國能九江發(fā)電有限公司 何趙亮 鐘 凱 李向明
安徽正廣電電力技術(shù)有限公司 王 亮
電力系統(tǒng)對管道系統(tǒng)等長距離埋地金屬網(wǎng)絡(luò)存在多方面的影響,如負(fù)載電流的交流干擾[1]、雷擊故障對管道絕緣的破壞[2]、短路故障的工頻續(xù)流對管道絕緣的燒蝕破壞[3]等。由于目前土地資源日漸緊張,設(shè)計(jì)時(shí)電力系統(tǒng)與管道系統(tǒng)間的距離不斷地靠近,甚至出現(xiàn)共同狹窄線路走廊的情況[4]。此時(shí)管道系統(tǒng)出現(xiàn)了更加嚴(yán)重的電磁兼容問題,造成了大量的管道安全事故,管道系統(tǒng)安全運(yùn)行和人民生活造成了非常不良的影響[5]。
近年來,我國加快了直流輸電建設(shè)的步伐,管道系統(tǒng)受直流輸電的影響問題開始呈現(xiàn)并變得嚴(yán)重起來。數(shù)千A 直流電流通過接地極入地,研究接地極與埋地金屬間安全距離就顯得十分必要了。首先,管道系統(tǒng)有大量的工作人員,保證人員生命安全是首要問題;其次,管道的各種防護(hù)措施應(yīng)不受損壞。另外,在正常運(yùn)行情況下,直流輸電過程中存在微量不處于平衡狀態(tài)的電流,能夠直接經(jīng)由直流接地極順利流入到大地中,此時(shí),空間的電位分布和電流分布都會(huì)影響管道系統(tǒng)的正常工作。這也是管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)候需要重點(diǎn)考慮的問題。
出于安全考慮,氣路引壓管中間加設(shè)了絕緣接頭,由于連接絕緣接頭的金屬卡套距離很近,難免會(huì)在強(qiáng)大的直流干擾時(shí)不發(fā)生金屬管線之間或金屬卡套之間發(fā)生放電現(xiàn)象。
目前雖然有很多緩解HVDC 干擾管道的方法,但并不能從根本上斷絕直流入地電流對埋地管道帶來的干擾。管道工程的類型和環(huán)境的多樣性、直流電流的高強(qiáng)度、影響范圍的廣泛性、實(shí)時(shí)監(jiān)控的技術(shù)阻礙、各種緩解技術(shù)如何高效組合,都使得HVDC 腐蝕干擾的防護(hù)技術(shù)難上加難,如何利用現(xiàn)有技術(shù)更有效地緩解HVDC 的干擾腐蝕成為新的發(fā)展方向。
鑒于目前管道系統(tǒng)受直流輸電影響的研究還處于起步階段,合理選取管道與直流極的距離就顯得十分重要了。本文的分析:確定接地極對周圍油氣管道人身安全、設(shè)備(含陰極保護(hù))安全及管道腐蝕等影響的評估原則;計(jì)算評估接地極對周圍油氣管道的安全影響、電腐蝕影響、陰極保護(hù)系統(tǒng)影響情況;提出防護(hù)措施建議。
HVDC 在調(diào)試期間單極運(yùn)行時(shí),會(huì)有額定電流大小的直流入地,在正常的雙極運(yùn)行時(shí)也會(huì)有不平衡電流流入土壤。入地直流在極址附近將形成一個(gè)恒定的直流電流場,由于土壤電阻存在,將伴隨出現(xiàn)大地電位升高、跨步電位差和接觸電位差等,對極址附近的人畜產(chǎn)生影響。
目前還沒有針對直流接地極下人身安全的明確性指標(biāo),但是需要按照標(biāo)準(zhǔn)我國《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》要求、DL/T 437-2012《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》和DL/T 5224-2014《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》,可總結(jié)人身安全的限值。對于非共用接地極,在一極最大過負(fù)荷電流下,地面任意點(diǎn)跨步電位差不得超過Upm;當(dāng)其中一段接地極退出運(yùn)行時(shí),Upm不得超過50V。其中:
對于分體式接地極,當(dāng)一個(gè)接地極因事故原因退出運(yùn)行時(shí)(≤30min),額定電流下的最大跨步電位差應(yīng)不大于2.5倍的Upm,且不應(yīng)超過50V。
DL/T 5224-2014規(guī)定了直流接地極接觸電位差允許值為:
可以看出,為不影響接地極周邊居民的正常生活,同時(shí)兼顧小概率事件發(fā)生,接地極的人身安全限值標(biāo)定要取人體感知電流下限。
陰極保護(hù)系統(tǒng)由局部接地、犧牲陽極和強(qiáng)制陰極三部分組成。局部接地裝置能夠起到減緩電力故障的作用,交直流系統(tǒng)和電氣鐵軌均會(huì)對周邊埋置的金屬管道產(chǎn)生影響,可以在一定程度上降低強(qiáng)電沖擊力對金屬管道輔助設(shè)施、陰極保護(hù)裝置、防腐層的損害影響。局部接地裝置一般不會(huì)和金屬管道具有直接連接關(guān)系,往往是采用固態(tài)去耦合器和金屬管道連接在一起。在流經(jīng)的直流電流相對比較h,固態(tài)去耦合器梁端位置的電壓往往低于裝置正常啟動(dòng)電壓,由于裝置不具備導(dǎo)通能力,可以用來隔離處理陰極保護(hù)電流,能夠降低電流損失。在直流電流相對比較大的時(shí)候,運(yùn)用固態(tài)去耦合器開展導(dǎo)通處理,能夠?yàn)殡娏魈峁╇p向流通通道。在研究直流接地極對金屬管道產(chǎn)生的影響時(shí),一旦管道內(nèi)部流經(jīng)的直流電流比較大,固態(tài)去耦合器大都處在導(dǎo)通狀態(tài),此時(shí)去耦合器相當(dāng)于連接管道和接地裝置的電壓源,電壓大小基本和固態(tài)去耦合器電壓相同。固態(tài)去耦合器的電壓一般取2V。
犧牲陽極的保護(hù)方式主要是形成將電纜直接和金屬管道形成電氣連接關(guān)系,在將要被犧牲的陽極位置放置比金屬管道更加活潑的金屬,此時(shí)處在比金屬管道更小的負(fù)電位狀態(tài),在管道完成連接后,將會(huì)在電化學(xué)影響下,犧牲陽極保護(hù)陰極,從而達(dá)到減慢金屬管道被腐蝕速度的目的。在采取犧牲陽極保護(hù)金屬管道方式時(shí),兩種金屬表層可能會(huì)形成接觸電位差,此時(shí)金屬管道和陽極連接的管道電壓源會(huì)將陽極視為普通接地體,此時(shí)在展開計(jì)算時(shí)需要重點(diǎn)考慮陽極布置位置對金屬管道產(chǎn)生的直接影響。
影響管道與直流接地極距離的核心要素是:地電定位分布與電流密度分布。
對陸地型直流接地極而言,工程設(shè)計(jì)常使用水平層狀大地模型。水平層狀大地模型如圖1所示。
圖1 水平層狀大地模型
由式(1)可以導(dǎo)出空間電位分布f、空間電場分布(Ex, Ey, Ez)和空間電流密度分布(Jx, Jy,Jz)的關(guān)系為:
式(5)的上標(biāo)箭頭表示向量。通過式(8)~式(10)就可以開展接地極地理電流密度分布的數(shù)值分析了:
至此,可以完成地電定位分布與電流密度分布的數(shù)值計(jì)算。
以某廣域?qū)訝畲蟮啬P?,說明本文方法的具體應(yīng)用。土壤模型由四極法和大地電磁法聯(lián)合勘探取得,反演依據(jù)改進(jìn)的人工蜂群智能優(yōu)化算法,為彌補(bǔ)算法局部搜索能力不足,嵌入局部共軛梯度搜索,反演得到的14層廣域大地土壤模型的參數(shù)詳見表1。
表1 水平14層大地參數(shù)
算例中為油氣管道,其距離直流接地極的最近距離為21km,考慮最嚴(yán)重影響情況下,即直流極入地電流為2h 過負(fù)荷電流5600A 下,距離接地極圓環(huán)中心2~99km 的地表電位分布結(jié)果詳見表2。
表2 2h 過負(fù)荷電流下直流電位分布
由表2可知,直流極會(huì)對極環(huán)中心6km 范圍內(nèi)的管道造成接觸電位差超標(biāo)的問題,推薦對極環(huán)中心6km 范圍內(nèi)的管道附近地面敷設(shè)瀝青或者卵石層,以滿足接觸電位差的安全要求,21km 外的地表電位為4.68V。
本文主要研究了直流極電流對埋地金屬的影響,分析接地極與埋地金屬之間的安全距離。
管道安全問題的評估標(biāo)準(zhǔn)主要考慮人身安全因素、設(shè)備因素、管道受干擾因素等三方面,直流接地極的人身安全限值標(biāo)定要取人體感知電流下限,本文取直流長期作用情況下接觸電位差和跨步電位差的限值為50V。
陰極保護(hù)系統(tǒng)由局部接地、犧牲陽極和強(qiáng)制陰極三部分組成,固態(tài)去耦合器能夠直接連接局部接地設(shè)備以及金屬管道,電壓一般取2V;為保證恒電位儀能正常工作,在金屬管道任意位置的點(diǎn)位都會(huì)與該點(diǎn)正常電位值產(chǎn)生0.1伏的偏差,此時(shí)需要加裝防護(hù)措施。
本文結(jié)合工程實(shí)際,以廣域14層大地模型為例,通過設(shè)立研究直流極對埋地金屬管道影響的模型,經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn):直流極會(huì)對極環(huán)中心6km 范圍內(nèi)的管道造成接觸電位差超標(biāo)的問題;直流極40km 范圍內(nèi)恒電位儀的安全會(huì)受到直流極入地電流的不利影響;直流極60km 范圍內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)可能由于直流干擾而無法正常工作;直流極不會(huì)對管道造成明顯的腐蝕影響。