高压直流接地极对管道干扰规律及缓解措施研究

张浩强 陈少松 张骁勇 徐学利 刘昊天

（1. 西安石油大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710065；2. 北京安科腐蚀技术有限公司，北京 102211）

0 引言

由于我国能源需求量的快速增长，直流输电项目和油气管道的建设迅速增加。远距离大容量的油气输送管道，油气管道走廊穿越的走廊地形复杂，几千公里管道可能穿越低电阻率区域，也可能穿越高电阻率区域，一般需要采取阴极装置，管道阴极保护用的阳极地床选址要求与传统的直流浅埋接地极极址的选择原则基本一致，导致直流输电线路和油气管道相互靠近或交叉的情况时有发生。人口密度较大的东南沿海地区，经济发展迅速土地资源紧张，为了减少土地资源的浪费，直流输电项目和油气管道的建设有时使用同一区域土地，这使得我国高压直流输电系统对埋地长输管道及站内设备运行的电干扰问题日益严重的暴露出来。

1 高压直流输电系统对管道干扰的产生及规律

1.1 高压直流输电系统对埋地管道的干扰的产生

高压直流输电系统可以在很大的空间范围内对埋地长输管道及站内设备造成干扰问题，这与其运行模式密不可分。高压直流输电系统运行方式主要有双极运行方式、单极大地回路运行方式和单极金属回路运行方式。

双极对称运行模式。理论上，此种运行模式下由于两极携带同样的谐波电流，因此大地中没有电流流过。但在实际工况中并非如此，两极之间的谐波电流差将流过大地，这种不平衡电流一般会小于额定电流的1%[1]。然而，姜子涛等[2]的研究结论指出，尽管在该模式下运行比较安全，但依旧会使埋地管道通电电位干扰达到数百毫伏。大多数情况下的高压直流输电系统皆采用双极运行模式，因此会对邻近埋地管道造成持续干扰。虽然接地电流较低，但长时间的干扰对埋地管道会造成腐蚀的累积。因此，在实际工程中，这种不平衡电流对埋地管道的影响也不容忽视。

单极大地回路运行模式。在投运初期、年度检修或出现故障排查时，高压直流输电系统往往切换为单极大地回路模式运行，输送电流通过接地极流入大地形成闭合回路，大量电流通过大地回流，会在两侧接地极周围极大程度地抬升或降低地电势，对附近的金属管道及构筑物造成显著的杂散电流干扰[3]。西气东输广东段埋地管道上监测到的304V干扰正是这种工况下造成的[4]。高压直流接地极的尺寸往往很大，直径范围可达公里级，而且当接地极通过几百甚至上千安电流时，即使在距离较远的区域所产生的地电势梯度还是较高。尽管高压直流输电系统只有较短时间是在单极大地回路模式下运行，随着时间累积，仍会在管道上引起严重的腐蚀风险。顾清林等人[5]对我国不同区域的17个高压直流接地极邻近的埋地管道进行了长时间连续的监测，结果表明高压直流接地极放电总时长不到全年正常运行时长的1.2%。

单极金属回路运行模式。为了降低单极大地回路运行方式对自身电力设施及外源结构物造成的潜在威胁，有时也会采用专用的金属回路来实现单极运行，电流不经过大地回流，而是通过一根金属电缆线回流。这种运行模式下不会在大地中产生任何杂散电流，但会增加电网的投资，因此未被更广泛地采用[6]。

1.2 高压直流输电系统对管道干扰的规律

高压直流输电系统在周期性或不定期的单极大地回路时，直流电流沿着高压直流送端和受端接地极之间的大地路径传导。这种运行模式下，埋地长输管道处于接地极入地电流形成的地电势梯度场中。与接地极单极运行的极性有关，一部分电流被处于地电势较高区域内的管道及其接地设施所吸收，并沿着管道进行较长距离传输，接着在地电势较低的区域内排放至大地中[7]。本质上来讲，根据管道所处的位置和高压直流接地极单极运行极性的不同，长输管道的不同管段可以吸收、传导或释放接地极的入地电流。由于杂散电流过大，比管道自身的阴极保护系统电流可能存在数量级差异，管道的对地电位在其路由沿线不同的位置相应地发生了不同程度的偏移[6]。当与管道接近的高压直流接地极以阳极模式运行（即向大地中释放电流）时，来自接地极的杂散电流由位于其附近区域的管道所吸收，管地电位发生负向偏移；然后在远离接地极的位置从管道中重新排入大地，管地电位则发生正向偏移。相反，当高压直流接地极在管道附近以阴极模式运行（即从大地中吸收电流）时，杂散电流在远离接地极的区域由管道所吸收，管地电位发生负向偏移；而在接地极附近的管道中重新排入大地，管地电位则正向偏移。

2 高压直流接地极对管道干扰的影响因素

高压直流接地极单极大地回路运行对管道造成的干扰程度以及影响范围与多个因素有关，包括接地极的入地电流大小、管道防腐层质量、电连续性长度、与接地极的垂直间距等，以及接地极和管道沿线的土壤环境。通过大量的现场干扰监测数据结合仿真计算方法[7,8]，已得到上述因素对高压直流干扰的影响规律如下。

2.1 接地极入地电流

当管道和土壤环境条件保持一致时，管道干扰水平与接地极入地电流大小呈正相关关系。接地极单极大地回路运行时，入地电流越大，对附近管道干扰电位的偏移影响越明显，而发生电位偏移的管段长度则不会变化。

2.2 防腐层质量

接地极阳极运行时，大量电流涌入大地导致附近土壤电位相对于远地大幅抬升，由于防腐层的阻隔，管道产生了很高的管地电位差。防腐层电阻率越高，管道近地电位越高。当管道长度较短时，防腐层类型和质量对管道所受干扰影响较小。但随着管道长度增加，干扰影响相应增大。防腐层质量越好，管道的干扰范围则越大。

2.3 管道电连续性长度

当管道纵向无任何绝缘部件时，随着管道长度的增加靠近接地极位置处管道干扰升高，远离直流接地极位置处管道干扰降低。当管道纵向长度越长，靠近接地极近端管道发生电位偏移的范围增加，即干扰距离增大。

2.4 管道与接地极的间距

随着接地极与管道间的垂直距离增加，管道受接地极干扰的电位偏移幅度相应减小，但发生电位偏移的管段范围则变化不大。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10km时，应计算接地极的电流对这些设施产生的不良影响。曹国飞等[9]利用数值模拟计算对高压直流接地极对埋地管道干扰产生的人身安全影响进行了研究，结果显示，埋地管道越长所受干扰范围越大，所需的安全距离越大。

2.5 土壤特性

土壤结构和电阻率对管道所受的直流干扰影响很大。上层土壤电阻率低、下层土壤电阻率高的结构可以产生比较高的干扰电压；而相反，上层土壤电阻率高、下层土壤电阻率低的结构产生的干扰电压则较低。结构均匀土壤环境中，土壤电阻率越高，接地极对管道造成的干扰越大。吕超等[10]研究得出以下结论：表层电阻率的降低使得整体土壤电阻率降低，导致直流接地极对长输管道的干扰也降低。表层土壤对干扰的影响与其厚度密切相关。高压直流接地极附近管道所处土壤的电阻率对直流干扰的影响很大。

3 埋地管道直流干扰防护措施及其应用

埋地管道的高压直流干扰防护措施可以参考现行标准中推荐的常见直流杂散电流干扰治理方法，包括绝缘隔离、防腐层修复、排流保护、阴极保护、屏蔽、路由避让、从源头减少排放等[11]。这些标准均提出，对直流干扰的治理应该从设计阶段开始考虑。然而，干扰源和管道之间的安全距离受到多个因素的复杂影响，往往难以确定。研究人员通过仿真计算研究了接地极电流干扰下影响防护距离的因素，结果发现土壤电阻率和管道防腐层类型对管道防护距离的影响较大，而极化效应引起的局部土壤pH变化几乎不改变管道的防护距离[12]。

3.1 防腐层修复

管道防腐层缺陷点会成为杂散电流流入和流出的通道，修复防腐层缺陷可减少管道内的杂散电流。处于干扰区域的管道应定期进行防腐层质量及绝缘性能检测，以便及时发现防腐层缺陷，并及时修复，降低管道的杂散电流干扰强度。

3.2 绝缘隔离

使用绝缘隔离方法可以降低管道电连接长度，达到防护的效果[13]。在被干扰管道上安装绝缘装置，可以通过增大被干扰管道回路电阻来减少管道的杂散电流干扰强度，并缩短干扰范围。对于干扰复杂且采取其它干扰防护措施后无法有效缓解干扰的管段，可通过绝缘装置将其从整条管道中隔离出来，便于单独采取针对性措施。采用绝缘隔离措施后应特别注意电绝缘装置两端可能形成的新的干扰点。分段隔离措施对限制干扰影响范围，并可减小管道电位正向和负向偏移，分段隔离点宜选择在干扰电压的正偏移与负偏移之差的中间位置处。

3.3 排流保护

排流保护有多种方式，其中锌带排流和强制排流是常用的方式。锌带排流措施对缓解管道电位的正向和负向偏移均有效，是适用于已建管道的常见措施。其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。强制排流是将埋地管道上的杂散电流引向排流器，并经由排流器流入大地或流回干扰源，从而避免杂散电流直接从管道流入土壤造成电化学腐蚀[14]。排流器不能影响阴保系统的工作，同时要考虑其自身受到的雷电过电压和高压输电塔故障电流的影响[15]。

3.4 阴极保护

作为干扰防护措施的阴极保护系统可采用以下两种方式：一是利用现有阴极保护系统，调整其运行参数以适应干扰防护的需要；二是增设强制电流阴极保护系统。增设的强制电流阴极保护系统应设置在被干扰管道的阳极区，其辅助阳极地床距管道不小于20m。如果在管地电位正负交变的场合使用牺牲阳极时，应在管道与牺牲阳极之间串接单向导通电器元件。

3.5 干扰防护措施的应用

孟晓波等[16]分析了敷设防腐层和加设绝缘接头对直流接地极的影响，对抑制管地电位的效果和规律，结果表明：管地电位对管道防腐层的电阻率和厚度依赖较小；加设绝缘接头的管道可使管地电位显著降低，进一步使得入地电流对管道的直流干扰降低。

付龙海等[17]通过某工程实践和计算定量探究了管地电位受直流接地极周围管道及沿线环境上土壤结构、土壤电阻率和接地极与管道间距离的影响，结果表明，距离越小干扰的程度越大，且传导的干扰幅值受土壤环境影响较大。应根据实际情况选择合适的集中接地排流和缓解线排流措施。

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[18]设置了3处强制排流系统在高压直流干扰最严重位置，进而施加反向电流，抵抗高压直流干扰，最终缓解效果增强。

曹方圆等[19]研究了土壤结构对直流接地极干扰下管道泄漏电流的影响，通过计算得出，土壤电阻率对泄漏电流影响成正比。在表层土壤电阻率大于底层土壤电阻率的情况下，比率越大管道的泄漏电流密度越小。总的来说，管道泄漏电流分布受土壤结构影响较大。

廖永力等[20]的研究中，利用接地极仿真分析建立了对管道采取防腐层、绝缘接头措施的等效电路模型，通过对比防护措施对降低管地电位的效果，结果表明：防腐层电阻率很大的情况时，其厚度对管地电位的影响很小。在管道上加设绝缘接头可以减小管地电位。总的来说，在建设管道设计时，应充分考虑优化站场的选址，合理的设置绝缘段。

4 总结与展望

由于高压直流接地极单极大地运行具有干扰程度高、发生时间不固定、干扰的极性不确定等特点导致人们无法通过单一的防护措施来缓解其对埋地管道的影响，需要通过多种防护措施组合的方式来达到缓解目的。目前国内外就高压直流输电系统接地极对管道干扰问题的治理措施尚未形成系统成熟的规范性指导。主要难点仍在于达到最优保护效果时的各种参数的设置及优化防护措施。这些都需要借助人工智能、深度学习等技术寻求防护措施的自动优化设计，所以这些将是该领域未来的研究热点方向及趋势。