高压直流干扰下管道阴极区和阳极区分布规律的数值模拟

王 军，许好好，李 想，张 响，李汉秋，王西明

(1.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，浙江 杭州 311121；3.浙江浙能天然气运行有限公司，浙江 杭州 310000)

0 前 言

高压直流输电系统主要有双极平衡运行与单级大地回路运行2种方式[1]，正常工作时为双极平衡运行，由于入地电流相对较小，对接地极附近的管道影响有限[2]。但在系统检修或故障时为单级大地回路运行，入地电流即为工作电流，高达几千安培，对附近管道会产生很大的影响[3]。周军峰等[4]的测试结果表明，高压直流输电系统接地极单级大地回路阳极运行时，放电电流达3 000 A，靠近接地极的天然气埋地管道电位负移最严重，最负的电位接近-180 V(vs CSE)。本工作的某特高压直流输电工程的受端接地极位于浙江省金丝村，额定运行电压为±800 kV，额定运行电流为5 000 A。接地极距离浙能金丽温输气管道最近点约870 m，管道线路总长222.9 km，管径为DN800 mm，其中澧浦阀室到缙云站管道为主要受影响区，管道长约65.5 km。管道沿线土壤类型复杂多样，主要为山地、水田、旱田、耕地、荒地等，土壤电阻率差异性较大。Liu等[5]模拟研究发现土壤特性是影响管道受直流干扰程度的重要因素。

国内外研究者对高压直流干扰进行了数值模拟，取得了一些成果。曹方圆等[6]考虑管道局部接地、绝缘接头等防护措施建立了直流接地极对埋地管道影响的数值模型。季寿宏[7]利用BEASY软件进行模拟研究发现，最大管地电流密度随着接地极干扰电流的增大而线性增大。曹国飞等[8]采用CDEGS软件计算了高压直流接地极对埋地管道干扰的安全距离，分析了不同管道防腐层、土壤电阻率、接地极入地电流等条件对管道受干扰程度的影响规律。赵雅蕾等[9]分析了高压直流干扰下锌带和分段绝缘措施的防护效果。Zhang等[10]对高压直流接地电极之间电位分布进行了数值分析，结果表明距离接地电极数十千米外的电位上升都应考虑。

曹阿林[11]指出，为了保障埋地管道的安全运行，需要判断出杂散电流干扰下管道的阳极区和阴极区，进而确定腐蚀区域，并采取相应的防护措施。但由于埋地管道沿线土壤环境复杂，季节的变化也会影响土壤电阻率[12]，杂散电流的影响因素多，导致难以确定管道的阳极区和阴极区。目前国内研究者大多数聚焦于高压直流干扰对管道的影响程度[13-17]，而对管道的阴、阳极区范围的研究较少。

本工作基于金丽温管道真实土壤结构，利用CatPro软件建立符合现场的高压直流干扰模型，计算分析了在不同接地极极性、干扰电流、土壤电阻率条件下，高压直流干扰对管道阴、阳极区的影响规律。

1 高压直流干扰计算模型

1.1 干扰类型

高压直流干扰分为阴极干扰(接地极阴极放电)和阳极干扰(接地极阳极放电)，定义电流流出管道为正值，流入管道为负值。图1为接地极放电时管道阴极区和阳极区的形成过程。从图1可知，当接地极阳极放电时，数千安的电流流入大地，再从靠近接地极的管道涂层破损处流入管道，电流密度为负值，形成管道阴极区，当电流密度绝对值较大时易造成过保护、涂层破损和高强度钢氢脆开裂等问题(图1a)。流入管道的电流在远端涂层破损处流出，电流密度为正值，形成阳极区，发生电解腐蚀(图1b)。当接地极阴极放电时，靠近接地极的管段形成阳极区，长期干扰可能造成管道腐蚀穿孔。

1.2 模型建立

利用基于边界元方法开发的Elsyca CatPro软件进行建模分析。土壤中的电位分布用拉普拉斯方程描述，如式(1)，表示电荷守恒：

(1)

边界条件为：

V-U=η(Jb)+RJ+Ecorr

(2)

基于真实土壤电性结构，建立符合金丽温输气管道的高压直流干扰模型如图2所示。选取金丽温输气管道的澧浦阀室-缙云站部分，沿着管线方向将管道划分为946段网格，相应的管道位置编号为1～947号。

1.3 参数设置

计算基础参数分为管道参数、接地极参数和土壤参数3个方面。(1)管道参数：外径为0.813 0 m，壁厚为0.015 9 m，轴向电阻率为2.3×10-7Ω·m，埋深取平均值2.500 0 m，3PE防腐层厚0.002 9 m，电阻率为 3.4×104Ω·m，破损率为0.5%；(2)金丝接地极参数：简化为一个圆柱体，外径为0.1 m，长度为1 000.0 m，埋深为3.5 m，电阻率为1.3×10-7Ω·m；(3)管道沿线均匀分布60个土壤电阻率测试点，采用温纳四极法测得这60个点0～3.5 m深度的土壤电阻率，其结果如图3所示。

1.4 模型验证

2019年2月金丝接地极3 000 A阴极放电时，利用智能测试桩对594，636，650，791，848，925号6个位置的管地电位进行测试，测试结果和相应的数值模拟结果统计于表1。由表1可知，数值模拟结果和实测数据误差在10%以内，建立的模型具有较高的准确性，可以用于下一步的研究。

表1 接地极3 000 A阴极放电时的模拟电位与实测电位对比Table 1 Comparison of the simulated and measured potential during ground electrode 3 000 A cathode discharge

2 模拟结果与分析

2.1 不同接地极极性下的管道阴极区、阳极区

以5 000 A干扰电流为例，研究金丝接地极阳极放电和阴极放电时管道的阴、阳极区，模拟得到管地电流密度随管道位置的变化如图4所示。

从图4可以看出，不管阳极放电还是阴极放电，管道都可以相同地划分成3个区，具体划分见表2，管道位置编号1～560号设为Ⅰ区，560～656号设为Ⅱ区，656～947号设为Ⅲ区。

表2 金丝接地极阳极放电和阴极放电时的管道阴、阳极区Table 2 The cathodic area and anodic area of the pipeline during ground electrode anode discharge and cathode discharge

由表2可知，接地极极性不同，导致管道阴、阳极区分布相反，但是分界点相同。如在接地极阳极放电时，管道Ⅱ区为阴极区，在接地极阴极放电时，管道Ⅱ区为阳极区，但分界点均为560号和656号。种芝艺等[18]利用CDEGS软件模拟陕京一线天然气管道在接地极阴极放电和阳极放电时的泄漏电流密度曲线，周军峰等[4]现场监测的接地极阳极放电和阴极放电时的管道电位分布曲线，均验证了上述结论。

2.2 不同干扰电流下的管道阴极区、阳极区

分别模拟了金丝接地极1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 A阳极放电时管道的电流密度分布。图5为不同干扰电流阳极放电下的管地电流密度分布曲线。

从图5可以看出，不同干扰电流下，管道都可以相同地划分成Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区3个区，分界点与上节完全一致，不同干扰电流大小只是导致管道阴、阳极区受干扰程度不同[19]。图6为不同干扰电流下3个区的最大管地电流密度绝对值。

从图6可知，阴、阳极区最大管地电流密度绝对值与干扰电流大小成正相关，即干扰电流越大，管道受干扰越严重。在接地极阳极放电1 000 A和5 000 A时，管道Ⅱ区为阴极区，最大管地电流密度绝对值分别为1.4×10-2和7.3×10-2A/m2，相对于1 000 A干扰，5 000 A干扰时管道Ⅱ区受到更严重的阴极极化。

2.3 不同土壤电阻率下的管道阴极区、阳极区

在冬季土壤结冰时，土壤电阻率会升高[20]。下雨时，由于雨水的渗入，土壤电阻率会降低。分别测得了管道沿线60个土壤电阻率测试点冬季和下雨时0～3.5 m深度的土壤电阻率。由上述研究得知接地极极性和干扰电流大小不影响阴、阳极区分界点，因此以金丝接地极5 000 A阴极放电为例，研究土壤电阻率对管道阴、阳极区的影响，不同土壤状态下的管地电流密度分布如图7所示。由图7可知，不同土壤状态下，管道都可以相同地划分成Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区3个区。

研究管道沿线均匀土壤电阻率(理想状态)对管道阴、阳极区的影响，以金丝接地极5 000 A阴极放电为例，分别模拟均匀土壤电阻率为10，100，300，500，700 Ω·m时的管地电流密度分布，结果如图8所示。

根据图7、图8获得的不同土壤电阻率下的阴、阳极区范围，其结果如表3所示。从表3可知，在均匀土壤中，管道阴、阳极区分界点与Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区略有不同，但基本一致。邓长征等[21]的模拟曲线也表明管道电流密度为0的点，随着均匀土壤电阻率的增大向管道端部稍有偏移。

表3 不同土壤电阻率下的阴、阳极区范围Table 3 Range of the cathodic area and anodic area of the pipeline under different soil resistivities

3 结 论

通过数值模拟明确了不同条件下接地极故障电流对管道阴、阳极区的影响规律：

(1)接地极极性不同时，管道阴、阳极区的分界点相同，阴、阳极区分布相反。干扰电流大小导致管道阴、阳极区受干扰程度不同；

(2)当接地极与管道位置确定后，管道受到接地极高压直流干扰形成的阴、阳极区分界点是固定的，不受外界条件影响；

(3)确定管道阴、阳极区可大幅提升检测效率，提高监测和防护的针对性，实现管道运营的分级管理，减少管道企业的人员和资金投入。