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(1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院,成都 610500;2. 中國(guó)石油管道科技研究中心 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,廊坊 065000)
應(yīng)用固態(tài)去耦合器減緩交流干擾的效果評(píng)價(jià)
宋曉琴1,王文強(qiáng)1,藍(lán)衛(wèi)2,徐承偉2
(1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院,成都 610500;2. 中國(guó)石油管道科技研究中心 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,廊坊 065000)
受高壓交流輸電線路接地極影響,三層聚乙烯防腐蝕層(3LPE)管道容易受到較強(qiáng)的交流干擾,通常采取“固態(tài)去耦合器+接地極”的減緩措施。通過(guò)對(duì)交流減緩效果、陰極保護(hù)效果、排流影響范圍、直流漏流量等現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,全面介紹了一種固態(tài)去耦合器性能評(píng)價(jià)方案,并指出現(xiàn)有固態(tài)去耦合器在使用過(guò)程中存在過(guò)度設(shè)計(jì)及故障電流下銅接地極易出現(xiàn)電偶腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)。
固態(tài)去耦合器;交流減緩;接地極;陰極保護(hù)
隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,高壓輸電線路及埋地鋼質(zhì)管道在“公共走廊”內(nèi)長(zhǎng)距離并行和交叉的現(xiàn)象逐漸增多[1-3]。當(dāng)鋼質(zhì)管道與高壓線桿塔之間的距離小于安全距離且采用高絕緣性能的3LPE防腐蝕層時(shí),管道容易因電磁感應(yīng)耦合等因素而受到嚴(yán)重交流干擾。國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要通過(guò)測(cè)量交流電位及交流電流密度等參數(shù)來(lái)判斷干擾程度,并提出相應(yīng)的減緩措施,以降低管道的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。目前常用的減緩方式有直接接地、犧牲陽(yáng)極接地及固態(tài)去耦合器接地等[6-7]。與其他排流方式相比,“固態(tài)去耦合器+接地極”的排流方式具有抗雷電和故障電流效果好、陰極保護(hù)電流損失少、啟動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)。固態(tài)去耦合器已在國(guó)內(nèi)研制成功并在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用,但缺乏對(duì)固態(tài)去耦合器性能評(píng)價(jià)、陰極保護(hù)運(yùn)行影響評(píng)價(jià)及管道排流有效性評(píng)價(jià)等方面的研究。
目前,國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅提出了交流干擾的減緩目標(biāo),均未涉排流效果評(píng)價(jià)的相關(guān)內(nèi)容。GB/T 50698-2011《鋼質(zhì)埋地管道交流干擾預(yù)防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》指出:1) 排流設(shè)施不得對(duì)管道陰極保護(hù)有效性造成影響;2) 排流評(píng)價(jià)點(diǎn)的選取原則;3) 排流前后測(cè)試過(guò)程、方法及設(shè)備的統(tǒng)一性原則;4) 在土壤電阻率不大于25 Ω·m的區(qū)域,管道交流干擾電壓低于4 V;在土壤電阻率大于25 Ω·m的區(qū)域,交流電流密度小于60 A/m2;5) 在安裝陰極保護(hù)管道上的持續(xù)干擾電壓和瞬間干擾電壓應(yīng)低于相應(yīng)設(shè)備所能承受的抗工頻干擾電壓和抗電強(qiáng)度指標(biāo),并滿足安全接觸電壓的要求。NACE SP 0177-2014提出“交流及雷電保護(hù)設(shè)計(jì)考慮因素應(yīng)包括穩(wěn)態(tài)條件和故障條件,應(yīng)明確減緩措施及目標(biāo)”。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中缺乏后評(píng)價(jià)檢測(cè)內(nèi)容,易使管道管理單位忽視對(duì)固態(tài)去耦合器性能及其對(duì)陰極保護(hù)效果的評(píng)價(jià)。本工作介紹了一種固態(tài)去耦合器的評(píng)價(jià)方案。
目前常用固態(tài)去耦合器的類型主要有二極管模式和晶閘管模式[8],內(nèi)部電子元件主要包括二極管(晶閘管)、電容及浪涌保護(hù)裝置等。其中,二極管(晶閘管)主要起隔斷/導(dǎo)通直流電流功能;電容主要起導(dǎo)通交流電流功能,穩(wěn)態(tài)交流電流通過(guò)電容及接地地床由管道流向大地;浪涌保護(hù)裝置與電容器或二極管(晶閘管)并聯(lián),主要由氣體放電管構(gòu)成,導(dǎo)通雷電等大電流。
目前國(guó)內(nèi)外尚未有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)固態(tài)去耦合器的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行規(guī)范,僅有生產(chǎn)廠家提出去耦合器的主要技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)要求。表1為某廠家產(chǎn)去耦合器的主要技術(shù)參數(shù),包含閾值電壓、直流泄流量、交流故障電流、穩(wěn)態(tài)交流電流及雷電沖擊通流容量能力等。
表1 常見(jiàn)固態(tài)去耦合器的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of common solid state decoupler
固態(tài)去耦合器減緩交流干擾效果的主要評(píng)價(jià)內(nèi)容有:1) 固態(tài)去耦合器交流排流效果評(píng)價(jià);2) 排流點(diǎn)位置對(duì)上下游管道交流干擾影響評(píng)價(jià);3) 固態(tài)去耦合器直流漏流量評(píng)價(jià);4) 交流干擾管段陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià);5) 開(kāi)展去耦合器接地極性能評(píng)價(jià)等。
某成品油管道,管徑為φ710 mm,采用3LPE外防腐蝕層,交流干擾主要集中在K514~K556測(cè)試樁,干擾管段總長(zhǎng)約40 km。兩處干擾源為路由與管道交叉的220 kV和500 kV高壓交流輸電線路,交叉位置分別為K530+217 m與K542+628 m處。兩處固態(tài)去耦合器安裝位置為K528-300 m和K542+573.7 m處。所選用的固態(tài)去耦合器為晶閘管、電容及浪涌保護(hù)器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。固態(tài)去耦合器的性能指標(biāo)見(jiàn)表1,排流點(diǎn)接地極均采用截面積為35 mm2的裸銅線,長(zhǎng)度為200 m,平行于管道鋪設(shè),距離為3 m。
圖1 固態(tài)去耦合器關(guān)閉及運(yùn)行時(shí)交流干擾對(duì)比Fig. 1 AC interference comparison of the closing and running time of solid state decoupler
由圖1可見(jiàn):兩臺(tái)固態(tài)去耦合器關(guān)閉時(shí),在K529及K542測(cè)試樁處管道的干擾強(qiáng)度最大,兩處的土壤電阻率分別為14.6 Ω·m和24.8 Ω·m,計(jì)算可知平均交流電流密度分別為439.9 A/m2和290.8 A/m2,屬于“強(qiáng)”干擾,兩處干擾源干擾較強(qiáng)的影響范圍分別為K522~K536測(cè)試樁及K539~K550測(cè)試樁。兩臺(tái)固態(tài)去耦合器工作后,管道整體交流干擾明顯受到抑制,尤其以K529及K542測(cè)試樁附近處管道減緩效果為最佳,減緩后平均交流電壓1.24 V和1.10 V,減緩率分別達(dá)到95.8%和96.2%(見(jiàn)圖2)。固態(tài)去耦合器雖然能使得排流點(diǎn)處交流干擾電壓明顯下降,卻使得去耦合器上下游交流干擾明顯增加,如圖1中K530~K536管段,交流電壓仍在10 V以上。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,此處需要進(jìn)一步增設(shè)排流點(diǎn),使得全段滿足交流電壓小于4 V的要求。
圖2 固態(tài)去耦合器運(yùn)行時(shí)交流干擾減緩效果Fig. 2 Effect of AC interference during the operation of solid state decoupler
由表2可見(jiàn):K528-300 m和K542+573.7 m兩處交流排流量均遠(yuǎn)小于穩(wěn)態(tài)交流電流額定值,排流能力良好,觸摸去耦合器外殼,未發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。直流漏流量測(cè)試結(jié)果表明,在去耦合器端子電壓-2~2 V的工作范圍內(nèi),僅K528-300 m處的漏流量小于1 mA,而K542+573.7 m處去耦合器漏流量為-2.79 mA,雖不滿足小于1 mA的技術(shù)參數(shù)要求,但由于整體漏流量較小且未達(dá)到直流導(dǎo)通狀態(tài),現(xiàn)場(chǎng)初步判斷內(nèi)部晶閘管性能可能退化,具體原因需要實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步測(cè)試分析。此外,兩處去耦合器的內(nèi)阻和1 mA極限漏流量時(shí)閾值均滿足技術(shù)要求。
表2 固態(tài)去耦合器性能測(cè)試結(jié)果Tab. 2 Field performance test of solid state decoupler
在管道外檢測(cè)過(guò)程中,若固態(tài)去耦合器未與接地極斷開(kāi)會(huì)造成斷電電位的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。固態(tài)去耦合器中內(nèi)存在電容元件,起到“隔直通交”的作用。管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行期間,管道與接地極之間的電位差會(huì)給電容持續(xù)充電。斷電測(cè)試時(shí),電容會(huì)瞬間放電,使得電流通過(guò)接地極進(jìn)入管道附近的土壤環(huán)境中,一旦周圍有防腐蝕層破損點(diǎn),電流會(huì)從此處流入。電容器的放電量還沒(méi)有衰減到可以忽略不計(jì)就進(jìn)行測(cè)試,會(huì)造成斷電電位的測(cè)量值比真實(shí)值偏負(fù),這是因?yàn)闇y(cè)量值包含電容放電流經(jīng)土壤的IR降。圖3為兩處去耦合器在0.1 A電流下充電48 h后放電過(guò)程中附近測(cè)試樁記錄的管地電位,可以看到在500 min內(nèi)電位波動(dòng)較大,且電位波動(dòng)隨放電時(shí)間的延長(zhǎng)變小,這可能是由相鄰連接管道上的多個(gè)去耦合器中的電容元件來(lái)回充放電導(dǎo)致的。放電一段時(shí)間后,斷電電位才趨于穩(wěn)定。SEGALL等[9]曾對(duì)比研究了固態(tài)去耦合器運(yùn)行及關(guān)閉兩種工況下對(duì)斷電電位測(cè)試結(jié)果的影響,顯示在固態(tài)去耦合器運(yùn)行時(shí),所測(cè)得的斷電電位較斷開(kāi)時(shí)更負(fù),且需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的衰減放電過(guò)程,兩條斷電電位測(cè)試曲線才趨于一致。
圖3 固態(tài)去耦合器放電過(guò)程中管地電位變化Fig. 3 The change of pipe-to-earth potential during discharge of solid state decoupler
固態(tài)去耦合器放電造成的干擾會(huì)對(duì)沿線陰極保護(hù)測(cè)試帶來(lái)負(fù)向誤差,為了減小去耦合器放電對(duì)陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)的影響,推薦根據(jù)SY/T 0029-2012標(biāo)準(zhǔn)推薦的極化探頭或埋設(shè)檢查片的方式進(jìn)行陰極保護(hù)評(píng)價(jià),并根據(jù)試片失重情況計(jì)算陰極保護(hù)率和腐蝕速率,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn):交流干擾管段陰極保護(hù)依然有效,陰極保護(hù)下管道的腐蝕速率均低于0.01 mm/a,達(dá)到了陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。陰極保護(hù)率均高于標(biāo)準(zhǔn)要求的不低于85%的指標(biāo)。
表3 陰極保護(hù)效果評(píng)價(jià)結(jié)果Tab. 3 Evaluation results of cathodic protection effect
交流干擾管段的排流效果取決于排流點(diǎn)位置、接地極的接地電阻及防腐蝕層質(zhì)量等因素。由固態(tài)去耦合器運(yùn)行與關(guān)閉時(shí)測(cè)得管道上下游交流電位,可知K528-300 m和K542+573.7 m兩處的固態(tài)去耦合器雖然能顯著抑制排流點(diǎn)附近的管道交流干擾,但影響的區(qū)域十分有限。圖1顯示在兩處排流點(diǎn)的中間區(qū)域(K530~K536)排流后交流電壓仍在10 V以上,交流減緩率遠(yuǎn)遜于排流點(diǎn)附近的減緩效果。PCM檢測(cè)結(jié)果顯示在K528-300 m附近的排流點(diǎn)處的防腐蝕層漏點(diǎn)較多,通過(guò)接地極排出的交流電流在防腐蝕層漏點(diǎn)處重新進(jìn)入管道造成“二次干擾”,需要重新設(shè)計(jì)新的去耦合器位置。
在管道的交流干擾排流中,應(yīng)綜合現(xiàn)場(chǎng)的干擾情況,采取分步設(shè)計(jì)與施工,再輔以干擾同步測(cè)試的方法,才能達(dá)到交流減緩的要求。對(duì)于距離較長(zhǎng)且排流點(diǎn)較少的管段,文獻(xiàn)報(bào)道可以采用如下理論公式進(jìn)行排流設(shè)計(jì)[10-11]
式中:Vo為排流前管道交流電壓,V;Vmit為緩解目標(biāo)電壓,V;Z為管道特征阻抗,Ω;R為接地極的接地電阻。針對(duì)某一管道,管道特征阻抗為固定值,當(dāng)確定目前交流干擾電壓和減緩后的目標(biāo)電壓(通常為4 V)后,可以推斷此時(shí)的接地電阻,從而對(duì)接地極的長(zhǎng)度或深度進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于干擾情況復(fù)雜的管段,則可以通過(guò)收集現(xiàn)場(chǎng)的交流電壓、交流干擾密度及土壤電阻率等參數(shù),采用專業(yè)軟件(如SES-CDEGS)來(lái)進(jìn)行干擾減緩方案的設(shè)計(jì)。
在管道的交流減緩設(shè)計(jì)中,既要避免排流點(diǎn)位置設(shè)計(jì)不當(dāng)造成排流點(diǎn)遠(yuǎn)處管道交流電壓升高的現(xiàn)象,更要避免排流器過(guò)度設(shè)計(jì)的情況。目前新建管道的交流干擾減緩設(shè)計(jì)中,突出存在固態(tài)去耦合器排流點(diǎn)及接地極過(guò)度及超前設(shè)計(jì)的現(xiàn)象,其中新建管道通常每間隔幾十公里,在站場(chǎng)(閥室)絕緣接頭外側(cè),或者與交流輸電線路、電氣化鐵路交叉平行時(shí)就會(huì)安裝固態(tài)去耦合器。排流點(diǎn)的設(shè)置,接地極的規(guī)模,與管道之間的距離通常根據(jù)設(shè)計(jì)者以往的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工條件隨意設(shè)置。而埋地管段的交流干擾強(qiáng)度主要取決于管道與交流輸電線路等干擾源的位置關(guān)系。交流減緩設(shè)計(jì)仍應(yīng)以前期的建模為主,根據(jù)后期實(shí)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化排流點(diǎn),盡量在合理的工程投資下取得最良好的效果。
(1) 固態(tài)去耦合器故障短路時(shí)與銅接地極之間存在電偶腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。目前固態(tài)去耦合器通常采用銅導(dǎo)線作為接地極,這是因?yàn)殂~接地具有使用效果良好、自腐蝕速率低等優(yōu)點(diǎn)[11]。但是固態(tài)去耦合器遭受雷電等大電流時(shí),會(huì)處于交、直流故障導(dǎo)通狀態(tài),從而存在管道與銅接地之間發(fā)生電偶腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。此外,銅導(dǎo)線在得不到外來(lái)電流保護(hù)且埋設(shè)在氧濃度高且潮濕的土壤環(huán)境中時(shí),易在表面生成綠色的銅銹,顯著降低接地效果。
(2) 去耦合器上的殘余電壓及兩端銅引線的感應(yīng)電壓易使絕緣接頭兩端電壓差超過(guò)耐受電壓,造成其電擊穿。安裝時(shí)應(yīng)盡量減少去耦合器與絕緣接頭相連的銅引線的長(zhǎng)度。
探討了固態(tài)去耦合器減緩交流干擾技術(shù)的內(nèi)容,主要包括以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):1) 固態(tài)去耦合器交流排流效果評(píng)價(jià);2) 排流點(diǎn)位置對(duì)上下游管道交流干擾影響評(píng)價(jià);3) 固態(tài)去耦合器直流漏流量評(píng)價(jià);4) 交流干擾管段陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià);5) 去耦合器接地極性能評(píng)價(jià)。并根據(jù)減緩實(shí)例及設(shè)備指標(biāo)要求提出相應(yīng)的測(cè)試參數(shù)、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和影響因素。
由于過(guò)度設(shè)計(jì)固態(tài)去耦合器排流器,在減緩交流干擾的前提下,會(huì)給管道陰極保護(hù)評(píng)價(jià)帶來(lái)不利影響。在雷電等故障電流沖擊下,固態(tài)去耦合器可能處于導(dǎo)通狀態(tài),使用銅接地極可能會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生電偶腐蝕,應(yīng)在開(kāi)展減緩交流干擾評(píng)價(jià)技術(shù)的同時(shí)加強(qiáng)對(duì)排流效果的跟蹤檢測(cè)。
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EffectEvaluationofSolidStateDecouplerUsedforMitigotionofACInterference
SONG Xiaoqing1, WANG Wenqiang1, LAN Wei2, XU Chengwei2
(1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;2. National Engineering Laboratory of Transportation Safety of Oil & Gas Pipeline, PetroChina PipelineR & D Center, Langfang 065000, China)
“Solid state decoupler + copper grounding”, as a common AC mitigation measurement, is often used in underground pipelines which are coated with three layer polyethylene coating and affected by grounding of adjacent high voltage AC transmission lines. A comprehensive solid state decoupler evaluation is introduced by means of the field parameter test of AC mitigation performance, cathodic protection and DC leakage. The risk of excessive design and copper grounding prone to galvanic corrosion is also pointed.
solid state decoupler; AC mitigation; grounding; cathodic protection
10.11973/fsyfh-201711014
TE988
B
1005-748X(2017)11-0885-04
2016-03-20
王文強(qiáng)(1982-),碩士研究生,從事管道腐蝕與防護(hù)專業(yè),17731601027,17731601027@163.com