高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析

袁 洵，杜艳霞，梁 毅，秦润之

北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083

高压直流输电是一种用于远距离传输的高效率输电方式，具有容量大、损耗小、稳定度高等优点[1–5]. 目前，我国已有多条大型高压直流输电工程投产运行，例如西电东送工程、北电南送工程、向家坝–上海和哈密–郑州等高压直流输电工程，并且还有多条高压直流输电系统正在规划建设中[5–7].

通常高压直流输电系统接地极有双极模式和单极模式两种运行模式[8–9]，我国高压直流输电系统运行过程中多采用双极大地方式，但在建设投运初期、检修以及出现故障排查时，常采用单极大地返回运行方式，单极模式相对于双极而言，接地极放电影响范围大，干扰强度高[10–12]，这是因为在单极模式运行中多采用以大地为回路的运行方式，此时通过接地极可向大地注入高达数千安培的电流，这些注入土壤中的电流会产生电场，从而在附近的金属设施（如管道）中引入过大的电流和电压[13–15]，这些瞬间产生的大电流可能会加速管道腐蚀，产生打火放电现象，甚至烧毁附近的阴极保护设备[12, 16–19]. 目前，我国已经出现多起高压直流输电系统接地极单极放电引起的干扰问题，如广东省天然气管网有限公司鳌广干线受南方电网云广输电系统干扰时，多台恒电位仪烧坏，甚至发生机柜着火等事故[16]；鱼龙岭接地极放电导致在广东某天然气管道测试得到管道上的干扰电压高达 140.5 V (vsCSE)[17]（相对于铜–硫酸铜电极的电位）；在翁源接地极测试得到的距离接地极最近的管道位置通电电位正向偏移至 100 V (vsCSE)左右[18]. 上述案例的出现使得高压直流输电系统接地极对埋地管道的干扰问题引起了国内管道及电力行业的广泛关注. 尽管在国外有一些关于高压直流干扰研究的报道[20–21]，如早在1971年，美国学者就开始研究高压直流接地极对周围铸铁管道的干扰和危害[21]. 但是由于国内的电压等级不断提高，放电电流大，并且接地极与管道之间的间距远小于国外的案例，因此产生的干扰幅值远高于国外. 如Qin等[22]在牛从接地极测试得到的最高管地通电电位甚至高达 304 V (vsCSE)，这严重威胁着人员的安全和管道防护设备的正常运行. 上述案例中出现的大幅值管地电位均表明高压直流接地极对管道会造成很严重的干扰，但是目前国内外学者针对其大幅值电位产生的原因没有深入的分析，对产生大幅值电位的影响因素也没有系统的探讨. 而国内对于高压直流干扰这种新型干扰的相关研究尚处于起步阶段，并且由于高压直流干扰时影响范围大、涉及面积广等因素[23]，现场测试和实验室模拟实验的手段无法有效的进行，因此国内外通常采用数值模拟的方法进行探索与研究.

本文基于实际的工程参数建立了高压直流干扰电场计算模型，利用数值模拟计算技术对高压直流干扰大幅值管地电位的产生原因进行探究，并考察影响大幅值管地电位产生的影响因素，以期为后续的高压直流工程建设提供参考和借鉴.

1 研究方法及参数选取

本文建立模型所使用的CDEGS软件是加拿大SES公司开发的一种专业工程软件，其中软件中的HIFREQ模块考虑了导体网络中的感应、电容和传导干扰效应[24]. 可以用于计算地下和架空导线网络中的电流分布和电场、磁场等，分析由任意方向的地上和地下导体组成的网络，以及由于输电线路等的存在而在管道和其他地下物体中产生的感应电流和电压.

从上世纪六十年代起，国内外已经开始针对高压直流输电系统对埋地管道的影响进行模拟计算研究，其中CDEGS软件作为国际权威认证的数值模拟计算软件已经被广泛认可. Bi等[6]通过CDEGS软件分析了5000 A单极电流对哈密南部接地运行的影响，并通过现场实际监测结果与模拟结果作对比发现两者吻合较好；Gong等[13]通过CDEGS软件建立了在复杂土壤结构下的干扰模型，并结合现场测量和计算结果的比较，验证了模型的合理性.

本文基于CDEGS软件建立模型，利用±500 kV某高压直流接地极以及附近埋地金属管道实际参数作为数据基础，通过对比现场实际监测数据与数值模拟结果验证模型的合理可行性，最后利用验证后的模型通过改变不同参数，考察了接地极与管道之间的垂直间距、管道防腐层、管道长度、土壤结构四个因素对管地电位的影响规律. 图1为本次论文研究中接地极与管道模型示意图，表1为模型验证所用参数及后续规律研究时的参数表，表2和表3为接地极和土壤结构相关参数.

图1 接地极与管道相对位置示意图Fig.1 Diagram of relative position between the grounding electrode and pipeline

表1 管道参数Table 1 Pipe parameters

表2 高压直流接地极参数Table 2 Parameters of high-voltage direct current (HVDC) grounding electrode

表3 土壤结构参数Table 3 Soil structure parameters

2 模型验证

为了探究利用软件建立模型的可行性，本文基于某实际现场案例参数（表1中基础模型参数）建立模型，并利用现场监测数据与模拟结果作对比，计算结果及现场数值匹配如图2所示. 可以看出现场监测数据与数值模拟计算结果吻合较好，即模型是合理可行的.

图2 模型计算结果与现场数据匹配图Fig.2 Matching diagram of model calculation results and field data

3 大幅值管地电位的产生原因及影响因素分析

利用第1节验证后的模型模拟了高压直流接地极单极运行时对埋地管道干扰产生的管地电位分布. 由图2可知，管道在测试点1处的管地电位高达−304 V，为了探究其高幅值的原因，首先结合软件以无穷远处为电位零点，定义了三个参数：Esoil—土壤中的电位，即土壤相对于远地点（零点）的电位；Epipe—管道的电位，即管道钢金属相对于远地点（零点）的电位；Epipe-to-soil—管道对近地电位，简称为管地电位.

由图3所示为三种电位的位置示意图，图4为基础模型计算得到的土壤电位Esoil和管道电位Epipe电位图，而管地电位Epipe-to-soil得到的结果即图2的结果. 以管道受干扰程度最大点的电位为例，模型计算得到的Esoil为 478.3 V，Epipe为 159.2 V，而管地电位即Epipe-to-soil为–319.1 V，可以看出他们之间的关系为Epipe-to-soil=Epipe–Esoil，这也与图3给出的关系相符. 因为通常在地表测得的管道对地电位，是由管道电位和附近土壤电位共同决定的，而且管道电位和附近的土壤电位会因为管道或接地极的某些参数发生改变而产生不同的结果. 比如由图5所示，从接地极中心处垂直延伸至管道外侧的测试点1处的垂直线上，随着管道离接地极的距离越大，Esoil不断下降. 这是因为当接地极放电时，会在土壤中产生一个地电场，接地极类似于一个电场源，其周边的土壤电位会变成一种等电位线的梯度场，距离接地极越远，土壤电位越低. 因此为了探究哪些参数改变时会影响管道电位和土壤电位，进而产生高幅值管地电位，本文将利用CDEGS软件建立模型，基于表1～3给出的参数探究接地极与管道之间的垂直间距、管道防腐层、管道长度和土壤结构四个因素对管地电位的影响规律.

图3 高压直流干扰中 Esoil、Epipe 和 Epipe-to-soil三种计算电位示意图Fig.3 Diagram of the three calculated potentials of Esoil, Epipe, and Epipe-to-soil under HVDC interference

图4 基础模型中管道沿线两种电位计算结果. （a）Esoil；（b）EpipeFig.4 Calculation results of two potentials along the pipeline in the validation model: (a) Esoil; (b) Epipe

图5 接地极周围土壤电位沿线分布图Fig.5 Distribution of soil potential around the grounding electrode

3.1 接地极与管道间的垂直间距对管地电位的影响

当管道与接地极之间的垂直间距发生变化时，管道处于接地极电场的不同位置，因此其土壤电位和管道电位会发生变化，为了对比不同间距的效果，分别选取垂直间距为1、3、5和10 km进行计算，结果如图6所示.

图6 高压直流干扰时不同垂直间距下管道沿线三种电位计算结果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soilFig.6 Calculation results of three types of potential along the pipeline under different vertical spacings under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe;(c) Epipe-to-soil

由图6可见，图6（a）中呈现的规律为距离接地极越近，管道中心处的土壤电位Esoil越大，这也与图6（b）给出的结果相符，并且随着接地极与管道之间的间距越小时，管道电位Epipe逐渐增大，管道中心处的管地电位Epipe-to-soil大幅减小，两端小幅增大. 当管道与接地极之间的垂直间距从1 km增大到10 km时，管道中心处的土壤电位从493.2 V 降低到 49.6 V，管道电位从 47.1 V 降低到23.5 V，可以看出随着接地极与管道之间的间距变大时，管道电位的变化幅度不如土壤电位，由此造成了两者之差即管地电位相差很大，当管道与接地极之间的垂直间距为1 km时，管地电位高达−446.1 V，而垂直间距为 10 km时，管地电位为−26.1 V. 因此当接地极与管道之间的垂直间距变小时，管道周边的土壤电位骤增，而管道电位变化幅度不如土壤电位，因此土壤电位相对于管道电位在垂直间距发生改变时对管地电位的影响更为关键.

3.2 管道防腐层类型对管地电位的影响

当来自接地极的电流通过土壤注入管道时需要跨过管道外侧的防腐层，因此管道防腐层绝缘性能变化可能对高压直流干扰管地电位产生影响. 为了对比不同防腐层的效果，分别选取3PE、煤焦油瓷漆和无防腐层（裸钢管道）三种管道外防腐层，三种防腐层的面电阻率分别为105、104和0 Ω·m2进行计算，结果如图7所示.

图7 高压直流干扰时不同防腐层下管道沿线三种电位计算结果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soilFig.7 Calculation results of three types of potential along the pipeline under different anticorrosive coatings under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe;(c) Epipe-to-soil

由图7可见，随着防腐层面电阻率的增大，管道中心处的土壤电位Esoil增大，管道电位Epipe减小，管道两端的规律相反. 以管道中心位置为例，当防腐层面电阻率为 105Ω·m2时（3PE 防腐层）土壤电位Esoil为 98.8 V，管道电位Epipe为 30.5 V，管地电位Epipe-to-soil为–68.3 V；当防腐层面电阻率为104Ω·m2时（煤焦油瓷漆）土壤电位为 86.0 V，管道电位为 32.6 V，管地电位为–53.3 V；而当防腐层面电阻率为 0 Ω·m2时（裸钢管道）土壤电位为 39.3 V，管道电位为 38.9 V，管地电位为–0.4 V. 可以看出裸钢管道中获得的管地电位远小于3PE和煤焦油瓷漆两种防腐层. 这是因为裸管没有防腐层的阻隔，不会在防腐层上产生高的分压，从而使得得到的管地电位接近0 V，而当防腐层的性能很好时，防腐层的电阻很高，土壤电位和管道电位有很大差异，因此会产生很高的管地电位，高绝缘性能的防腐层对高压直流干扰下大幅值管地电位的产生具有很大贡献.

3.3 管道长度对管地电位的影响

当电流在管道中流动时，管道的长度不同，也会对管道的干扰产生不同的结果. 为了对比不同管道长度的效果，分别选取长度为1、5、10、30、50和100 km进行计算，结果如图8所示.

图8 高压直流干扰时不同管道长度下管道沿线三种电位计算结果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soilFig.8 Calculation results of three types of potential along the pipeline under different pipeline lengths under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe;(c) Epipe-to-soil

由图8可见，当管道长度发生变化时，土壤电位Esoil基本不发生变化，而管道电位Epipe随着管道长度的增长而降低，当管道长度从 1 km变到100 km时，管道中心处的土壤电位仅从100.7 V变化至 98.8 V，管道电位从 100.5 V 降低为 30.5 V，可以看出随着管道长度变长时，土壤电位的变化幅度不如管道电位，由此造成了两者之差即管地电位相差很大，当管道长度为1 km时，管道中心处的管地电位Epipe-to-soil仅为−0.3 V 左右，而管道长度为 100 km时，管地电位为−68.3 V. 因此管道的长距离对于高压直流干扰下大幅值管地电位的产生具有重要影响.

3.4 土壤结构对管地电位的影响

埋地油气管道通常埋设于土壤环境中，而高压直流接地极单极运行时会向土壤注入电流，因此土壤会成为电流的传导路径，从而土壤环境的不同会对接地极对埋地管道的干扰有一定影响.通常在实际案例中，土壤结构在大地中的分布一般是不均匀的. 为了研究土壤结构对高压直流干扰的影响，本文通过改变底层土壤电阻率分别为5、12.5、25、50、100、300、800、1500 和 3000 Ω·m，建立了9种不同土壤结构模型，通过控制表层与底层土壤电阻率的比值，计算其对管道干扰的影响规律. 土壤电阻率变化具体如表4.

表4 土壤结构计算的分层情况Table 4 Layering of the soil structure calculation

由图9呈现的结果可见，当底层土壤电阻率增大时，土壤电位Esoil和管道电位Epipe都是呈现增大的趋势，管道中心处的管地电位Epipe-to-soil下降，两端的管地电位上升. 当底层土壤电阻率为5时（即底层与表层土壤电阻率之比为0.2），土壤电位为 0.6 V，管道电位为 0.2 V，管地电位为−0.4 V；而当底层土壤电阻率上升至3000时（即底层与表层土壤电阻率之比为120），土壤电位为358.3 V，管道电位为 114.8 V，管地电位为−243.4 V.可以看出随着底层与表层土壤电阻率之比变大时，土壤电位和管道电位均呈上升的趋势，但是上升的幅度不同，如图10为管道中心位置三种电位分布图，三种电位均随着比值的增大而呈线性关系，但是土壤电位增长速度大于管道电位增长速度，从而导致两者之差即管地电位也随着比值的增大而线性下降. 因此呈现土壤电阻率为上低下高的土壤分层结构对于高压直流干扰下大幅值管地电位的产生具有重要影响.

图9 高压直流干扰时不同底层土壤电阻率下管道沿线三种电位计算结果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soilFig.9 Calculation results of three potentials along the pipeline under different bottom soil resistivities under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe;(c) Epipe-to-soil

图10 不同底层与表层土壤电阻率之比下管道中心处 Esoil、Epipe和Epipe-to-soil分布图Fig.10 Distribution of Esoil, Epipe, and Epipe-to-soil in the center of the pipeline under the ratio of soil resistivity of different bottom and surface layers

3.5 讨论与分析

结合上述四种因素的结果，可以看出高压直流接地极对埋地管道干扰产生大幅值管地电位的原因是由管道周边的土壤电位和管道电位共同决定的，当接地极与管道之间的间距、管道防腐层、管道长度和土壤结构发生变化时，土壤电位Esoil和管道电位Epipe发生变化，进而引起管地电位Epipe-to-soil的变化.

（1）当接地极与管道之间的垂直间距变小时，管道周边的土壤电位骤增，而管道电位变化幅度不如土壤电位，进而引起大幅值管地电位的产生.

（2）当管道防腐层不同时，在防腐层两端产生的压降不同，即当防腐层绝缘性能较好时，管道与附近土壤之间形成较大的电压降，该压降主要落在防腐层两侧，防腐层的存在让管道电位“远离了”附近土壤，从而造成当测试高绝缘性能防腐层管道时产生大幅值管地电位的根本原因为防腐层内侧管体与外侧土壤之间巨大的电位差.

（3）当管道长度变长时，管道电位呈现下降的趋势，而土壤电位基本不变，管道上的电位相当于通过长长的管道把其“拉向”远地，从而造成管地电位高幅值的产生.

（4）当土壤呈现水平分层结构时，不同的土壤电阻率会影响管道所处位置的土壤电位和管道电位，进而影响流过金属管道的直流电流，造成对管道干扰程度的不同. 随着底层土壤电阻率越高，即底层与表层土地电阻率的比值变大时，土壤电位和管道电位呈现线性增加，但是土壤电位增大的幅度大于管道电位，因此造成管地电位呈现高幅值的结果.

结合上述四种因素的分析，可以得出高压直流干扰下大幅值管地电位是在接地极与管道距离较近、管道高绝缘性能防腐层、管道的长距离和土壤结构共同作用下产生的，距离越近、防腐层绝缘性能越高、管道长度越长，以及表层土壤电阻率低于底层的土壤分层结构是造成高压直流大幅值管地电位产生的根本原因.

4 结论

利用数值模拟软件建立高压直流接地极对管道干扰的模型，首先通过对比现场监测数据与模拟结果验证模型的合理可行性，并利用验证后的模型改变参数，分析接地极与管道垂直间距、管道防腐层、管道长度和土壤结构四个因素，获得了管道周围土壤电位、管道电位和管地电位的影响规律，得到高压直流大幅电位产生的原因，具体结论如下：

（1）大幅值管地电位可由管道电位和附近的土壤电位之差获得，是由两者共同决定的.

（2）管道与接地极之间的间距变小会造成土壤电位和管道电位增大，而管道电位增大幅度不如土壤电位，进而引起管地电位的大幅偏移.

（3）防腐层的绝缘性能越好，土壤电位与管道电位之间的差值越大，进而引起防腐层两侧大幅值电位差，造成管地电位的大幅偏移.

（4）管道长度增加会造成管道电位的变化，而土壤电位基本不变，从而引起管地电位增大.

（5）当土壤结构呈现上层土壤电阻率低，下层土壤电阻率高的水平土壤分层结构时，随着底层土壤电阻率的增大，土壤电位的增加幅度大于管道电位，进而引起管地电位的大幅偏移.