直流接地极与埋地金属间安全距离的分析

国能九江发电有限公司 何赵亮 钟 凯 李向明

安徽正广电电力技术有限公司 王 亮

1 引言

电力系统对管道系统等长距离埋地金属网络存在多方面的影响，如负载电流的交流干扰[1]、雷击故障对管道绝缘的破坏[2]、短路故障的工频续流对管道绝缘的烧蚀破坏[3]等。由于目前土地资源日渐紧张，设计时电力系统与管道系统间的距离不断地靠近，甚至出现共同狭窄线路走廊的情况[4]。此时管道系统出现了更加严重的电磁兼容问题，造成了大量的管道安全事故，管道系统安全运行和人民生活造成了非常不良的影响[5]。

近年来，我国加快了直流输电建设的步伐，管道系统受直流输电的影响问题开始呈现并变得严重起来。数千A 直流电流通过接地极入地，研究接地极与埋地金属间安全距离就显得十分必要了。首先，管道系统有大量的工作人员，保证人员生命安全是首要问题；其次，管道的各种防护措施应不受损坏。另外，在正常运行情况下，直流输电过程中存在微量不处于平衡状态的电流，能够直接经由直流接地极顺利流入到大地中，此时，空间的电位分布和电流分布都会影响管道系统的正常工作。这也是管道系统设计和运行时候需要重点考虑的问题。

出于安全考虑，气路引压管中间加设了绝缘接头，由于连接绝缘接头的金属卡套距离很近，难免会在强大的直流干扰时不发生金属管线之间或金属卡套之间发生放电现象。

目前虽然有很多缓解HVDC 干扰管道的方法，但并不能从根本上断绝直流入地电流对埋地管道带来的干扰。管道工程的类型和环境的多样性、直流电流的高强度、影响范围的广泛性、实时监控的技术阻碍、各种缓解技术如何高效组合，都使得HVDC 腐蚀干扰的防护技术难上加难，如何利用现有技术更有效地缓解HVDC 的干扰腐蚀成为新的发展方向。

鉴于目前管道系统受直流输电影响的研究还处于起步阶段，合理选取管道与直流极的距离就显得十分重要了。本文的分析：确定接地极对周围油气管道人身安全、设备（含阴极保护）安全及管道腐蚀等影响的评估原则；计算评估接地极对周围油气管道的安全影响、电腐蚀影响、阴极保护系统影响情况；提出防护措施建议。

2 管道安全问题的评估标准

2.1 人身安全

HVDC 在调试期间单极运行时，会有额定电流大小的直流入地，在正常的双极运行时也会有不平衡电流流入土壤。入地直流在极址附近将形成一个恒定的直流电流场，由于土壤电阻存在，将伴随出现大地电位升高、跨步电位差和接触电位差等，对极址附近的人畜产生影响。

目前还没有针对直流接地极下人身安全的明确性指标，但是需要按照标准我国《交流电气装置的接地设计规范》要求、DL/T 437-2012《高压直流接地极技术导则》和DL/T 5224-2014《高压直流输电大地返回系统设计技术规程》，可总结人身安全的限值。对于非共用接地极，在一极最大过负荷电流下，地面任意点跨步电位差不得超过Upm；当其中一段接地极退出运行时，Upm不得超过50V。其中：

对于分体式接地极，当一个接地极因事故原因退出运行时（≤30min），额定电流下的最大跨步电位差应不大于2.5倍的Upm，且不应超过50V。

DL/T 5224-2014规定了直流接地极接触电位差允许值为：

可以看出，为不影响接地极周边居民的正常生活，同时兼顾小概率事件发生，接地极的人身安全限值标定要取人体感知电流下限。

2.2 设备安全

阴极保护系统由局部接地、牺牲阳极和强制阴极三部分组成。局部接地装置能够起到减缓电力故障的作用，交直流系统和电气铁轨均会对周边埋置的金属管道产生影响，可以在一定程度上降低强电冲击力对金属管道辅助设施、阴极保护装置、防腐层的损害影响。局部接地装置一般不会和金属管道具有直接连接关系，往往是采用固态去耦合器和金属管道连接在一起。在流经的直流电流相对比较h，固态去耦合器梁端位置的电压往往低于装置正常启动电压，由于装置不具备导通能力，可以用来隔离处理阴极保护电流，能够降低电流损失。在直流电流相对比较大的时候，运用固态去耦合器开展导通处理，能够为电流提供双向流通通道。在研究直流接地极对金属管道产生的影响时，一旦管道内部流经的直流电流比较大，固态去耦合器大都处在导通状态，此时去耦合器相当于连接管道和接地装置的电压源，电压大小基本和固态去耦合器电压相同。固态去耦合器的电压一般取2V。

牺牲阳极的保护方式主要是形成将电缆直接和金属管道形成电气连接关系，在将要被牺牲的阳极位置放置比金属管道更加活泼的金属，此时处在比金属管道更小的负电位状态，在管道完成连接后，将会在电化学影响下，牺牲阳极保护阴极，从而达到减慢金属管道被腐蚀速度的目的。在采取牺牲阳极保护金属管道方式时，两种金属表层可能会形成接触电位差，此时金属管道和阳极连接的管道电压源会将阳极视为普通接地体，此时在展开计算时需要重点考虑阳极布置位置对金属管道产生的直接影响。

3 地表电位和电流密度的计算方法

影响管道与直流接地极距离的核心要素是：地电定位分布与电流密度分布。

对陆地型直流接地极而言，工程设计常使用水平层状大地模型。水平层状大地模型如图1所示。

图1 水平层状大地模型

由式（1）可以导出空间电位分布f、空间电场分布（Ex, Ey, Ez）和空间电流密度分布（Jx, Jy,Jz）的关系为：

式（5）的上标箭头表示向量。通过式（8）～式（10）就可以开展接地极地理电流密度分布的数值分析了：

至此，可以完成地电定位分布与电流密度分布的数值计算。

4 算例

以某广域层状大地模型，说明本文方法的具体应用。土壤模型由四极法和大地电磁法联合勘探取得，反演依据改进的人工蜂群智能优化算法，为弥补算法局部搜索能力不足，嵌入局部共轭梯度搜索，反演得到的14层广域大地土壤模型的参数详见表1。

表1 水平14层大地参数

算例中为油气管道，其距离直流接地极的最近距离为21km，考虑最严重影响情况下，即直流极入地电流为2h 过负荷电流5600A 下，距离接地极圆环中心2～99km 的地表电位分布结果详见表2。

表2 2h 过负荷电流下直流电位分布

由表2可知，直流极会对极环中心6km 范围内的管道造成接触电位差超标的问题，推荐对极环中心6km 范围内的管道附近地面敷设沥青或者卵石层，以满足接触电位差的安全要求，21km 外的地表电位为4.68V。

5 结语

本文主要研究了直流极电流对埋地金属的影响，分析接地极与埋地金属之间的安全距离。

管道安全问题的评估标准主要考虑人身安全因素、设备因素、管道受干扰因素等三方面，直流接地极的人身安全限值标定要取人体感知电流下限，本文取直流长期作用情况下接触电位差和跨步电位差的限值为50V。

阴极保护系统由局部接地、牺牲阳极和强制阴极三部分组成，固态去耦合器能够直接连接局部接地设备以及金属管道，电压一般取2V；为保证恒电位仪能正常工作，在金属管道任意位置的点位都会与该点正常电位值产生0.1伏的偏差，此时需要加装防护措施。

本文结合工程实际，以广域14层大地模型为例，通过设立研究直流极对埋地金属管道影响的模型，经计算发现：直流极会对极环中心6km 范围内的管道造成接触电位差超标的问题；直流极40km 范围内恒电位仪的安全会受到直流极入地电流的不利影响；直流极60km 范围内阴极保护系统可能由于直流干扰而无法正常工作；直流极不会对管道造成明显的腐蚀影响。