王 朋

（山東萊克工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026）

0 引言

伴隨我國高壓直流輸電系統(tǒng)和長輸油氣管道的大規(guī)模建設(shè)，直流輸電線路及其接地極對臨近長輸管道的直流雜散電流干擾問題日益突出[1-6]。直流輸電線路接地極在不同運(yùn)行工況下的入地電流，對管道均可能造成不同程度的電磁干擾影響[7-12]。本文結(jié)合±660KV銀川-膠東直流輸電線路膠東接地極在單極大地模式下對臨近LNG管道直流干擾影響的現(xiàn)場檢測評估，并利用CDEGS軟件對直流接地極對管道的干擾影響進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，評估直流干擾影響的范圍和程度，提出緩解治理和腐蝕監(jiān)測方案。

1 直流接地極對埋地管道的電磁影響機(jī)理

高壓直流輸電正常采用雙極對稱方式運(yùn)行，當(dāng)一極停運(yùn)或發(fā)生故障時(shí)，則采用單極金屬回路或單極大地回路方式運(yùn)行[13]。單極大地回路作為從雙極改變?yōu)閱螛O金屬回路的過渡運(yùn)行方式，入地電流極大，對臨近管道的直流干擾影響較大[14]。

直流接地極在陽極模式下，電流會(huì)在靠近接地極的管道位置流入管道，在遠(yuǎn)離接地極的管道處流出；接地極在陰極模式下，入地電流在管道上的流入、流出的方向與作為陽極運(yùn)行時(shí)相反。電流流入部位是陰極區(qū)，流出部位是陽極區(qū)[15]。接地極入地電流對附近埋地油氣管道的影響如圖1所示。

在直流電流流出的陽極區(qū)，破損點(diǎn)處管道金屬和土壤接觸面發(fā)生腐蝕反應(yīng)，流出的電流強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越長，管道腐蝕越嚴(yán)重。

在直流電流的流入的陰極區(qū)，氫氧根離子的產(chǎn)生增大金屬表面的PH值，同時(shí)也將導(dǎo)致防腐層從金屬表面的缺陷處剝離。在氫氣產(chǎn)生之前先生成氫原子，如果氫原子溶解在鋼里，會(huì)使高強(qiáng)度鋼發(fā)生氫脆。當(dāng)直流接地極電流使得管地之間的電位差更負(fù)時(shí)，會(huì)加速管道發(fā)生氫脆和防腐層剝離的風(fēng)險(xiǎn)[16]。

2 直流干擾影響現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)及分析

2.1 直流干擾影響的評估標(biāo)準(zhǔn)

針對直流接地極對鄰近埋地油氣管道電磁影響的限值主要采用GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和DL/T5224-2014《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》。其中：

標(biāo)準(zhǔn)GB 50991《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：沒有實(shí)施陰極保護(hù)的管道，宜采用管地電位相對于自然電位的偏移值進(jìn)行判斷。當(dāng)任意點(diǎn)上的管地電位相對于自然電位正向或負(fù)向偏移超過20mV時(shí)，應(yīng)確認(rèn)存在直流干擾；當(dāng)任意點(diǎn)上的管地電位相對于自然電位正向偏移大于或等于100mV時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施[17]。

對已投運(yùn)陰極保護(hù)的管道，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。

標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5224-2014《高壓直流大地返回系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：對非絕緣的地下金屬管道、鎧裝電纜，在等效入地電流下，如果泄漏電流密度大于1μA/cm2或者累積腐蝕量（厚度）影響到其安全運(yùn)行，應(yīng)采取保護(hù)措施[18]。

對用水泥或?yàn)r青包裹絕緣的地下金屬管道，在等效入地電流下，如管道對其周邊土壤（相對于Cu-CuSO4參比電極，消除IR降）的電壓超出-1.5～-0.85V 范圍，應(yīng)采取保護(hù)措施。

針對帶有絕緣防腐層的管道，兩個(gè)規(guī)范中均以控制管地電位為評估準(zhǔn)則，GB 50991要求管道電位正向偏移應(yīng)滿足保護(hù)電位的要求，但對于負(fù)向偏移未提出明確要求，DL/T 5224中規(guī)定了管地電位的偏移范圍。

2.2 直流干擾現(xiàn)場數(shù)據(jù)及分析

2.2.1 現(xiàn)場檢測方法

針對管道直流干擾的長周期監(jiān)測采用在監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置UDL2數(shù)據(jù)記錄儀+1cm2試片的方式；短周期普測采用萬用表+參比電極的形式。管道電位檢測方法按照GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》的要求執(zhí)行[19]。

2.2.2 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)及分析

2.2.2.1 全線普測數(shù)據(jù)

2019年11月15日針對LNG管道進(jìn)行首站—208#測試樁進(jìn)行管道管地電位的檢測，LNG管道普測的管地電位曲線如圖2所示。

根據(jù)現(xiàn)場普測電位數(shù)據(jù)，LNG管道的陰保電位偏移可劃分為4段，其中：首站—37#樁正向偏移，8#樁最正5.58V；38#樁～48#樁電位偏移不明顯；49#～128#樁負(fù)向偏移，89#樁最負(fù)：-5.29V；129#～208#樁電位正向偏移，但偏移不明顯。

2.2.2.2 長周期電位監(jiān)測數(shù)據(jù)

為科學(xué)準(zhǔn)確的評估接地極對LNG管道的直流干擾影響，在管道沿線共設(shè)置8處長周期數(shù)據(jù)記錄儀對管道的干擾電位進(jìn)行監(jiān)測，具體的監(jiān)測位置如表1所示。

表1 管道沿線監(jiān)測點(diǎn)信息統(tǒng)計(jì)表

在測試周期內(nèi)，分別統(tǒng)計(jì)管道沿線監(jiān)測點(diǎn)的通/斷電電位的最大、最小和平均值，LNG管道通電、斷電電位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 管道直流電位及電流信息統(tǒng)計(jì)表

2.2.2.3 直流干擾影響數(shù)據(jù)分析

（1）直流干擾的時(shí)間規(guī)律

管道沿線監(jiān)測點(diǎn)位置直流電位的波動(dòng)，不論是正向還是負(fù)向，均在2019年11月16日24:00管道電位回歸正常，電位偏移結(jié)束的時(shí)間與±660KV寧夏銀川-山東膠東直流輸電線路單極大地回路模式結(jié)束的運(yùn)行時(shí)間一致，如圖3所示，可基本判斷該接地極是LNG管道直流干擾影響的主要干擾源；

（2）干擾影響的范圍和程度

通過現(xiàn)場普測的管道電位數(shù)據(jù)分析，直流接地極在單極大地回路運(yùn)行額定電流入地的情況下，對LNG管道全線均有一定的干擾影響，距離接地極較遠(yuǎn)的管道兩端位置，管道電位正向偏移。管道電位正向偏移的幅值均超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值。距離接地極較近的位置，管道電位負(fù)向偏移，電位負(fù)向偏移幅值超出DL/T 5224中-1.5V的限值要求。

通過長周期檢測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，1#閥室斷電電位不能完全滿足最小保護(hù)電位≤-0.85V要求，如圖4所示；3#閥室則出現(xiàn)斷電電位負(fù)于-1.20V的情況，如圖5所示；

（3）管道全線直流電位偏移規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場普測電位數(shù)據(jù)，LNG管道的陰保電位偏移距離接地極較遠(yuǎn)的管道兩端位置，管道電位正向偏移，為陽極區(qū)。主要集中在兩端的首站—37#測試樁和末端。距離接地極較近的位置，管道電位負(fù)向偏移，為陰極區(qū)，主要集中在49#樁～128#樁。陽極區(qū)和陰極區(qū)中間有兩端管道的電位偏移不明顯。

3 接地極對管道的電磁影響模擬計(jì)算

3.1 計(jì)算參數(shù)

3.1.1 接地極參數(shù)

根據(jù)國家電網(wǎng)山東特高壓管理處反饋的直流輸電線路運(yùn)行信息，本次放電的高壓直流輸電線路為±660KV寧夏銀川—山東膠東直流輸電線路，輸電線路運(yùn)行模式為單極—大地回路模式，膠東側(cè)接地極作為陽極運(yùn)行。入地電流為額定電流3030A，持續(xù)時(shí)間為2019年11月11日～2019年11月16日24:00時(shí)，共計(jì)5天。

接地極采用同心兩圓環(huán)形布置，內(nèi)環(huán)半徑210m，外環(huán)半徑300m，極環(huán)總長3200m，埋深3m。饋電棒材料為圓鋼，周圍活性填充物為石油焦炭碎屑。

接地極位置土壤電阻率：上部粉質(zhì)粘土電阻率為11.8～36.8Ω·m，中層中粗砂土電阻為20～35Ω·m，下伏基巖土土壤電阻率為40～165Ω·m。

3.1.2 管道參數(shù)

本段天然氣管道起點(diǎn)為1#站、終點(diǎn)為5#站，線路長度203km，管道外防腐層采用3PE防腐，強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)，在2#站、4#站和5#站分別設(shè)置強(qiáng)制電流陰保站?！?60KV寧夏銀川—山東膠東直流輸電線路膠東環(huán)流站側(cè)接地極位于濰坊市峽山水庫南側(cè)，距離LNG管道支線距離33.5km。LNG管道的相關(guān)信息如表3所示。

表3 LNG管道信息表

3.2 電磁影響計(jì)算結(jié)果及分析

（1）電磁影響計(jì)算結(jié)果及分析

直流接地極入地電流在周圍產(chǎn)生的地電位升，使得管道金屬與附近土壤之間存在一個(gè)電位差，該電位差是反映對管道和操作人員危險(xiǎn)影響的主要參數(shù)?；凇?60kV銀川-膠東直流輸電線路膠東換流站接地極與LNG管道的相關(guān)參數(shù)，圖6和圖7分別給出了膠東環(huán)流站接地極在流過額定電流時(shí)，LNG管道的對地電壓沿線分布曲線；

（2）電磁影響計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出：由于膠東環(huán)流站接地極深層土壤電阻率較淺層土壤電阻率高，膠東換流站接地極流過額定入地電流時(shí)，管道距接地極最近處管道和管道遠(yuǎn)端上的對地電壓最高，最大值分別約為3.3V（1#站）、-6.79V（95#樁）和5.66V（5#站）。模擬計(jì)算的結(jié)果的分布曲線與現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)分布具有一定的相似性，偏移幅值位置與現(xiàn)場檢測結(jié)果基本一致，由于管道極化效應(yīng)等因素影響，管地電位的幅值與現(xiàn)場檢測結(jié)果存在一定差異。

4 電磁干擾緩解及腐蝕監(jiān)測方案

結(jié)合現(xiàn)場檢測情況，針對直流接地極對LNG管道的直流雜散電流的干擾影響，應(yīng)首先通過調(diào)整現(xiàn)有陰極保護(hù)輸出和分段絕緣措施來抑制其干擾影響，然后考慮在干擾嚴(yán)重的區(qū)域通過增設(shè)犧牲陽極的方式進(jìn)行緩解治理，同時(shí)對于腐蝕敏感區(qū)考慮采取必要的腐蝕監(jiān)測措施。

4.1 陰極保護(hù)系統(tǒng)改造

針對LNG線路陰極保護(hù)的改造，建議依托2#站、3#站進(jìn)行分段絕緣；將站場進(jìn)出干線的跨接電纜斷開；同時(shí)在2#站、3#站分別增設(shè)2路輸出的恒電位儀，恒電位儀、極化探頭應(yīng)具備一定抗干擾能力，在直流干擾較為嚴(yán)重的情況下可恒流輸出。

4.2 排流治理措施

在分段絕緣和增設(shè)陰極保護(hù)的基礎(chǔ)上，針對線路管道雜散電流存在流出的管段（1#站～37#測試樁及）應(yīng)加強(qiáng)管道防腐層的漏點(diǎn)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)防腐層漏點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行修復(fù)。對于電位持續(xù)正向偏移的位置應(yīng)合理補(bǔ)充犧牲陽極進(jìn)行緩解治理。

4.3 現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測

針對現(xiàn)場檢測過程中試片腐蝕嚴(yán)重、電位波動(dòng)較大以及一些特殊的環(huán)境敏感點(diǎn)，建議在加強(qiáng)日常管道電位、防腐層漏點(diǎn)檢測的同時(shí)，設(shè)置一定的腐蝕失重試片，定期進(jìn)行腐蝕速率的監(jiān)測，確保管道本體的腐蝕速率安全可控。

5 結(jié)語

通過開展相關(guān)的雜散電流干擾現(xiàn)場檢測和模擬計(jì)算工作，明確了±660KV銀川-膠東側(cè)直流接地極作為直流干擾源對LNG管道的干擾影響范圍、影響程度以及電位偏移等規(guī)律，驗(yàn)證了仿真模擬計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，并提出了緩解治理和腐蝕監(jiān)測的方案。針對直流接地極對長輸管道的雜散電流干擾影響可在設(shè)計(jì)階段通過模擬計(jì)算進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的緩解措施。