比较低的区域。由于相关研究结果显示几千米深度的土壤电阻率对干扰大小都有影响，如此大范围内的土壤电阻，用常规的Wenner四极法测试无法完成，工程上可采用电磁耦合法（EM）进行测试[50]。

3）改变接地极形式。文献[51]研究了双圆环型、星型和直线型接地极对管道的干扰大小，结果显示，相同入地电流下，双圆环接地极散流最为均匀，其附近管道所受干扰最小；直线型接地极散流最不均匀，其附近管道所受干扰最大。需要注意的是，该研究所建立的模型，管道处于接地极的正下方，距离接地极仅几米。实际工程中，接地极与管道的间距大多保持在几公里到几十公里。对于接地极距离管道较远的情况，接地极尺寸相对间距来说很小，可以看成点源，因此其形状对管道所受的干扰影响不大。文献[47]中计算研究了采用分体式接地极，即采用多个接地极代替原来单个接地极，管道所受干扰的变化。由计算结果可见，管道干扰所受干扰变化不大。这是因为虽然采用了分体接地极，但是分体的加权重心与原接地极差别不大，而且管道也处在等效3个分体式接地极的等效半径以外，因此效果不明显。由此可见，改变接地极形式主要是对于接地极与管道相距比较近的情况，当接地极与管道相距较远时，改变接地极的形式对干扰的影响不大。文献[52]讨论了将广东省4个高压直流接地极进行互联（如图8所示），形成一个大接地网群，从而减小每个接地极的入地电流，降低对周围管道的干扰。研究结果显示，接地极放射形互联方案可以有效降低高压直流输电系统对附近管线等设施的影响，而且具有可靠、灵活、扩展容易、性价比高的特点。如果今后有新建直流输电工程可以直接接入，无须再新建直流接地极。该方案也存在一定的缺点，如需要在一定的区域内存在多个直流接地极，且接地极间距较远。还需要在不同接地极之间建设连接导线，不但增加工程费用，而且不同接地极的分流量与回路电阻相关，由于距离较长，电阻计算困难。因此，各个接地极最终分流量与理论计算可能存在差异。这种方法为多个高压直流接地极地区的干扰防护提供了一种新的思路。对于地区建设多个高压直流输电工程时，应提前进行统一规划。

4）增加接地极埋深。增加接地极的埋深，可以增加接地极与管道的距离，从而降低管道的干扰风险。对于接地极与管道距离较大的情况（十几公里），增加埋深对于整体间距显得微不足道，因此不会有明显效果。如果深层存在电阻率较低的土壤层（如水层或者电阻率较低的金属、碳矿层），可以将直流电流在深层快速散流，从而有效降低其产生的干扰。

图8 多个接地极相互连接形成大接地网群[52]

3.3 管道方防护措施

GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》中第6章提出的治理防护措施，包括排流保护、阴极保护、防腐层修复、等电位连接、绝缘隔离、绝缘装置跨接、屏蔽等。该标准是我国油气管道直流干扰防护工作的主要技术依据。管道方可采取的主要防护措施如下。

1）分段绝缘。该方法是通过在管道上设置绝缘接头，降低管道长度，达到防护的效果。文献[46]计算了对管道进行分段绝缘后，管道的干扰程度。由计算结果（图9）可见，采用分段绝缘后，管道的干扰大幅降低（从2 V降低至1 V）。采用分段绝缘的方法进行防护需要特别注意：（1）在绝缘接头的两端会形成相反的电位，因此绝缘接头两侧的管道电位差较高，进行人身安全风险分析时，应考虑两侧电位之和满足安全限值；（2）由于绝缘接头两侧管道电位存在差异，对于输送电解质管道（如水、或者电解质较高的油气管道），可能在其内壁形成跨绝缘接头电流，导致绝缘接头发生内部腐蚀穿孔；（3）该方法的

图9 分段绝缘前后管道的干扰情况[46]

缓解效果与绝缘接头的设置位置密切相关，因此加装绝缘接头前，应对其进行详细计算，以达到最佳效果。

2）接地排流。该方法是在管地电位较高的位置安装低电阻接地体，将管道电位与附近电位进行“平衡”，降低管道干扰水平。该方法在地铁直流杂散电流、交流杂散电流防护中有比较成熟的应用。该方法的优点是锌带本身的作用是接地，不需要特殊的调控，整体结构简单，不需要外部供电，因此排流设施可以放置在野外。对于新建管道工程，可以将锌带与管道同沟敷设，大大降低工程费用。该方法的主要缺点在于由于锌带只有接地功能，因此其排流量取决于外部干扰大小，实际工程中可能需要放置比较多的锌带，达到排流目的。由于高压直流接地极放电为概率性事件，即大多数情况下，管道处于正常阴极保护状态，此时锌带可能由于管道的欠保护而提供阴极保护电流，加速锌带的消耗。因此，可以在锌带与管道之间安装限位装置，以延长锌带的寿命。在管道上安装锌带会导致难以通过通断恒电位测试管道的断电电位，这对日常阴极保护巡检造成一定的困难。

3）强制电流排流。该方法是在管道上安装大功率直流电源，利用电源驱动力强制电流从地床排出，达到防护的目的。北美Trans Mountain管道系统受到不列颠哥伦比亚至温哥华岛高压直流输电系统干扰，Verhiel等人[20]利用该方法，在高压直流干扰最严重位置设置了3处强制排流系统，通过施加反向电流，抵抗高压直流干扰，达到了较好的缓解效果。需要注意的是，采用强制电流排流方法需要强制电流系统比较可靠，以保证可以有效排流；对于高压直流干扰，其管中电流往往比较大，因此需要电源的功率较大；强制电流排流设置位置需要有外电，这也限制了其使用范围。有学者提出可以采用双向控制的强制电流电源用来防护管道的正向偏移和负向偏移。这种情况下，更需要强制电流系统的控制单元具有较高的可靠性，否则可能导致电源输出方向错误，引起更高的风险。

4 结语

通过国内外对高压直流输电系统对埋地管道干扰相关研究的调研，总结得出未来关于高压直流干扰的发展方向为以下几个方面。

1）高压直流接地极单极大地运行情况下，对管道的干扰的评价是目前国内外研究的重点问题。由于其具有干扰程度高、发生时间不固定、干扰的极性不确定等特点，使得原有的直流干扰风险评价方法和指标不再适用。因此，需要针对高压直流干扰风险进行详细系统的研究。目前亟需对遭受直流干扰管道的管体腐蚀风险开展调研，明确实际工程中管体的腐蚀风险。同时，建议开展现场腐蚀挂片结合实验室模拟试验，以确定高压直流干扰的腐蚀规律。对于高压直流干扰的其他风险（如氢脆、防腐层剥离），应开展广泛的探讨和探索研究，明确管道是否存在这方面的风险，什么条件下风险较高，为高压直流干扰问题精准评价提供依据。

2）对于高压直流干扰的防护，应在设计阶段就进行干扰范围和防护措施初步设计。从接地极极址的选择、保证“安全距离”等方面入手，最大程度地降低接地极对附近管道的干扰。目前对于安全距离的研究还没有形成共识，笔者也在3.1节中提供了如何将安全距离进行分级设置的思路，同时认为“安全距离”并不是一个精确结果，而是用于工程上初步判断风险高低的度量值。因此，希望未来通过相关研究的不断深入，以及工程案例的增加，逐渐形成较为合理的“安全距离”。

3）在高压直流输电一方施加减缓措施，可以有效降低干扰水平。目前，电力相关工作人员已经在这方面开展研究工作，包括增加电网的可靠性、改变接地极的样式、建立大区域的接地网群等。未来，电力行业技术人员应与管道行业技术人员相互结合，从两方面共同入手，破解高压干扰防护难题。

4）现阶段管道方防护措施相对来说比较传统，主要采用分段绝缘、接地排流以及强制排流等措施。目前的主要难点如何设置和优化防护措施的各种参数，以达到经济和效果的最优组合。笔者认为，可以借助人工智能、深度学习等技术寻求防护措施的自动优化设计。此外，可以向新的方向探索新型防护措施的可行性，如采用化学药剂抑制管体腐蚀，或者利用高密度能量诱导管体产生致密腐蚀产物膜抑制腐蚀等，为高压直流干扰防护提供更多的解决手段。

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Research Progress on Interference on the Pipeline Caused by HVDC Transmission

JIANG Zi-tao1, DONG Shao-hua1, LIU Guan-yi1, WANG Lin1, DONG Ting-tao1, ZHANG Yu-nan2

(1. China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China; 2. University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

In order to make relevant staff to better understand the research progress in the field of HVDC interference, this paper introduces the ways of generating interference to buried pipelines from earth grounding and transmission lines of HVDC systems, and analyzes the types of hazards of HVDC interference to buried pipelines, the current research status of evaluation indicators, and the types, advantages and disadvantages of existing protecting measures through a summary of research results in related fields at home and abroad. On this basis, the current research focus and difficulties in this field are summarized, and the future development direction of the HVDC interference problem is pointed out to provide reference for relevant researchers and engineers.

HVDC; pipeline; earth electrode; interference evaluation; interference protection; interference hazard

2020-12-11；

2021-01-27

JIANG Zi-tao (1991—), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: cathodic protection and stray current interference.

董绍华（1972—）,男，博士，教授, 主要研究方向为管道完整性管理。

Corresponding author：DONG Shao-hua (1972—), Male, Doctor, Professor, Research focus: pipeline integrity management.

姜子涛, 董绍华, 刘冠一, 等. 高压直流输电系统对埋地管道干扰及防护研究进展[J]. 装备环境工程, 2021, 18(4): 009-020.

TG172

A

1672-9242(2021)04-0009-12

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.002

2020-12-11；

2021-01-27

国家自然科学基金青年基金（52004312）；中国博士后科学基金（2020M670582）；中国石油大学（北京）科研基金（2462020YXZZ044，2462020YXZZ045，2462019YJRC012）

Fund：Support by National Natural Science Foundation of China (52004312); Chinese Postdoctoral Science Foundation (2020M670582); Science Foundation of China University of Petroleum Beijing (2462020YXZZ044, 2462020YXZZ045, 2462019YJRC012)

姜子涛（1986—）,男，博士，高级工程师，主要研究方向为阴极保护与杂散电流干扰。

JIANG Zi-tao, DONG Shao-hua, LIU Guan-yi, et al. Research progress on interference on the pipeline caused by HVDC transmission[J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(4): 009-020.