上海天然氣管網(wǎng)有限公司 金東琦

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源的剛性需求和分布不均勻的現(xiàn)狀,客觀上要求在大范圍內(nèi)對(duì)能源進(jìn)行長距離轉(zhuǎn)移并優(yōu)化配置，因此高壓電網(wǎng)和長輸油氣管網(wǎng)日益取得了蓬勃發(fā)展。然而，油氣管網(wǎng)和高壓直流輸電網(wǎng)之間相互靠近的情況不可避免地暴露了一些嚴(yán)峻的安全問題。HVDC輸電系統(tǒng)也對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)(例如上海、深圳等)的運(yùn)行造成了同樣的電干擾。

正常情況下 HVDC輸電系統(tǒng)采用雙極運(yùn)行方式，但在投運(yùn)初期、年度檢修以及出現(xiàn)故障排查時(shí)，切換至單極大地返回運(yùn)行方式，上千安培電流通過接地極直接入地，對(duì)附近的油氣輸送管道、化工產(chǎn)品輸送管道、輸水管道、給水管道、通訊電纜、鐵路路軌、地鐵盾構(gòu)等埋地金屬構(gòu)筑物都會(huì)造成明顯電干擾，引發(fā)雜散電流腐蝕問題，甚至對(duì)人員、設(shè)施安全帶來嚴(yán)重的安全隱患。

在城市燃?xì)忸I(lǐng)域關(guān)于 HVDC雜散電流對(duì)管道的干擾研究甚少，因此此項(xiàng)研究有重要意義。本文主要從管網(wǎng)公司所轄在役高壓天然氣主干網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)際出發(fā)，梳理上海地區(qū)已運(yùn)行HVDC輸電線路接地極與主干網(wǎng)的相互位置關(guān)系，了解HVDC輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式、雜散電流產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)金屬結(jié)構(gòu)物的危害，應(yīng)用陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)值模擬技術(shù)，初步提出主干網(wǎng)的HVDC雜散電流防護(hù)措施，并為待建化工區(qū)復(fù)線的防護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 上海高壓天然氣主干網(wǎng)與HVDC輸電系統(tǒng)相關(guān)現(xiàn)狀

2001年1月，上海市天然氣主干輸氣管網(wǎng)建設(shè)工程全面啟動(dòng)。經(jīng)過 10余年的蓬勃發(fā)展，天然氣主干網(wǎng)一期、二期項(xiàng)目及崇明項(xiàng)目等相繼完工投運(yùn)，在役主干網(wǎng)運(yùn)行總長約750 km。主要沿外環(huán)線和郊環(huán)線分布，壓力級(jí)制為1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa和6.0 MPa，形成“南北貫通、東西互補(bǔ)、兩環(huán)相連”的格局，已然成為上海市重要的能源生命線。此外，化工區(qū)作為重要區(qū)域用戶，將增加一條總長約40 km復(fù)線，為其安全可靠供氣提供強(qiáng)有力保障。

經(jīng)前期調(diào)查上海地區(qū)目前有4條HVDC輸電線路，3個(gè)HVDC接地極，即南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極，分別位于奉賢燎原農(nóng)場、金山區(qū)廊下鎮(zhèn)和青浦區(qū)練塘鎮(zhèn)，線路詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 上海高壓直流輸電線路工程

據(jù)調(diào)研結(jié)果，上海地區(qū)HVDC接地極與在役主干網(wǎng)的相對(duì)位置如圖1所示。腰涇接地極、廊下接地極和南橋接地極與主干網(wǎng)的最短距離分別約為3.5 km、9.2 km和6.2 km；而南橋接地極與待建化工區(qū)復(fù)線的最短距離也只有約4.5 km。

圖1 上海三個(gè)接地極與主干網(wǎng)的相互位置關(guān)系

2 雜散電流產(chǎn)生機(jī)理及危害

2.1 HVDC輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式及雜散電流產(chǎn)生機(jī)理

與交流輸電相比，直流輸電具有線路造價(jià)低、傳輸功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，因此長距離傳輸多采用HVDC輸電方式。HVDC輸電系統(tǒng)是將交流電轉(zhuǎn)化為直流電進(jìn)行傳輸，在受端再逆轉(zhuǎn)為交流電降壓后進(jìn)行供電的輸電方式?；旧嫌烧髡?、逆變站和直流輸電線路組成，整流站、逆變站與兩端的交流系統(tǒng)相連接原理、示意圖如圖2所示。

圖2 HVDC輸電系統(tǒng)示意

HVDC輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式主要有雙極運(yùn)行方式、單極大地回路運(yùn)行方式和單極金屬回路運(yùn)行方式，示意圖見圖3。正常情況下，為雙極運(yùn)行方式，如圖3(a)所示，該模式下極I、極II回路電流數(shù)值上相等但方向相反，流經(jīng)大地回路的入地電流IG基本為0，但考慮到設(shè)備整流運(yùn)行上的差異，極I和極II回路電流存在些許差異，設(shè)計(jì)中要求控制在輸送電流的 1%以內(nèi)，但投運(yùn)初期、年度檢修或出現(xiàn)故障排查時(shí)，切換為單極大地回路運(yùn)行，如圖3(b)所示，輸電電流通過接地極流入大地形成閉合回路，大量電流通過大地回流，會(huì)極大程度地抬升或降低接地極周圍大地電壓，對(duì)附近的金屬管道及構(gòu)筑物造成雜散電流干擾。在某些情況下，電力方也會(huì)采用金屬回路，如圖3(c)所示，電流不經(jīng)過大地回流，而是通過一根金屬電纜線回流，該模式下不會(huì)產(chǎn)生任何雜散電流，但會(huì)增加電力投資。

圖3 HVDC不同運(yùn)行方式原理

當(dāng)HVDC雙極運(yùn)行時(shí)，不平衡入地電流一般情況只有輸電電流的 1%左右，幾十安培的電流對(duì)幾公里以外的管線明顯不干擾；而HVDC單極大地回路運(yùn)行時(shí)，幾千安培的直流電流直接通過大地回流，接地極放電方式不同會(huì)對(duì)附近管道造成不同的干擾影響。

若接地極放電方式為陽極放電，即電流從接地極流向土壤，那么接地極附近區(qū)域雜散電流從土壤流入管道，而遠(yuǎn)離接地極區(qū)域雜散電流從管道流出；相反，若接地極放電方式為陰極放電，即電流從土壤流向接地極，那么接地極附近區(qū)域雜散電流從管道出，而遠(yuǎn)離接地極區(qū)域雜散電流從土壤流向管道，如圖4所示。

圖4 接地極陽極和陰極放電對(duì)管道造成的干擾影響示意

2.2 HVDC雜散電流危害

HVDC雜散電流干擾與其他干擾源相比因其干擾電流大，管道受干擾的強(qiáng)度更高，影響范圍更遠(yuǎn)，危害也更加嚴(yán)重。不僅會(huì)對(duì)管道本身造成影響，更會(huì)對(duì)操作設(shè)備的人員安全造成隱患。從管道角度分析，雜散電流從管道流向土壤，管地電位變正，管道加速腐蝕，根據(jù)法拉第定律，1 A/m2的電流會(huì)造成管壁1.16 mm/a的減薄，而管道防腐層破損處泄漏電流密度可能遠(yuǎn)大于此值，因此管道有很高的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，如天然氣管道長時(shí)間受到干擾影響，可能會(huì)引起管道腐蝕穿孔，造成天然氣泄漏、火災(zāi)爆炸等事故。雜散電流從土壤流向管道位置，管地電位變的很負(fù)，管道過保護(hù)，可能造成防腐層剝離或高強(qiáng)度鋼氫脆現(xiàn)象。從設(shè)備和人員安全角度分析，在土壤電阻率較高的地址環(huán)境中，管道干擾電壓較高，可能超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定穩(wěn)態(tài)時(shí)接觸電壓的限值35 V，對(duì)操作人員的人生安全造成危害；而非等電位連接的設(shè)備之間也會(huì)因?yàn)檫^大的電位差造成設(shè)施打火、放電和燒蝕，甚至引發(fā)爆炸。

3 HVDC雜散電流對(duì)管道的腐蝕干擾監(jiān)測和數(shù)值模擬計(jì)算

基于電力公司 HVDC輸電系統(tǒng)計(jì)劃檢修的保密性、可能發(fā)生故障的隨機(jī)性和接地極運(yùn)行方式的不確定性，本次研究在役主干網(wǎng)設(shè)置安裝 25套陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，見圖5所示，主要用于監(jiān)測管道通電電位、試片極化電位計(jì)交流電壓等。監(jiān)測點(diǎn)布置依據(jù)為可能干擾強(qiáng)度最大位置區(qū)域及適當(dāng)布設(shè)可能影響區(qū)域以評(píng)估干擾強(qiáng)度及干擾范圍。

圖5 25處陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置設(shè)置位置

3.1 陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)簡介

電位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)包括電位遠(yuǎn)程監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和主站服務(wù)器三部分。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 6所示。電位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，通過在管道線路上安裝電位監(jiān)測終端，采用試片法實(shí)時(shí)采集管道的通/斷電電位，利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)傳輸至主站服務(wù)器內(nèi)，再通過主站服務(wù)器查詢和分析管道的通/斷電電位來判斷管道受南橋接地極的干擾情況。

圖6 電位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 在役主干網(wǎng)受HVDC雜散電流干擾監(jiān)測

2016年12月至2017年10月，在11個(gè)月的監(jiān)測過程中，南橋接地極共監(jiān)測到 27次放電，其中陽極放電5次，陰極放電22次，總放電持續(xù)時(shí)間851 h40 m；廊下接地極共監(jiān)測到14次放電，其中陽極放電8次，陰極放電6次，總放電持續(xù)時(shí)間56 h10 m；腰涇接地極共監(jiān)測到19次，其中陽極放電13次，陰極放電6次，總放電持續(xù)時(shí)間70 h25 m。具體電網(wǎng)參數(shù)和管道監(jiān)測參數(shù)見表2所示：

表2 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總

從表2數(shù)據(jù)分析，上海HVDC輸電系統(tǒng)在這將近一年的運(yùn)行時(shí)間里，南橋接地極和廊下接地極放電最大電流接近額定電流，電力公司雖未提供腰涇接地極的放電電流，但對(duì)比干擾數(shù)據(jù)可知，放電電流也基本達(dá)到額定電流。

從放電時(shí)間上顯示，南橋接地極實(shí)際放電時(shí)間851 h40 m，年放電率為9.8%；廊下接地極實(shí)際放電時(shí)間為56 h10 m，年放電率為0.64%；腰涇接地極總放電時(shí)間為70 h25 m，年放電率為0.81%。從放電次數(shù)上顯示，南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極的放電次數(shù)分別達(dá)到27次、14次和19次。根據(jù)《高壓直流換流站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5223—2005)對(duì)HVDC系統(tǒng)可靠性的規(guī)定，強(qiáng)迫能源不可用率不大于0.5%，計(jì)劃能源不可用率不大于1%，接地極單極強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)不大于5次/(極·年)，雙極強(qiáng)迫停運(yùn)不大于0.1次/年。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)要求，南橋接地極的年放電率遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)的限定值要求，而三個(gè)接地極的放電次數(shù)也均偏多。因此，電力公司應(yīng)重視HVDC接地極放電時(shí)間和放電次數(shù)，并采取有效措施加以控制。

HVDC雜散電流干擾是近幾年新發(fā)現(xiàn)的干擾模式，燃?xì)庑袠I(yè)范圍內(nèi)尚未出臺(tái)可參考的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，故仍沿用《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 21448—2008)和《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50991—2014)關(guān)于埋地管道直流雜散電流識(shí)別和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。一般地，陰極保護(hù)水平(管道極化電位)應(yīng)負(fù)于-850 mVCSE(mVCSE表示電位測量是相對(duì)于銅—硫酸銅參比電極，單位為毫伏，下同)。從監(jiān)測到的極化電位可知，在接地極單極運(yùn)行工況下，管道側(cè)實(shí)際監(jiān)測到的管道最正極化電位數(shù)值均已正于-850 mVCSE管道陰極保護(hù)準(zhǔn)則，造成腐蝕隱患，需采取一定措施。圖7為2017年2月18日南橋接地極陰極放電時(shí)管道上監(jiān)測到通電電位和極化電位波動(dòng)截屏。

圖7 南橋接地極放電時(shí)不同位置管道通電電位和極化電位

(a)至(d)監(jiān)測點(diǎn)為管道離接地極逐漸變遠(yuǎn)，對(duì)比(a)、(b)、(c)可知，接地極陰極放電時(shí)，接地極附近管道電位正向偏移，電流從管道流向土壤，且隨著管道與接地極距離增大，干擾程度逐漸減弱，最近點(diǎn)干擾程度最大；從(d)可知，該監(jiān)測點(diǎn)管地電位負(fù)向偏移，與(a)、(b)、(c)干擾極性相反，電流從土壤流向管道。

圖8為監(jiān)測到各個(gè)接地極的放電次數(shù)與月份關(guān)系圖，從圖中可以看出，放電高峰主要集中在6月份，這很可能與夏季用電高峰前HVDC輸電系統(tǒng)的集中檢修有很大的關(guān)系。

圖8 三個(gè)接地極放電次數(shù)與月份關(guān)系

3.3 HVDC雜散電流干擾數(shù)值模擬計(jì)算評(píng)估

數(shù)值模擬技術(shù)依靠電子計(jì)算機(jī)，結(jié)合有限元、邊界元等概念，通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)工程問題研究的目的。本研究采用 BESAY數(shù)值模擬計(jì)算軟件，通過對(duì)現(xiàn)場在役主干網(wǎng)、待建化工區(qū)復(fù)線和HVDC接地極基礎(chǔ)資料調(diào)研分析、模型建立、利用現(xiàn)場測試的邊界條件和監(jiān)測干擾數(shù)據(jù)不斷校核和優(yōu)化已建模型，利用可接受的模型預(yù)測和評(píng)估干擾狀態(tài)，最終達(dá)到優(yōu)化防護(hù)設(shè)計(jì)方案的目的，具體技術(shù)路線見圖9。

圖9 技術(shù)路線

3.3.1 待建化工區(qū)復(fù)線數(shù)值模擬計(jì)算

因待建化工區(qū)復(fù)線管道尚未敷設(shè)，無法通過在線監(jiān)測得到實(shí)際干擾數(shù)據(jù)，只能利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算。圖 10為南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極額定電流放電情況下，化工區(qū)兩端陰極保護(hù)恒電位儀控制-850 mVCSE時(shí)管道的受干擾程度，南橋接地極陰極放電時(shí)，管道中間位置管地電位正向偏移波動(dòng)至+480 mVCSE，影響很大，而廊下和腰涇接地極影響較小。

圖10 待建化工區(qū)復(fù)線受干擾程度模擬計(jì)算

3.3.2 在役主干網(wǎng)數(shù)值模擬計(jì)算

圖11～13分別為南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極陰極和陽極放電時(shí)，主干網(wǎng)的受干擾模擬計(jì)算云圖，從圖中可以看出，南橋接地極陰極額定電流放電，接地極附近管道電流流出，管道電位正向偏移嚴(yán)重，最正位置電位達(dá)到788 mVCSE，距離接地極較遠(yuǎn)位置管道電位明顯正向偏移，南橋接地極陽極額定電流放電時(shí)，遠(yuǎn)離接地極位置電流流出，電位正向偏移，最正位置電位達(dá)到-315 mVCSE；廊下接地極陰極額定電流放電，距離廊下接地極較近位置管道電流流出，管道電位明顯正向偏移，最正位置電位達(dá)到728 mVCSE左右；廊下接地極陽極額定電流放電，距離廊下接地極較遠(yuǎn)位置管道電流流出，管道電位明顯正向偏移，最正位置電位達(dá)到-424 mVCSE左右；腰涇接地極陰極額定電流放電，近接地極位置管道電流流出，電位明顯正向偏移達(dá)到547 mVCSE左右，腰涇接地極陽極額定電流放電時(shí)，距離接地極較遠(yuǎn)的大港門站附近管道電流流出，電位正向波動(dòng)較大，達(dá)到-331 mVCSE左右。無論何種放電模式，均有一定數(shù)量的主干網(wǎng)管道電位正于-850 mVCSE，處于腐蝕風(fēng)險(xiǎn)中。

圖11 南橋接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算

圖12 廊下接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算

圖13 腰涇接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算

4 防護(hù)措施研究

4.1 待建化工區(qū)復(fù)線防護(hù)措施研究

通過數(shù)值模擬軟件計(jì)算待建化工區(qū)復(fù)線受HVDC南橋接地極干擾程度，對(duì)比絕緣處理、鋅帶、鋅帶加極性排流和強(qiáng)制排流等措施，綜合考慮經(jīng)濟(jì)型、可行性和合理的緩解目標(biāo)，最終選取與主干網(wǎng)絕緣+獨(dú)立陰極保護(hù)(臨港首站、化工區(qū)清管站)+3#閥室強(qiáng)制排流的聯(lián)合緩解措施。

通過調(diào)節(jié)原設(shè)計(jì)陰極保護(hù)站和 3#閥室新增陰極保護(hù)站電流輸出，模擬南橋接地極陰極放電和陽極放電時(shí)候待建化工區(qū)復(fù)線沿線管道電位，無論南橋接地極是陰極放電還是陽極放電，化工區(qū)復(fù)線管道電位均能滿足-850 mV準(zhǔn)則要求，見圖14。

圖14 南橋接地極陰極放電和陽極放電對(duì)待建化工區(qū)復(fù)線沿線管道模干擾模擬

4.2 在役主干網(wǎng)防護(hù)措施

為達(dá)到受干擾主干網(wǎng)-850 mV緩解目標(biāo)，考慮采取強(qiáng)制排流+多點(diǎn)控制的綜合防護(hù)措施，通過數(shù)值模擬計(jì)算分析，建議主干網(wǎng)安裝 10處強(qiáng)制排流陰極保護(hù)站，15處管道安裝多點(diǎn)控制。

圖15～17為主干網(wǎng)受HVDC南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極雜散電流干擾時(shí)，采取強(qiáng)制排流+多點(diǎn)控制緩解措施后主干網(wǎng)電位分布云圖。

圖15 南橋接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算

圖16 廊下接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算

圖17 腰涇接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算

從圖中可以看出，采取適當(dāng)措施后，在役主干網(wǎng)管道整體電位基本能滿足-850 mVCSE準(zhǔn)則要求，基本達(dá)到管道保護(hù)的要求。

5 結(jié)語

通過上海地區(qū) HVDC輸電系統(tǒng)對(duì)天然氣主干網(wǎng)雜散電流干擾的遠(yuǎn)程監(jiān)測、數(shù)值模擬等手段，開展對(duì)主干網(wǎng)和化工區(qū)復(fù)線緩解措施研究，初步得到了以下結(jié)論：

(1)HVDC輸電系統(tǒng)接地極在單極大地回路運(yùn)行模式下，對(duì)埋地管道及金屬構(gòu)筑物均有影響。在接地極陽極放電時(shí)，遠(yuǎn)處管道電流流出，電位正向波動(dòng)造成腐蝕；而在接地極陰極放電時(shí)，離接地極最近的管道電位波動(dòng)最正，腐蝕影響最嚴(yán)重。

(2)實(shí)現(xiàn)了對(duì)主干網(wǎng)直流干擾強(qiáng)度及干擾規(guī)律的遠(yuǎn)程監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明3處接地極均對(duì)高壓主干網(wǎng)構(gòu)成直流干擾。監(jiān)測到最強(qiáng)腐蝕干擾電位達(dá)+1.01 V，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)極大。

(3)待建化工區(qū)復(fù)線干擾緩解措施確定為新建管線與原主干網(wǎng)間相互絕緣前提下，在臨港首站和化工區(qū)清管站設(shè)計(jì)陰極保護(hù)站，同時(shí)在3#閥室新增一處強(qiáng)制排流站，為化工區(qū)復(fù)線建設(shè)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

(4)初步得到了在役主干網(wǎng)的干擾防護(hù)措施，采取強(qiáng)制排流+多點(diǎn)控制的聯(lián)合保護(hù)方式。

(5)通過 11個(gè)月的遠(yuǎn)程監(jiān)控，南橋接地極放電時(shí)間遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制，三個(gè)接地極的放電次數(shù)也明顯偏高。HVDC接地極放電次數(shù)和放電持續(xù)時(shí)間需得到電力有關(guān)部門的重視并提出限制措施。

本研究針對(duì)上海地區(qū) HVDC輸電系統(tǒng)對(duì)高壓天然氣主干網(wǎng)的腐蝕干擾和影響進(jìn)行了初步探索，未來還有更多的工作需要推進(jìn)。HVDC雜散電流干擾問題涉及到燃?xì)馀c電力兩個(gè)行業(yè)，建議政府相關(guān)職能部門牽頭建立聯(lián)合溝通機(jī)制、協(xié)調(diào)多方合作共同研究，從源頭上控制解決問題，確保天然氣主干管網(wǎng)生命線的安全可靠運(yùn)行，保障上海城市的運(yùn)行安全。