王 軍，許好好，李 想，張 響，李漢秋，王西明

(1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州 311121；3.浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江 杭州 310000)

0 前 言

高壓直流輸電系統(tǒng)主要有雙極平衡運行與單級大地回路運行2種方式[1]，正常工作時為雙極平衡運行，由于入地電流相對較小，對接地極附近的管道影響有限[2]。但在系統(tǒng)檢修或故障時為單級大地回路運行，入地電流即為工作電流，高達幾千安培，對附近管道會產(chǎn)生很大的影響[3]。周軍峰等[4]的測試結(jié)果表明，高壓直流輸電系統(tǒng)接地極單級大地回路陽極運行時，放電電流達3 000 A，靠近接地極的天然氣埋地管道電位負移最嚴重，最負的電位接近-180 V(vs CSE)。本工作的某特高壓直流輸電工程的受端接地極位于浙江省金絲村，額定運行電壓為±800 kV，額定運行電流為5 000 A。接地極距離浙能金麗溫輸氣管道最近點約870 m，管道線路總長222.9 km，管徑為DN800 mm，其中澧浦閥室到縉云站管道為主要受影響區(qū)，管道長約65.5 km。管道沿線土壤類型復雜多樣，主要為山地、水田、旱田、耕地、荒地等，土壤電阻率差異性較大。Liu等[5]模擬研究發(fā)現(xiàn)土壤特性是影響管道受直流干擾程度的重要因素。

國內(nèi)外研究者對高壓直流干擾進行了數(shù)值模擬，取得了一些成果。曹方圓等[6]考慮管道局部接地、絕緣接頭等防護措施建立了直流接地極對埋地管道影響的數(shù)值模型。季壽宏[7]利用BEASY軟件進行模擬研究發(fā)現(xiàn)，最大管地電流密度隨著接地極干擾電流的增大而線性增大。曹國飛等[8]采用CDEGS軟件計算了高壓直流接地極對埋地管道干擾的安全距離，分析了不同管道防腐層、土壤電阻率、接地極入地電流等條件對管道受干擾程度的影響規(guī)律。趙雅蕾等[9]分析了高壓直流干擾下鋅帶和分段絕緣措施的防護效果。Zhang等[10]對高壓直流接地電極之間電位分布進行了數(shù)值分析，結(jié)果表明距離接地電極數(shù)十千米外的電位上升都應考慮。

曹阿林[11]指出，為了保障埋地管道的安全運行，需要判斷出雜散電流干擾下管道的陽極區(qū)和陰極區(qū)，進而確定腐蝕區(qū)域，并采取相應的防護措施。但由于埋地管道沿線土壤環(huán)境復雜，季節(jié)的變化也會影響土壤電阻率[12]，雜散電流的影響因素多，導致難以確定管道的陽極區(qū)和陰極區(qū)。目前國內(nèi)研究者大多數(shù)聚焦于高壓直流干擾對管道的影響程度[13-17]，而對管道的陰、陽極區(qū)范圍的研究較少。

本工作基于金麗溫管道真實土壤結(jié)構(gòu)，利用CatPro軟件建立符合現(xiàn)場的高壓直流干擾模型，計算分析了在不同接地極極性、干擾電流、土壤電阻率條件下，高壓直流干擾對管道陰、陽極區(qū)的影響規(guī)律。

1 高壓直流干擾計算模型

1.1 干擾類型

高壓直流干擾分為陰極干擾(接地極陰極放電)和陽極干擾(接地極陽極放電)，定義電流流出管道為正值，流入管道為負值。圖1為接地極放電時管道陰極區(qū)和陽極區(qū)的形成過程。從圖1可知，當接地極陽極放電時，數(shù)千安的電流流入大地，再從靠近接地極的管道涂層破損處流入管道，電流密度為負值，形成管道陰極區(qū)，當電流密度絕對值較大時易造成過保護、涂層破損和高強度鋼氫脆開裂等問題(圖1a)。流入管道的電流在遠端涂層破損處流出，電流密度為正值，形成陽極區(qū)，發(fā)生電解腐蝕(圖1b)。當接地極陰極放電時，靠近接地極的管段形成陽極區(qū)，長期干擾可能造成管道腐蝕穿孔。

1.2 模型建立

利用基于邊界元方法開發(fā)的Elsyca CatPro軟件進行建模分析。土壤中的電位分布用拉普拉斯方程描述，如式(1)，表示電荷守恒：

(1)

邊界條件為：

V-U=η(Jb)+RJ+Ecorr

(2)

基于真實土壤電性結(jié)構(gòu)，建立符合金麗溫輸氣管道的高壓直流干擾模型如圖2所示。選取金麗溫輸氣管道的澧浦閥室-縉云站部分，沿著管線方向?qū)⒐艿绖澐譃?46段網(wǎng)格，相應的管道位置編號為1～947號。

1.3 參數(shù)設(shè)置

計算基礎(chǔ)參數(shù)分為管道參數(shù)、接地極參數(shù)和土壤參數(shù)3個方面。(1)管道參數(shù)：外徑為0.813 0 m，壁厚為0.015 9 m，軸向電阻率為2.3×10-7Ω·m，埋深取平均值2.500 0 m，3PE防腐層厚0.002 9 m，電阻率為 3.4×104Ω·m，破損率為0.5%；(2)金絲接地極參數(shù)：簡化為一個圓柱體，外徑為0.1 m，長度為1 000.0 m，埋深為3.5 m，電阻率為1.3×10-7Ω·m；(3)管道沿線均勻分布60個土壤電阻率測試點，采用溫納四極法測得這60個點0～3.5 m深度的土壤電阻率，其結(jié)果如圖3所示。

1.4 模型驗證

2019年2月金絲接地極3 000 A陰極放電時，利用智能測試樁對594，636，650，791，848，925號6個位置的管地電位進行測試，測試結(jié)果和相應的數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計于表1。由表1可知，數(shù)值模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)誤差在10%以內(nèi)，建立的模型具有較高的準確性，可以用于下一步的研究。

表1 接地極3 000 A陰極放電時的模擬電位與實測電位對比Table 1 Comparison of the simulated and measured potential during ground electrode 3 000 A cathode discharge

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 不同接地極極性下的管道陰極區(qū)、陽極區(qū)

以5 000 A干擾電流為例，研究金絲接地極陽極放電和陰極放電時管道的陰、陽極區(qū)，模擬得到管地電流密度隨管道位置的變化如圖4所示。

從圖4可以看出，不管陽極放電還是陰極放電，管道都可以相同地劃分成3個區(qū)，具體劃分見表2，管道位置編號1～560號設(shè)為Ⅰ區(qū)，560～656號設(shè)為Ⅱ區(qū)，656～947號設(shè)為Ⅲ區(qū)。

表2 金絲接地極陽極放電和陰極放電時的管道陰、陽極區(qū)Table 2 The cathodic area and anodic area of the pipeline during ground electrode anode discharge and cathode discharge

由表2可知，接地極極性不同，導致管道陰、陽極區(qū)分布相反，但是分界點相同。如在接地極陽極放電時，管道Ⅱ區(qū)為陰極區(qū)，在接地極陰極放電時，管道Ⅱ區(qū)為陽極區(qū)，但分界點均為560號和656號。種芝藝等[18]利用CDEGS軟件模擬陜京一線天然氣管道在接地極陰極放電和陽極放電時的泄漏電流密度曲線，周軍峰等[4]現(xiàn)場監(jiān)測的接地極陽極放電和陰極放電時的管道電位分布曲線，均驗證了上述結(jié)論。

2.2 不同干擾電流下的管道陰極區(qū)、陽極區(qū)

分別模擬了金絲接地極1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 A陽極放電時管道的電流密度分布。圖5為不同干擾電流陽極放電下的管地電流密度分布曲線。

從圖5可以看出，不同干擾電流下，管道都可以相同地劃分成Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)3個區(qū)，分界點與上節(jié)完全一致，不同干擾電流大小只是導致管道陰、陽極區(qū)受干擾程度不同[19]。圖6為不同干擾電流下3個區(qū)的最大管地電流密度絕對值。

從圖6可知，陰、陽極區(qū)最大管地電流密度絕對值與干擾電流大小成正相關(guān)，即干擾電流越大，管道受干擾越嚴重。在接地極陽極放電1 000 A和5 000 A時，管道Ⅱ區(qū)為陰極區(qū)，最大管地電流密度絕對值分別為1.4×10-2和7.3×10-2A/m2，相對于1 000 A干擾，5 000 A干擾時管道Ⅱ區(qū)受到更嚴重的陰極極化。

2.3 不同土壤電阻率下的管道陰極區(qū)、陽極區(qū)

在冬季土壤結(jié)冰時，土壤電阻率會升高[20]。下雨時，由于雨水的滲入，土壤電阻率會降低。分別測得了管道沿線60個土壤電阻率測試點冬季和下雨時0～3.5 m深度的土壤電阻率。由上述研究得知接地極極性和干擾電流大小不影響陰、陽極區(qū)分界點，因此以金絲接地極5 000 A陰極放電為例，研究土壤電阻率對管道陰、陽極區(qū)的影響，不同土壤狀態(tài)下的管地電流密度分布如圖7所示。由圖7可知，不同土壤狀態(tài)下，管道都可以相同地劃分成Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)3個區(qū)。

研究管道沿線均勻土壤電阻率(理想狀態(tài))對管道陰、陽極區(qū)的影響，以金絲接地極5 000 A陰極放電為例，分別模擬均勻土壤電阻率為10，100，300，500，700 Ω·m時的管地電流密度分布，結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)圖7、圖8獲得的不同土壤電阻率下的陰、陽極區(qū)范圍，其結(jié)果如表3所示。從表3可知，在均勻土壤中，管道陰、陽極區(qū)分界點與Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)略有不同，但基本一致。鄧長征等[21]的模擬曲線也表明管道電流密度為0的點，隨著均勻土壤電阻率的增大向管道端部稍有偏移。

表3 不同土壤電阻率下的陰、陽極區(qū)范圍Table 3 Range of the cathodic area and anodic area of the pipeline under different soil resistivities

3 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬明確了不同條件下接地極故障電流對管道陰、陽極區(qū)的影響規(guī)律：

(1)接地極極性不同時，管道陰、陽極區(qū)的分界點相同，陰、陽極區(qū)分布相反。干擾電流大小導致管道陰、陽極區(qū)受干擾程度不同；

(2)當接地極與管道位置確定后，管道受到接地極高壓直流干擾形成的陰、陽極區(qū)分界點是固定的，不受外界條件影響；

(3)確定管道陰、陽極區(qū)可大幅提升檢測效率，提高監(jiān)測和防護的針對性，實現(xiàn)管道運營的分級管理，減少管道企業(yè)的人員和資金投入。