張 豐 何國軍 劉 洋 趙俊丞

（國家管網(wǎng)集團浙江省天然氣管網(wǎng)有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

我國幅員遼闊，電力供需呈現(xiàn)嚴重的不均勻性，總體表現(xiàn)為西南地區(qū)供過于求、東南地區(qū)求大于供。為保障東南沿海地區(qū)巨大的用電需求，國家提出了西電東送、北電南送等高壓輸電工程，建造了大量的高壓直流輸電系統(tǒng)。

在我國，大多數(shù)高壓直流輸電系統(tǒng)采用雙極兩端中性點接地的接地方式。正常工況下，會有幾十安培（約為正常輸電電流的1%）的不平衡電流流入大地成為雜散電流，對管道的干擾可以忽略不計；但是當高壓直流輸電系統(tǒng)一極發(fā)生故障時，幾千安培的輸電電流會沿著受端接地極-大地-送端接地極流動，嚴重影響長輸管道的安全運行[1]。國內(nèi)西氣東輸新疆段、上海天然氣管網(wǎng)、江蘇甬滬寧管道均發(fā)生過高壓直流輸電系統(tǒng)干擾埋地管道運行的事件，導致引壓管出現(xiàn)燒穿、泄漏事故[2-6]。國外雖然也建設了高壓直流輸電工程，但它們對管道的影響很小，Peter Nicholson、Verhiel 等人分別測試了魁北克-新英格蘭直流輸電工程、B. C. Hydro高壓直流輸電系統(tǒng)對附近管道的影響，發(fā)現(xiàn)管道電位偏移只有0.3V左右[7]。可以看出，與國外相比，我國天然氣管道面臨的接地極放電干擾問題更加嚴重。

目前，國內(nèi)外還沒有形成一套可以徹底解決高壓直流輸電系統(tǒng)放電影響管道安全運行這一難題的方法。常用的防治措施包括：鋅帶埋設、分段隔離、強制排流等，但由于各方面的原因，這些措施的效果都不理想[8-10]。

1 接地極放電對管道的干擾及危害

1.1 干擾機理

根據(jù)入地電流極性區(qū)別，可以將接地極分為陰極接地和陽極接地，故障時對管道產(chǎn)生的干擾存在明顯區(qū)別，人們分別將電流流入、流出的部位稱為陰極區(qū)、陽極區(qū)，如圖1所示。陽極接地時，電流流動路徑為：接地極陽極-土壤-管道近端防腐層破損點-管道-管道遠端防腐層破損點-大地；陰極接地時，電流流動路徑為：大地-管道遠端防腐層破損點-管道-管道近端防腐層破損點-大地-接地極陰極。

圖1 接地極放電時管道陰極區(qū)和陽極區(qū)分布

處于電流流入段的管道管地電位會大幅度負向偏移，此時管道易發(fā)生析氫腐蝕，導致管道金屬氫脆和管道防腐層剝離；處于電流流出段的管道會出現(xiàn)管地電位的大幅度正向偏移，導致管道陰極保護失效，引起管道的腐蝕，作用在局部防腐層破損點的腐蝕易發(fā)展成貫穿性腐蝕孔，危害極大。

在陽極區(qū)，管地電位大幅正向偏移，管道防腐層破損點處金屬與周圍土壤發(fā)生腐蝕反應，加劇破損點處腐蝕程度，極容易引發(fā)穿孔現(xiàn)象；在陰極區(qū)，產(chǎn)生大量OH-，管地電位負向偏移，增加管道發(fā)生氫脆和防腐層剝離的風險。

1.2 高壓直流接地極放電危害

根據(jù)干擾對象的不同，高壓直流接地極放電的危害可以歸納為：（1）加速管道陽極區(qū)腐蝕，引起管道陰極區(qū)出現(xiàn)防腐層剝離、氫脆或氫致開裂現(xiàn)象；（2）影響恒電位儀正常運行，燒毀陰極保護電源，加速犧牲陽極損耗；（3）引發(fā)放電打火現(xiàn)象，燒毀管道上連接的各種設備；（4）對地電壓超過人體安全電壓，容易引發(fā)人身傷亡。

1.3 高壓直流接地極干擾特點

高壓直流接地極單極運行時，放電干擾具有以下特點：

（1）持續(xù)時間短：研究表明，高壓直流接地極單極運行放電時長僅占全年正常運行時長的1%左右，單次放電時間一般為1～2h，而且發(fā)生時間具有很強的不可預測性；

（2）干擾范圍廣：DL/T 5224-2014《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設計技術規(guī)范》規(guī)定，當管道與接地極的距離小于10km時，需要分析管道受到的影響，并采取適當?shù)姆雷o措施。實際上，大量仿真結果表明，接地極與管道的距離達到50km時，接地極放電仍然會對管道電位分布產(chǎn)生影響；接地極與管道的距離為10km時，接地極放電可以影響幾十、甚至上百千米管道的電位分布；

（3）治理緩解難：目前，國內(nèi)長輸天然氣管道的陰極保護電源大多采用恒電位儀，輸出電壓較低，難以抵御高壓直流接地極釋放的高達幾千安培的雜散電流。在這種“強干擾、弱保護”的情況下，陰保設備很難發(fā)揮應有的功能，而且極易發(fā)生燒毀、失靈等事故。

2 直流接地極放電事故案例

2.1 浙江省內(nèi)高壓輸電工程介紹

目前，浙江附近及周邊共存在3條高壓直流大型輸電工程，2條接地極位于浙江省內(nèi)，1條接地極位于浙江省附近，如表1所示。

表1 浙江省內(nèi)接地極分布情況

2.2 接地極放電事故

接地極單極運行對浙江省天然氣管網(wǎng)的影響案例如表2所示。

表2 接地極單極運行影響案例統(tǒng)計

表2（續(xù)）

可以看出，受到距離、放電量、放電時長的影響，接地極單極運行放電對浙江省天然氣管道及附屬設施的影響不盡相同。對石接地極由于距離天然氣管道較遠（＞28.9km），在最大入地電流高達5000A的情況下，僅造成接地極附近恒電位儀輸出參數(shù)波動、部分管道管地電位發(fā)生偏移；而金絲接地極距離天然氣管道很近（1.29km），因此金絲接地極單極運行時，盡管最大入地電流遠小于5000A，但依然會造成設備損壞。同時可以看出，澧浦閥室的設備容易受到金絲接地極放電的影響，因此需要增加額外的防護措施。

3 防治措施

為應對日益嚴重的直流接地極干擾問題，加強管道及附屬設備設施風險管控。從陰保設備硬件、控制系統(tǒng)、操作規(guī)程上入手，形成“仿真指導+智能監(jiān)控+規(guī)范處理”的接地極放電風險全方位管控措施及架構。

如圖2所示，首先開展管道、沿線土壤、接地極的資料收集與調(diào)研工作，然后使用仿真軟件分別分析各接地極正常運行和單極運行對附近管道的影響；根據(jù)仿真結果安裝電流監(jiān)測、阻斷設備、排流設備、恒電位儀等陰極保護設備和設施；接著搭建智能陰保系統(tǒng)統(tǒng)一管理陰保設備，實時監(jiān)控管道電位變化情況，在第一時間發(fā)現(xiàn)大直流接地極單極運行干擾；最后，根據(jù)接地極放電事故處置步驟編制事故處理流程，實現(xiàn)事故的規(guī)范化處理。

圖2 接地極放電風險管控措施

3.1 接地極單極運行影響分析

假設對石接地極、金絲接地極、同里接地極單極運行時入地電流均為5000A，對浙江省天然氣管網(wǎng)的影響如表3所示。

表3 接地極放電對管道電位的影響

3.2 安裝防護設施

3.2.1 常用防護措施比選

根據(jù)GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術標準》的規(guī)定，當管地電位偏移值大于等于100mV時，需要采取干擾防護措施。從表2可以看出，對石接地極、金絲接地極、同里接地極均正常運行的情況下，仍然需要采取防護措施。常用防護措施優(yōu)缺點如表4所示。

表4 常用直流干擾防護措施對比

3.2.2 防護措施設置

高壓直流接地極單極運行時間具有不可預測性，且持續(xù)時間較短，因此設置防護措施的目標是降低接地極正常運行時管道受到的干擾，限制接地極單極運行時影響范圍。由于單一防護措施具有局限性，因此采用綜合防護技術，以排流保護為主、配合采用其它多種防護措施。

（1）提高防腐層完整性

對全段管道采用加強級防腐層；對管道補口、焊點密封等易發(fā)生防腐層破損的薄弱環(huán)節(jié)采取強化措施，同時通過加強施工管理，確保防腐層地面漏點檢測真實有效，發(fā)現(xiàn)漏點及時修復，最終保證防腐層的完整性；

（2）管道分段隔離

根據(jù)受干擾情況，使用絕緣接頭將整條管道進行電隔離，然后依托就近的線路陰極保護站對絕緣接頭兩側的干線管道分別提供保護；

（3）增加管道陰極保護

增加強干擾管段陰極保護站的數(shù)量，為整條管段提供陰極保護，并對管地電位偏移進行糾偏；

（4）增設排流點

在強干擾區(qū)域設置接地排流點，排流保護方式為直接排流保護，材料選用帶狀鋅合金陽極。

3.3 安裝高壓直流監(jiān)測設備

3.3.1 電流環(huán)工作原理

高壓輸電系統(tǒng)接地極放電產(chǎn)生的電流是對管道威脅最大的雜散電流，很難直接測量，目前最常用的檢測方法是測量管道和參比電極間的電位差來反映雜散電流的分布情況，但這種方法有很大的局限性，測量結果受到參比電極和IR降的影響[11,12]。

電流環(huán)監(jiān)測技術是一種新興的管道電流監(jiān)測技術，目前只有一些學者對此進行了研究，在長輸管道陰極保護領域使用較少[13,14]。電流環(huán)在管道雜散電流監(jiān)測中的應用場景如圖3所示。

圖3 電流環(huán)監(jiān)測原理

電流環(huán)工作原理是：管道上的雜散電流會激發(fā)一個磁場，纏繞在管道表面的螺線管會將該磁場等效放大，這種現(xiàn)場稱為聚磁效應。當偏振光經(jīng)過這個磁場后會引起法拉第旋轉(zhuǎn)角出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過一系列換算后就可以得到管道中電流的大小。

3.3.2 電流環(huán)工作過程

電流環(huán)安裝在受直流干擾嚴重的管段，實時監(jiān)測管道上流過的電流，并將監(jiān)測結果實時傳輸給智能陰保系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 電流環(huán)和陰保樁聯(lián)合工作示意圖

當管道上流過的電流處于正常水平時，智能陰保樁處于正常工作狀態(tài)，1d上傳一次數(shù)據(jù)；當電流環(huán)檢測到通過管道的電流發(fā)生異常時，智能陰保樁馬上切換成緊急工作狀態(tài)，每隔一段時間（10min或20min）監(jiān)測一次管道上的電位并上傳至智能陰保系統(tǒng)。這種“電流環(huán)+智能陰保樁”聯(lián)合工作方式可以有效監(jiān)測對管地電位影響接地極單極運行時管道電位分布情況。

3.4 直流接地極單極放電事故處理

即使采用了仿真、智能監(jiān)測、排流等多種措施來緩解高壓直流干擾，但是仍然不能根除高壓直流接地極單極運行帶來的影響。除了需要與電網(wǎng)運營單位積極溝通，確定接地極單極運行時間以及放電量以外，還需要采取科學、有效的措施，定期開展陰保設備風險排查工作，以應對接地極單極運行可能造成的事故。

3.4.1 日常檢測及維護

每日采集一次排流裝置、電流環(huán)、恒電位儀等設備數(shù)據(jù)及工作情況，定期做好設備的檢查、維護工作，保證陰保設備正常運行。

3.4.2 接地極單極運行時的應對措施

當電流環(huán)、陰保樁觸發(fā)報警或者電網(wǎng)運營方通知接地極放電后，立即關閉干擾嚴重區(qū)域內(nèi)的恒電位儀，每隔30min記錄排流裝置、恒電位儀、電流環(huán)的數(shù)據(jù)并記錄，同時組織人員觀察設備、儀表、管路是否存在放電現(xiàn)象。

3.4.3 單極運行結束后的處置措施

單極運行結束后，立即安排現(xiàn)場人員對影響區(qū)域內(nèi)管道進行徒步巡檢，觀察是否存在漏氣現(xiàn)象；同時，開啟恒電位儀，并檢查干擾區(qū)域內(nèi)陰保樁、排流設備、絕緣接頭等陰保設備是否發(fā)生損壞、燒蝕等。

4 結語

為了減輕高壓直流接地極的影響，管道營運企業(yè)應從以下幾個方面開展工作：

（1）大力使用仿真軟件，將數(shù)值仿真技術應用在陰極保護領域，如接地極放電影響分析、陰極保護措施設計指導以及陰極保護設施效能評價，為陰極保護系統(tǒng)建設提供指導，提升陰極保護系統(tǒng)的作用效果；

（2）提高陰保系統(tǒng)的自動化水平，建立智能管理系統(tǒng)，將陰保樁、恒電位儀、固態(tài)去耦合器等陰極保護設備納入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，并在管道受干擾嚴重區(qū)域安裝大電流監(jiān)測設備，實現(xiàn)管道電位實時監(jiān)測、陰保設備即時管理；

（3）直流接地極干擾治理遵循“正常運行保障電位、單極運行保護設備”的原則。陰極保護設施設置應因地制宜，并滿足以下需求：接地極正常運行時，確保管道電位偏移小于100mV；接地極單極運行時，允許管道電位短時超過閾值，但需要防止恒電位儀等設備發(fā)生燒毀、燒蝕等事故；

（4）與管網(wǎng)運營單位建立有效的溝通機制，制定完善的直流接地極放電事故處理流程，明確處置措施，細化人員責任，降低接地極單極運行帶來的風險。