曹方圓,白 鋒,李 博,沈光霽

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心，沈陽(yáng) 110168)

隨著我國(guó)對(duì)能源需求的快速增長(zhǎng)，直流輸電工 程接地極和輸油輸氣管道接近的情況時(shí)有發(fā)生[1-5]。特別是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，直流輸電工程和輸油氣管道甚至共用走廊[6]，使得直流接地極電流對(duì)附近埋地油氣管道的電磁干擾影響日益突出。2013年12月，南方電網(wǎng)云廣線增城換流站出現(xiàn)故障，雙極運(yùn)行改為單極運(yùn)行，導(dǎo)致3 125 A電流從魚(yú)龍嶺接地極流入大地，造成了鰲廣線從化分輸站線路截?cái)嚅y引壓管絕緣接頭損壞、塑料管卡融化。2014年8月，天廣線大塘接地極單極運(yùn)行時(shí)，接地極入地電流達(dá)1 800 A，導(dǎo)致附近管道的電位從-1.3 V迅速正向偏移至10 V左右，手動(dòng)調(diào)節(jié)該管段陰極保護(hù)電源滿(mǎn)載輸出(20 A)，管道電位從10 V變化至8.5 V左右，幾秒鐘后，陰極保護(hù)電源報(bào)警并自動(dòng)關(guān)閉。

近幾年，國(guó)內(nèi)在直流接地極電流對(duì)油氣管道影響方面開(kāi)展了大量的研究[7-15]，包括直流接地極電流對(duì)油氣管道影響的計(jì)算方法[7-9]、評(píng)價(jià)指標(biāo)[10-14]、防護(hù)措施[15-18]等，并取得了一系列成果。其中，在直流接地極電流對(duì)埋地油氣管道影響水平評(píng)估和防護(hù)措施設(shè)計(jì)方面，主要通過(guò)仿真計(jì)算[19]的手段進(jìn)行。但在實(shí)際工程中，長(zhǎng)輸管道通常綿延幾百上千公里，管道沿線土壤環(huán)境十分復(fù)雜，仿真計(jì)算難以考慮管道沿線土壤情況的差異，一般都是將管道沿線土壤進(jìn)行等效處理。另外，考慮管道非線性極化特性的計(jì)算方法目前還不成熟，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的誤差。所以，獲得直流接地極電流對(duì)埋地油氣管道影響水平和防護(hù)措施效果的最佳途徑還是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

直流輸電工程一般以雙極運(yùn)行，這種運(yùn)行工況下，只有不平衡電流(不超過(guò)額定電流的1%)會(huì)通過(guò)直流接地極入地。只有在系統(tǒng)調(diào)試、檢修或故障時(shí)才會(huì)出現(xiàn)單極大地回路運(yùn)行的工況，而系統(tǒng)故障具有不可預(yù)判性且持續(xù)時(shí)間很短，所以只有系統(tǒng)調(diào)試時(shí)才具備計(jì)劃性開(kāi)展直流接地極電流對(duì)油氣管道影響的測(cè)試條件。目前，工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試案例主要關(guān)注管道防護(hù)措施的防護(hù)效果，關(guān)于調(diào)整管道已有措施對(duì)管道電位影響的研究鮮有報(bào)道。

本工作在昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電工程調(diào)試期間，對(duì)受端換流站接地極鄰近的川氣東送管道的通/斷電電位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并調(diào)整距接地極最近的兩個(gè)陰保站內(nèi)陰極保護(hù)電源的輸出電流大小，研究了陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)管道電位分布的影響。相關(guān)測(cè)試結(jié)果可為川氣東送管道的安全運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，也可為后續(xù)直流工程接地極選址和埋地油氣管道路徑選擇提供參考。

1 工程介紹

1.1 接地極情況

昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電線路工程，額定輸送容量為12 000 MW，直流接地極額定電流為5 455 A。涇縣接地極按雙跑道型方式埋設(shè)，內(nèi)外環(huán)直線段長(zhǎng)都是380 m，兩端半圓半徑分別為180、215 m，外環(huán)電極埋深為4.5 m，內(nèi)環(huán)電極埋深為3.5 m。2019年1月系統(tǒng)調(diào)試中，涇縣接地極陰極運(yùn)行，流入電流約為5 540 A；2019年9月系統(tǒng)調(diào)試中，涇縣接地極陽(yáng)極運(yùn)行，流出電流約為3 680 A。

1.2 管道情況

川氣東送管道全長(zhǎng)約2 203 km，管材為X70鋼，管道外徑為1 016 mm，壁厚為12 mm，防腐蝕層為三層結(jié)構(gòu)的聚乙烯(3PE)。距接地極最近的管道陰保站是池州輸氣站和十字鎮(zhèn)分輸站，各有一個(gè)額定輸出電壓/電流為40 V/15 A的陰極保護(hù)電源，陰保站兩側(cè)的管道皆通過(guò)電纜跨接。兩陰保站之間的管道長(zhǎng)度約為163 km，這段管道上有7個(gè)閥室和1個(gè)場(chǎng)站(宣城輸氣站，兩端管道通過(guò)電纜跨接)。兩陰保站之間(含陰保站)的范圍即為測(cè)試區(qū)域。距接地極最近的閥室為牌樓村閥室，距接地極最近的測(cè)試樁為CQDS-1280測(cè)試樁。接地極與管道相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 接地極與管道的相對(duì)位置

1.3 土壤參數(shù)

用大地電磁測(cè)深法測(cè)接地極附近的土壤電阻率及對(duì)應(yīng)厚度，結(jié)果見(jiàn)表1。將管道測(cè)試區(qū)域內(nèi)的淺層土壤分成幾種典型土壤類(lèi)型，用四極法測(cè)量每一種典型土壤的土壤電阻率，見(jiàn)表2。

表1 涇縣接地極附近不同深度土壤的電阻率

表2 管道附近淺層土壤電阻率

從土壤測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，接地極周?chē)臏\層土壤電阻率與深層土壤電阻率相差不大，3 000 m深度范圍內(nèi)的電阻率在100～200 Ω·m。測(cè)試區(qū)域內(nèi)管道經(jīng)過(guò)了水田、農(nóng)田、山地等不同類(lèi)型土壤，不同類(lèi)型的淺層土壤電阻率相差較大，即便是同一類(lèi)型土壤，不同位置的土壤電阻率也相差較大。

2 測(cè)試內(nèi)容及方法

直流接地極電流會(huì)使鄰近管道的部分位置有電流流入，部分位置有電流流出。電流從管道流出流向土壤會(huì)造成管道腐蝕，電流從土壤中流入管道會(huì)使管道電位負(fù)偏，而管道電位過(guò)負(fù)會(huì)增大管道氫脆的風(fēng)險(xiǎn)。在直流接地極電流影響下，通過(guò)管道電位分布可以獲得直流接地極電流對(duì)鄰近管道的影響水平和影響規(guī)律。

2.1 測(cè)試內(nèi)容

為獲得直流接地極電流影響下，陰極保護(hù)電源的輸出電流水平對(duì)管道電位分布的影響規(guī)律，在昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電工程調(diào)試期間，對(duì)川氣東送管道安裝測(cè)試設(shè)備，進(jìn)行管道通/斷電電位分布測(cè)試。分別調(diào)整距涇縣接地極最近的兩個(gè)陰保站(池州輸氣站、十字鎮(zhèn)分輸站)內(nèi)陰極保護(hù)電源的輸出電流大小，在不同輸出電流下對(duì)管道電位分布進(jìn)行測(cè)試。

2.2 測(cè)試方法

根據(jù)GB/T 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》中推薦的測(cè)試方法對(duì)管道進(jìn)行通/斷電電位測(cè)試。使用的測(cè)試設(shè)備包括管道陰保干擾測(cè)試儀、數(shù)據(jù)記錄儀。陰極保護(hù)電源顯示和調(diào)節(jié)面板見(jiàn)圖2。

圖2 陰極保護(hù)電源顯示和調(diào)節(jié)面板

測(cè)量管道通/斷電電位前，預(yù)先在管道一側(cè)埋設(shè)鋼質(zhì)試片，埋深1 m，試片裸露面積為1 cm2，使用管道陰保干擾測(cè)試儀或數(shù)據(jù)記錄儀配合便攜式銅/硫酸銅參比電極對(duì)管地電位進(jìn)行測(cè)試，記錄儀采用通12 s斷3 s的通斷模式，每1 s記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。接線示意圖如圖3所示。

圖3 管道通/斷電電位、泄漏電流密度測(cè)試裝置示意

為保證獲取的陰極保護(hù)電源輸出電壓和電流有更高的精度，通過(guò)管道陰保干擾測(cè)試儀來(lái)記錄陰極保護(hù)電源的輸出電壓和輸出電流。

3 陰極保護(hù)電源輸出調(diào)整的影響

昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流工程調(diào)試期間，在距涇縣接地極最近的兩個(gè)陰保站之間(含陰保站)的163 km范圍內(nèi)，選擇32～40個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行測(cè)試。陰保站和測(cè)試樁從上游到下游的順序依次是：池州輸氣站、CQDS-1231、CQDS-1232……CQDS-1280……CQDS-1387、CQDS-1388、十字鎮(zhèn)分輸站。其中，CQDS-1280是距接地極最近的測(cè)試樁，距離涇縣接地極約16 km，兩相鄰測(cè)試樁之間的距離約為1 km。測(cè)試期間，為獲得調(diào)整管道已有陰保系統(tǒng)對(duì)直流接地極電流干擾下管道電位分布的影響，進(jìn)行了2個(gè)階段(直流接地極陰極運(yùn)行和陽(yáng)極運(yùn)行)的陰極保護(hù)電源輸出調(diào)整,并測(cè)試了對(duì)應(yīng)的管道電位。

3.1 第一階段調(diào)整陰極保護(hù)電源輸出

第一階段，直流接地極陰極運(yùn)行，流入電流5 540 A，池州輸氣站陰極保護(hù)電源由恒電位模式自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到恒電流模式，輸出電流為0.5 A；十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源由恒電位模式自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到恒電流模式，輸出電流為0.2 A。管道上32個(gè)測(cè)試樁處測(cè)得的管道通/斷電電位如圖4所示。

圖4 第一階段管道通/斷電電位分布

由圖4可見(jiàn)，第一階段，測(cè)試區(qū)域內(nèi)靠近池州輸氣站的管道電位負(fù)向偏移，其他位置管道電位正向偏移，通電電位最正達(dá)7.84 V，出現(xiàn)在CQDS-1300測(cè)試樁處，斷電電位最正達(dá)1.14 V，出現(xiàn)在CQDS-1350測(cè)試樁處，斷電電位最負(fù)為-1.05 V，管道的通電電位主要由IR降組成，電流流入流出分界點(diǎn)在CQDS-1240測(cè)試樁附近。

本階段，首先保持十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源的輸出電流不變(1 A)，調(diào)整池州輸氣站陰極保護(hù)電源的輸出電流大小(0 A，5 A，10 A)，管道沿線通電電位的變化如圖5所示。然后，保持池州輸氣站陰極保護(hù)電源的輸出電流不變(0.5 A)，調(diào)整十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源的輸出電流大小(0.2 A，0.5 A，1 A)，管道通電電位變化如圖6所示。需要說(shuō)明的是，測(cè)試中也獲得了不同陰極保護(hù)電流對(duì)管道斷電電位分布的影響，雖然斷電電位的變化趨勢(shì)和通電電位的一致，但斷電電位本身沿線幅度變化較小，為更直觀地說(shuō)明陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)管道電位分布的影響規(guī)律，這里只給出了不同陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)管道通電電位的影響結(jié)果。

由圖5和圖6可知，增大陰極保護(hù)電源的輸出電流，管道通電電位會(huì)整體下降，距被調(diào)整的陰極保護(hù)電源越近，管道通電電位下降的幅度越大，反之亦然。將池州輸氣站陰極保護(hù)電源的輸出電流從0調(diào)整到10 A時(shí)，距池州輸氣站陰極保護(hù)電源最近管道(CQDS-1231)的通電電位由-2.2 V降低到-5.3 V，距池州輸氣站陰極保護(hù)電源最遠(yuǎn)管道(CQDS-1388)的通電電位由1.5 V降低到0.9 V。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源的內(nèi)阻太大，電流輸出受限，輸出電流為1 A時(shí)，輸出電壓就基本達(dá)到了該陰極保護(hù)電源的額定輸出電壓，所以十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源輸出電流的調(diào)整幅度很小，對(duì)結(jié)果影響不明顯。這一工況下，增大陰極保護(hù)電源的輸出電流，電流流入流出分界點(diǎn)會(huì)向遠(yuǎn)離陰極保護(hù)電源的方向偏移，管道上電流流出的區(qū)域變小，電流流入的區(qū)域增大，管道受直流干擾后的腐蝕情況會(huì)減弱。

圖5 第一階段池州輸氣站陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)管道通電電位分布的影響

圖6 第一階段十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)管道通電電位分布影響

3.2 第二階段調(diào)整陰極保護(hù)電源輸出

第二階段，直流接地極陽(yáng)極運(yùn)行，流出電流3 680 A，池州輸氣站陰極保護(hù)電源由恒電位模式自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到恒電流模式，輸出電流2.8 A；十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源由恒電位模式自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到恒電流模式，輸出電流0.8 A。在管道上40個(gè)測(cè)試樁處進(jìn)行了管道通/斷電電位測(cè)試，與第一階段選取的測(cè)試樁相比，第二階段在管道CQDS-1300附近區(qū)域進(jìn)行了加密測(cè)試，其他測(cè)試位置也根據(jù)測(cè)試時(shí)的實(shí)地情況略有調(diào)整，管道通/斷電電位分布結(jié)果如圖7所示。

圖7 第二階段管道通/斷電電位分布

由圖7可見(jiàn),第二階段，測(cè)試區(qū)域內(nèi)靠近池州輸氣站的管道電位正向偏移，通電電位最正可達(dá)-0.5 V，出現(xiàn)在距池州輸氣站最近的CQDS-1232測(cè)試樁處，其他位置管道電位負(fù)向偏移，通電電位最負(fù)可達(dá)-6.04 V，出現(xiàn)在CQDS-1303測(cè)試樁處。整個(gè)測(cè)試區(qū)域內(nèi)管道斷電電位波動(dòng)很小，最正為-0.56 V，最負(fù)為-1.22 V，管道的通電電位主要由IR降組成，電流流入流出分界點(diǎn)在CQDS-1235測(cè)試樁附近。

本階段，首先保持十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源的輸出電流不變(0.8 A)，調(diào)整池州輸氣站陰極保護(hù)電源的輸出電流大小(2 A，4 A，6.9 A)，管道沿線通電電位的變化如圖8所示。然后，保持池州輸氣站陰極保護(hù)電源的輸出電流不變(3 A)，調(diào)整十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源的輸出電流大小(0 A，1 A，2 A)，管道通電電位的變化如圖9所示。

圖8 第二階段調(diào)整池州輸氣站陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)管道通電電位分布的影響

圖9 第二階段十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)管道電位分布的影響

由圖8和圖9可知，增大陰極保護(hù)電源的輸出電流，管道通電電位會(huì)整體下降，距被調(diào)整的陰極保護(hù)電源越近，管道的通電電位下降的幅度越大，反之亦然。將池州輸氣站陰極保護(hù)電源的輸出電流從2 A調(diào)整到6.9 A時(shí)，距池州輸氣站陰極保護(hù)電源最近的管道(CQDS-1232)的通電電位由-0.7 V降低到-1.8 V，距池州輸氣站陰極保護(hù)電源最遠(yuǎn)的管道(CQDS-1388)的通電電位由-2.6 V降低到-2.7 V。這一工況下，增大陰極保護(hù)電源的輸出電流，可使測(cè)試區(qū)域內(nèi)管道電流方向都是流入管道，管道受直流干擾后的腐蝕情況會(huì)大大減弱。

3.3 討論

從第一階段和第二階段測(cè)試的結(jié)果可以看出，通過(guò)合理布置陰極保護(hù)電源的位置，增大陰極保護(hù)電源的輸出電流，能夠一定程度解決直流接地極電流對(duì)鄰近管道的腐蝕問(wèn)題。直流接地極陰極運(yùn)行時(shí)，靠近直流接地極的管道電位正向偏移，兩端管道電位負(fù)向偏移，在靠近接地極的管道處增大陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)于減緩管道腐蝕的效果更好；直流接地極陽(yáng)極運(yùn)行時(shí)，靠近直流接地極的管道電位負(fù)向偏移，兩端管道電位正向偏移，在兩端管道處增大陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)于減緩管道腐蝕的效果更好。

在直流接地極電流影響下，管道的通電電位可用于判斷是否存在干擾，也能較好反映出管道電位分布規(guī)律。建議運(yùn)行維護(hù)時(shí)關(guān)注通電電位較高管道段內(nèi)的引壓管間距和有老化或污漬的絕緣卡套；對(duì)于斷電電位高于-0.85 V的管段，宜結(jié)合直流接地極單極大地回路運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的分析和評(píng)估。

在直流接地極電流干擾下，管道上不同位置處的通/斷電電位差異較大。陰極保護(hù)電源在恒電位輸出模式下，即使通電點(diǎn)得到有效保護(hù)(電位達(dá)標(biāo))，距陰極保護(hù)電源較遠(yuǎn)的管道處，電位也是不達(dá)標(biāo)的，這種情況下，用單點(diǎn)(通電點(diǎn))的保護(hù)效果去衡量全線的保護(hù)效果是不合適的。目前，油氣管道上的陰極保護(hù)設(shè)備很難完全應(yīng)對(duì)特高壓直流接地極電流對(duì)管道的影響，采用大功率陰保設(shè)備聯(lián)合控制來(lái)抵御接地電流對(duì)管道的影響是一種可考慮的解決方案，這也為直流接地極電流對(duì)埋地油氣管道干問(wèn)題的治理提供了新思路。

4 結(jié)論

(1)直流接地極陰極運(yùn)行，流入電流5 540 A時(shí)，管道上通電電位最正可達(dá)7.84 V，斷電電位為-1.05～1.14 V；直流接地極陽(yáng)極運(yùn)行，流出電流3 680 A時(shí)，管道上通電電位最負(fù)可達(dá)-6.04 V，斷電電位為-1.22～-0.56 V。

(2)增大陰極保護(hù)電源的輸出電流，管道通電電位會(huì)整體下降，距被調(diào)整的陰極保護(hù)電源越近的管道，通電電位下降的幅度越大，反之亦然。

(3)直流接地極陰極運(yùn)行時(shí)，靠近直流接地極的管道電位正向偏移，兩端管道電位負(fù)向偏移，在靠近接地極的管道處增大陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)于減緩管道腐蝕的效果更好；直流接地極陽(yáng)極運(yùn)行時(shí)，靠近直流接地極的管道電位負(fù)向偏移，兩端管道電位正向偏移，在兩端管道處增大陰極保護(hù)電源的輸出電流對(duì)于減緩管道腐蝕的效果更好。