國(guó)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

1 引言

電力系統(tǒng)對(duì)管道系統(tǒng)等長(zhǎng)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(duì)管道絕緣的破壞[2]、短路故障的工頻續(xù)流對(duì)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(lái)，我國(guó)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(lái)。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(duì)埋地管道帶來(lái)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(duì)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(píng)估原則；計(jì)算評(píng)估接地極對(duì)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。

2 管道安全問題的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

2.1 人身安全

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(chǎng)，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(duì)極址附近的人畜產(chǎn)生影響。

目前還沒有針對(duì)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(guó)《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(duì)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(duì)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。

2.2 設(shè)備安全

陰極保護(hù)系統(tǒng)由局部接地、犧牲陽(yáng)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(duì)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(duì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極連接的管道電壓源會(huì)將陽(yáng)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(yáng)極布置位置對(duì)金屬管道產(chǎn)生的直接影響。

3 地表電位和電流密度的計(jì)算方法

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(duì)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(chǎng)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。

4 算例

以某廣域?qū)訝畲蟮啬Ｐ停f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(duì)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(duì)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。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了直流極電流對(duì)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(píng)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(zhǎng)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(yáng)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(duì)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(duì)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(wú)法正常工作；直流極不會(huì)對(duì)管道造成明顯的腐蝕影響。