李振軍

(中國(guó)石油西部管道公司，烏魯木齊 830013)

高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)埋地鋼質(zhì)管道干擾的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

李振軍

(中國(guó)石油西部管道公司，烏魯木齊 830013)

哈密南-鄭州±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)中哈密接地極與西氣東輸管道最近距離為44 km。通過在西氣東輸天然氣管道沿線布置電位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得直流輸電系統(tǒng)單極大地回線方式運(yùn)行時(shí)，管地電位的變化情況；通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理，獲得了哈密接地極對(duì)西氣東輸天然氣管道管地電位的影響范圍和影響程度，掌握了直流輸電系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下，對(duì)管地電位的影響規(guī)律。

高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)；埋地管道；直流雜散電流干擾；單極大地回線方式；管地電位監(jiān)測(cè)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅猛增長(zhǎng)，對(duì)電能需求越來(lái)越大，而我國(guó)的電力資源又遠(yuǎn)離負(fù)荷中心[1]，因此需不斷增大電力系統(tǒng)的輸送容量。與高壓交流相比，輸送相同功率時(shí)，高壓直流輸電線路造價(jià)低、線路損耗小，因此近年來(lái)高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)得以快速發(fā)展。

接地極是高壓/特高壓直流輸電工程中的重要設(shè)施，它在單極大地回線和雙極運(yùn)行方式中分別擔(dān)負(fù)著導(dǎo)引入地電流和不平衡電流的重任[2]。當(dāng)高壓/特高壓直流輸電線路采用單極大地回線方式運(yùn)行時(shí)，泄放入大地中的電流有數(shù)千安培；采用雙極運(yùn)行方式時(shí)，通過接地極泄入大地中的不平衡電流相對(duì)較小，小于額定電流的1%。直流輸電線路大地回路電流運(yùn)行或不平衡電流通過直流接地極泄入大地時(shí)，會(huì)引起附近土壤的電位發(fā)生變化，進(jìn)而使不同地點(diǎn)間產(chǎn)生電位差，這一電位差會(huì)在埋入地中的金屬構(gòu)件中產(chǎn)生電流，從而導(dǎo)致埋地金屬構(gòu)件發(fā)生腐蝕，對(duì)于距接地極較近且長(zhǎng)度較大的埋地金屬構(gòu)件造成的直流雜散電流干擾更為嚴(yán)重，產(chǎn)生的腐蝕影響也更為明顯[3]。

哈密南-鄭州±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱：哈鄭特高壓直流輸電系統(tǒng))于2014年1月正式投運(yùn)，與哈密接地極臨近的管道有成品油管道、原油管道、和西氣東輸兩條天然氣管道，且直流輸電線路與管道長(zhǎng)距離并行。

本工作通過在西氣東輸天然氣管道沿線布置電位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試獲得了直流輸電系統(tǒng)單極大地回線方式運(yùn)行時(shí)，管地電位的變化情況，并基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，分析研究了哈密接地極對(duì)西氣東輸天然氣管道的影響范圍和影響程度，掌握了直流輸電系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下，對(duì)管道的影響規(guī)律。根據(jù)研究結(jié)果讓電力和管道部門了解到特高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)管道造成的影響和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)研究結(jié)可以為電力部門和管道運(yùn)營(yíng)管理部門采取干擾緩解措施提供數(shù)據(jù)和理論支持。

1 高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極的運(yùn)行模式

高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式有雙極運(yùn)行和單極運(yùn)行，單極運(yùn)行方式又分為單極大地回線方式和單極金屬回線方式。

雙極運(yùn)行方式是利用正負(fù)兩極導(dǎo)線和兩端換流站的正負(fù)兩極相連，構(gòu)成直流側(cè)回路，其電路示意圖如圖1所示。正常運(yùn)行時(shí)，直流電流的路徑分別為正極和負(fù)極的兩個(gè)極性。實(shí)際上它是由兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的單極大地回線系統(tǒng)構(gòu)成。正負(fù)兩極在地回路中的電流方向相反，入地電流為兩極電流之差值。入地電流為兩極的不平衡電流，通常小于額定電流的1%。

圖1 雙極運(yùn)行方式電路示意圖Fig. 1 Circuit diagram of bipolar operation mode

圖2 單極大地回線運(yùn)行電路示意圖Fig. 2 Circuit diagram of single pole earth circuit

單極大地回線方式是利用一根導(dǎo)線和大地(或海水)構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，兩端換流站均需接地，其電路示意圖如圖2所示。采用這種方式運(yùn)行時(shí)，大地(或海水)相當(dāng)于直流輸電線路的一根導(dǎo)線，流經(jīng)它的電流為直流輸電工程的運(yùn)行電流，在實(shí)際過程中電流數(shù)值達(dá)數(shù)千安培，入地電流大。大地(或海水)中有直流流過時(shí)，將引起接地極附近埋地金屬構(gòu)件的電化學(xué)腐蝕以及由于中性點(diǎn)接地極變壓器直流偏磁增加而造成的變壓器磁飽和等問題。在單極大地回線運(yùn)行時(shí)，接地極流出電流時(shí)，叫做“陽(yáng)極放電”，接地極流入電流時(shí)，叫做“陰極放電”。直流輸電系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的單極大地回線系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，同一接地極即可能出現(xiàn)陽(yáng)極放電，也可能出現(xiàn)陰極放電。

單極金屬回線方式是利用兩個(gè)導(dǎo)線構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，其中一根導(dǎo)線(也稱金屬返回線)用來(lái)代替單極大地回線方式中的地回線，單極金屬回線運(yùn)行的電路示意圖如圖3所示。在運(yùn)行中，大地中無(wú)電流流過，可以避免單極大地回線方式運(yùn)行所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕和變壓器磁飽和等問題。

圖3 單極金屬回線運(yùn)行電路示意圖Fig. 3 Circuit diagram of single pole metal circuit

2 接地極與管道相對(duì)位置

哈鄭特高壓直流輸電系統(tǒng)哈密接地極采用淺埋型陸地接地極。電極材料為高硅鉻鐵棒，尺寸為φ50 mm×1.5 m。電極敷設(shè)的形狀為同心雙圓環(huán)形，外環(huán)半徑為500 m(周長(zhǎng)為3 141.6 m)，內(nèi)環(huán)半徑為350 m(周長(zhǎng)為2 199.1 m)，電極埋深為3.5 m。最大持續(xù)額定電流為5 000 A，最大過負(fù)荷電流為5 629 A，最大暫態(tài)電流(3S)為6 540 A，雙極不平衡電流為50 A。

哈密接地極與西氣東輸天然氣管道的垂直距離為44 km，離接地極最近的站場(chǎng)為西氣東輸某壓氣站，其與接地極的直線距離為50 km。距離接地極最近的閥室為西氣東輸某閥室，與接地極的直線距離為45 km。西氣東輸天然氣管道的站場(chǎng)進(jìn)出站位置均有跨接線，將上下游管道跨接，西氣東輸全線管道為電連接狀態(tài)。

3 哈鄭特高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)西氣東輸天然氣管道干擾監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

在西氣東輸天然氣管道與接地極不同距離處設(shè)置電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管地電位的變化，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣頻率為每組數(shù)據(jù)10 min，監(jiān)測(cè)的時(shí)間為9個(gè)月，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍為1 000 km以上管道。

3.1 接地極單極大地回線方式統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在接地極非單極大地回線運(yùn)行時(shí)，西氣東輸管線陰極保護(hù)系統(tǒng)正常投運(yùn)時(shí)，管地電位在-1.4 V上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度在200 mV左右，管地電位波動(dòng)情況見圖4(a)；接地極單極大地回線運(yùn)行時(shí)，管地電位發(fā)生正向或者負(fù)向偏移，管地電位的偏移情況見圖4(b)。管地電位發(fā)生偏移的時(shí)刻與電網(wǎng)提供接地極單極運(yùn)行的時(shí)刻一致，因此可以根據(jù)管地電位的偏移時(shí)刻推斷出接地極單極大地回線運(yùn)行時(shí)刻和時(shí)長(zhǎng)。

(a) 接地極非單極大地回線運(yùn)行時(shí)

(b) 接地極單極大地回線運(yùn)行時(shí)圖4 西氣東輸管道離接地極最近測(cè)試樁處電位波動(dòng)圖Fig. 4 Potential fluctuation diagrams of recent test pile to earth electrode on West-East gas pipeline: (a) ground electrode non-single electrode in the earth loop operation; (b) ground electrode single electrode in the earth loop operation

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在2014年10月至2015年6月期間，哈密接地極共進(jìn)行了9次單極大地回線運(yùn)行，運(yùn)行共持續(xù)了72 h，具體放電時(shí)刻和時(shí)長(zhǎng)見表1，其中單次接地極放電最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為62.2 h。

表1 接地極放電時(shí)刻和時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表Tab. 1 Discharge time and time length statistics of ground electrode

3.2 接地極陽(yáng)極放電時(shí)對(duì)管地電位的影響

根據(jù)電位監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在2015-04-18的01∶15～01∶52時(shí)間段內(nèi)，哈密接地極陽(yáng)極放電，西氣東輸管線的管地電位分布如圖5所示。由圖5可見，靠近接地極處，管地電位出現(xiàn)負(fù)向偏移，其中離垂直點(diǎn)21 km處，管地電位負(fù)向偏移最大，其負(fù)向偏移量達(dá)到7.1 V(從-1.4偏移至-8.5 V)，如圖6(a)所示。隨著管道與接地極距離的增大，管地電位負(fù)向偏移量減小，隨后出現(xiàn)電位正負(fù)偏移的分界點(diǎn)，過了分界點(diǎn)后，管地電位往正方向偏移，在某壓氣站處管地電位正向偏移量達(dá)到最大值，為5.4 V(從-1.4偏移至4 V)，如圖6(b)所示。隨著管道與接地極距離的進(jìn)一步增加，管地電位正向偏移減小。根據(jù)管地電位的偏移變化結(jié)果可知，在此次陽(yáng)極放電時(shí)，靠近接地極約106 km處管地電位負(fù)向偏移，遠(yuǎn)離接地極約252 km處管地電位正向偏移明顯；管地電位正負(fù)偏移的分界點(diǎn)位于距離垂直點(diǎn)(管道上距離接地極最近的位置)約54 km處；此次放電的影響范圍約為358 km。

分析接地極陽(yáng)極放電時(shí)，從西氣東輸管道管地電位的偏移結(jié)果可以得到，管道作為一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的電連接體，在接地極放電時(shí)，靠近接地極位置有一

圖5 接地極陽(yáng)極放電對(duì)西氣東輸天然氣管線 管地電位的影響Fig. 5 Effect of ground electrode anodic discharge on pipe-to-soil potential of West-East gas pipeline

(a) 離垂直點(diǎn)21 km處

(b) 離垂直點(diǎn)155 km處圖6 接地極陽(yáng)極放電時(shí)西二線管地電位偏移情況Fig. 6 The pipe-to-soil potential shift diagram of West second line with ground electrode anodic discharge at the test piles 21 km (a) and 155 km (b) away from the vertical point

個(gè)受干擾極大點(diǎn)(見圖6)，在遠(yuǎn)離接地極的位置有兩個(gè)受干擾的極大點(diǎn)。其中一處為某壓氣站；另外一處為以垂直點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)，與圖6某壓氣站對(duì)稱的位置。接地極陽(yáng)極放電時(shí)，靠近接地極的段管道流入電流，離接地極最近位置，電流通過路徑最短，因此流入電流最多，造成管地電位負(fù)向偏移最大。電流流入管道后，管道為良導(dǎo)體，電流往管道上下游流動(dòng)，在遠(yuǎn)離接地極段管道，雜散電流流出，造成管地電位往正向偏移，在上下游的位置均有一處電流流出的最大點(diǎn)。

3.3 接地極陰極放電時(shí)對(duì)管地電位的影響

根據(jù)電位監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在2015-04-23 16∶52～2015-04-25 20∶40時(shí)間段內(nèi)，哈密接地極陰極放電，西氣東輸管道管地電位分布如圖7所示。由圖7可見，靠近接地極的西氣東輸管段管地電位出現(xiàn)正向偏移，其中離垂直點(diǎn)11 km處管地電位正向偏移量最大，正向偏移量達(dá)到11.73 V(從-1.408偏移至10.33 V)，如圖8(a)所示。隨著管道與接地極距離的增加，管地電位正向偏移量減小，隨后出現(xiàn)電位正負(fù)偏移的分界點(diǎn)，過了分界點(diǎn)后，管地電位往負(fù)方向偏移，在某壓氣站處管地電位負(fù)向偏移量達(dá)到最大值，負(fù)向偏移量接近4.76 V(從-1.53偏稱至-6.3 V)，如圖8(b)所示，隨著管道與接地極的距離進(jìn)一步增大，管地電位負(fù)向偏移量減小。根據(jù)管地電位的偏移變化結(jié)果可知，在此次接地極陰極放電時(shí)，靠近接地極約143 km處管地電位正向偏移，遠(yuǎn)離接地極約310 km處管地電位負(fù)向偏移明顯，管地電位正負(fù)偏移的分界點(diǎn)位于距離垂直點(diǎn)88 km處，此次放電的影響范圍約為453 km。

圖7 接地極陰極放電對(duì)西氣東輸天然氣管道 管地電位的影響Fig. 7 Effect of ground electrode cathode discharge on pipe-to-soil potential of West-East gas pipeline

(a) 離垂直點(diǎn)11 km處

(b) 離垂直點(diǎn)155 km處圖8 接地極陰極放電時(shí)西二線管地電位偏移情況圖Fig. 8 The pipe-to-soil potential shift diagram of West second line with ground electrode cathode discharge at the test piles 11 km (a) and 155 km (b) away from the vertical point

接地極陰極放電時(shí)，靠近接地極的管段流出電流，離接地極最近位置，電流通過路徑最短，因此流出電流最多，造成管地電位正向偏移最大。離接地極較近段管道電流流出，管道為良導(dǎo)體，在遠(yuǎn)離接地極段管道，雜散電流流入，造成管地電位往負(fù)向偏移，在管道上下游的位置均有一處電流流入的最大點(diǎn)。

3.4 直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行模式對(duì)管地電位的影響

通過對(duì)比哈密接地極在不同運(yùn)行模型下，離接地極最近位置管地電位波動(dòng)和偏移情況，分析不同運(yùn)行模式對(duì)管地電位的影響規(guī)律。

根據(jù)電力部門提供的信息：在2015-04-18 01∶07～2015-04-18 01∶49，單極金屬回線運(yùn)行；2015-04-21 01∶49～2015-04-23 05∶45，雙極停運(yùn)；2015-04-23 04∶45～2015-04-25 19∶43，單極大地回線方式運(yùn)行，最大入地電流2 900 A；其他時(shí)間段為雙極運(yùn)行。對(duì)比西氣東輸管道離接地極最近測(cè)試樁位置在這幾個(gè)不同時(shí)間段的管地電位可以看出，在單極金屬回線運(yùn)行時(shí)，管地電位波動(dòng)在30 mV左右；接地極雙極停運(yùn)時(shí)，管地電位波動(dòng)在35 mV左右；在單極大地回線運(yùn)行時(shí)，管地電位偏移至9.8 V；接地極雙極運(yùn)行時(shí)，管地電位波動(dòng)在220 mV左右，如圖9所示。測(cè)試結(jié)果顯示，在單極大地回線運(yùn)行時(shí)，接地極的入地電流較大，管地電位發(fā)生了很明顯的

(a) 整體

(b) 局部放大圖9 接地極不同運(yùn)行模式下離接地極最近測(cè)試樁處 管地電位波動(dòng)Fig. 9 The total (a) and partial (b) charts of pipe-to-soil potential wave at the nearest test pile from ground electrode in different operating modes

偏移；在單極金屬回路運(yùn)行或雙極停運(yùn)時(shí)，接地極無(wú)入地電流，管地電位不受接地極的干擾，波動(dòng)較??；當(dāng)接地極雙極運(yùn)行時(shí)，有不平衡電流入地，管地電位受到干擾，發(fā)生明顯的波動(dòng)。

4 結(jié)論

(1) 哈密接地極與西氣東輸管道最近距離為44 km，通過在西氣東輸沿線布置電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)到2014年10月至2015年7月時(shí)間段內(nèi)，接地極單極運(yùn)行9次，放電持續(xù)時(shí)間72 h，最長(zhǎng)的放電持續(xù)62.2 h。

(2) 接地極陽(yáng)極放電時(shí)，靠近接地極約106 km處管地電位負(fù)向偏移，遠(yuǎn)離接地極約252 km處管地電位正向偏移明顯，管地電位負(fù)向偏移量最大值達(dá)到7.1 V，正向偏移量最大值達(dá)到5.4 V，放電的影響范圍約為358 km。

(3) 接地極陰極放電時(shí)，靠近接地極約143 km處管地電位正向偏移，遠(yuǎn)離接地極約310 km管地電位負(fù)向偏移明顯，管地電位負(fù)向偏移量最大值達(dá)到4.76 V，正向偏移量最大值達(dá)到11.73 V，放電的影響范圍約為453 km。

(4) 將接地極運(yùn)行信息與管地電位監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析獲得了接地極不同運(yùn)行模式對(duì)管地電位的影響規(guī)律：接地極單極金屬回線方式運(yùn)行時(shí)，接地極無(wú)流入流出電流，對(duì)管地電位沒有影響；接地單極大地回線方式運(yùn)行時(shí)，直流系統(tǒng)運(yùn)行電流通過接地極流入流出，使管地電位發(fā)生明顯的正向或者負(fù)向偏移；接地極雙極運(yùn)行時(shí)，接地極有雙極運(yùn)行造成的不平衡電流的流入流出，使得管地電位發(fā)生明顯的波動(dòng)。

[1] 李文文，劉超，鄒軍，等. 高壓/特高壓直流輸電線路對(duì)鄰近金屬管道危險(xiǎn)影響暫態(tài)分析[C]//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電磁干擾專業(yè)委員會(huì)第十二屆學(xué)術(shù)會(huì)議. 武漢：[出版者不詳]，2012.

[2] 陸家榆，鞠勇，薛辰東，等. 直流接地極測(cè)試方法研究[C]//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電磁干擾專業(yè)委員會(huì)第九屆學(xué)術(shù)會(huì)議. 北京：[出版者不詳]，2004.

[3] 胡毅. 直流接地極電流對(duì)輸電線路接地構(gòu)件的腐蝕影響研究[J]. 中國(guó)電力，2000，33(1)：58-61.

Field Test and Analysis of Interference of High or Ultra High Voltage Direct Current Transmission System to Underground Steel Pipeline

LI Zhen-jun

(PetroChina West Pipeline Company, Wulumuqi 830013, China)

The minimum distance between the Hami ground electrode in Hami South-Zhengzhou ±800 kV ultra high voltage direct current (HVDC) transmission system and the West-East gas pipeline system is 44 km. The change of pipe-to-soil potential was monitored and tracked along the West-East gas pipelines during the periods of the transmission line operating in the monopolar configuration with earth return. By analyzing the test data, the interference range and degree of Hami grounding electrode to the West-East gas pipeline were obtained, and the interference law to the pipe-to-soil potential was also mastered under different operating modes of HVDC.

high or ultra high voltage direct current transmission system; underground pipeline; stray DC interference; monopolar configuration with earth return; pipe-to-soil potential monitoring

10.11973/fsyfh-201702012

2015-10-14

李振軍(1984-)，工程師，本科，主要從事腐蝕控制相關(guān)研究工作，0991-7561381，xbgdlizhj@petrochina.com.cn

TG174.41

B

1005-748X(2017)02-0142-05