王革 許明忠 譚春波 向敏 夏祝福

廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司

摘要：開展了高壓直流輸電系統(tǒng)對管道干擾的機理、成因、危害及防治措施的深入研究。選取典型管段進行緩解措施試驗，達到了預(yù)期目標。在國內(nèi)首次提出了高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對管道干擾緩解措施及方案。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電系統(tǒng)；直流干擾；放電燒蝕；絕緣卡套；管道安全

2013年12月24日，廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司（以下簡稱省管網(wǎng)公司）從化分輸站氣液聯(lián)動球閥LineGuard控制箱引壓管絕緣卡套發(fā)生放電燒蝕，受到業(yè)界高度關(guān)注。通過調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對埋地輸氣管道存在嚴重干擾。為此，開展了對管道干擾的機理，成因，危害及防治措施的深入研究，并選取典型管段進行了緩解措施試驗。

1  干擾問題發(fā)現(xiàn)

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，引壓管絕緣卡套顏色發(fā)黑，上方引壓管也有發(fā)黑的印記，離絕緣卡套左側(cè)約5 cm位置的塑料管卡下端被完全熔化，右側(cè)約18 cm處的塑料管卡下端也有熔化現(xiàn)象（圖1）。從化分輸站氣液聯(lián)動閥1#和2#絕緣卡套發(fā)生了高溫熔化（圖2 ）。1#絕緣卡套兩端熔化黏結(jié)在一起，卡套內(nèi)聚酰胺—酰亞胺絕緣件已熔化。兩個絕緣卡套切割開后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部均有明顯的燒蝕現(xiàn)象（圖3、圖4）。

圖1 從化分輸站發(fā)生燒蝕現(xiàn)場

圖 2燒蝕的絕緣卡套位置示意

圖3  1#絕緣卡套燒蝕情況

圖4  2#絕緣卡套燒蝕情況

調(diào)取該閥門附近的監(jiān)控視頻發(fā)現(xiàn)，從化分輸站越站氣液聯(lián)動球閥執(zhí)行機構(gòu)于12月24日晚上18:30分開始出現(xiàn)亮點，亮度在5 min內(nèi)逐步達到最亮（圖5），直至該晚22:00，亮點逐漸熄滅。

圖5  監(jiān)控視頻發(fā)現(xiàn)氣液聯(lián)動閥發(fā)光點

此時間點與南方電網(wǎng)的貴廣Ⅱ回直流輸電系統(tǒng)（魚龍嶺接地極）12月24日出現(xiàn)故障，采取單極大地返回方式運行時間點一致。此次貴廣Ⅱ回直流輸電系統(tǒng)采用單極大地回路運行時，魚龍嶺接地極將3 125 A直流電流泄放，省管網(wǎng)公司的管道距離魚龍嶺接地極垂直距離較近，接地極放電從化分輸站位置管道電位正向偏移（圖6），從化分輸站絕緣卡套的一端與管道電連接，另一端與接地網(wǎng)電連接，造成絕緣卡套兩端存在很大電壓差，同時由于這兩個絕緣卡套絕緣性能下降，造成絕緣卡套發(fā)生了放電燒蝕熔化事件。

圖6 直流輸電線路單極運行時造成的管道干擾示意

2  干擾問題研究

省管網(wǎng)公司進一步排查發(fā)現(xiàn)，高壓直流輸電系統(tǒng)放電對管網(wǎng)造成了以下危害：①高壓直流輸電系統(tǒng)接地極放電時，線路恒電位儀無法正常運行，并且燒毀了恒電位儀部分元件（圖7）。②燒毀犧牲陽極位置的干線測試樁（圖8）。③燒毀多個站場絕緣接頭位置的等電位連接器（圖9）。④部分閥室的引壓管之間及指示器信號線接地套管與閥體接觸發(fā)生放電燒蝕（圖10）。⑤管道防腐層破損點處發(fā)生腐蝕（圖11）。

圖7 恒電位儀元件燒毀         圖8干線測試樁燒毀

圖9等電位連接器燒毀        圖10接地套管與閥體接觸放電燒蝕

圖11 管道防腐層破損點處腐蝕

魚龍嶺接地極邊緣距離管道垂直距離為2.3千米（圖12）。接地極放電時會對管道造成陰極和陽極干擾，干擾規(guī)律見圖13。接地極陽極干擾時，靠近接地極段的管道吸收雜散電流，管道電位負向偏移，遠離接地極段的管道排放電流，管道電位正向偏移。接地極陰極干擾時，靠近接地極的管道排放電流，管道電位正向偏移，遠離接地極段的管道吸收雜散電流，管道電位負向偏移。

圖12 魚龍嶺接地極與管道相對位置示意圖

圖13 高壓直流輸電系統(tǒng)接地極干擾規(guī)律示意

通過安裝HVDC電位遠程監(jiān)測系統(tǒng)和采用數(shù)值模擬軟件對高壓直流干擾進行模擬計算，受干擾最嚴重的管段為省管網(wǎng)一期管道的鰲頭首站至石角閥室段、鰲頭首站至廣州分輸站段。管道受干擾時的電位能達到100 V以上（圖14），遠超過人體和設(shè)備的安全電壓。閥室引壓管之間、絕緣卡套兩端和站場絕緣接頭位置存在幾十伏的電壓差，引壓管之間和絕緣卡套存在重大的放電燒蝕風險。

圖14  管道受高壓直流輸電系統(tǒng)接地極干擾電位分布

高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對管道干擾危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①造成管道電位嚴重偏移，存在人身和設(shè)備安全風險。②雜散電流流入管道位置，存在防腐層剝離和管道氫脆開裂的風險。③雜散電流流出管道位置，存在管道防腐層破損點處管體腐蝕風險。④雜散電流在管道中流動，影響設(shè)備的可靠性和天然氣站場及閥室防爆安全。

經(jīng)文獻檢索，目前國內(nèi)外還沒有此類型雜散電流干擾緩解措施的可參考案例。研究結(jié)果顯示，如果將電流干擾影響緩解至當前標準要求范圍內(nèi)，經(jīng)濟代價高，實施難度大。本次研究雖提出了多個緩解目標和緩解措施，但受認識和技術(shù)水平的限制，還沒有一種緩解措施能夠完全消除高壓直流干擾對管道造成的風險。

3 應(yīng)急防護措施

（1）將處于干線陰保系統(tǒng)保護的氣液聯(lián)動球閥進行接地，使閥體與Line Guard控制箱和閥位指示器之間形成等電位。

（2）將站場絕緣接頭位置的等電位連接器更換為固態(tài)去耦合器，將站內(nèi)外跨接，防止大電流排放時產(chǎn)生電位差。

（3）開挖鰲廣干線犧牲陽極和靠近魚龍嶺接地極附近的鋅帶地床，查看犧牲陽極腐蝕情況，對檢測發(fā)現(xiàn)的防腐層破損點及時修復(fù)。

（4）加強恒電位儀的操作培訓及管理，優(yōu)化恒電位儀操作流程，指導(dǎo)現(xiàn)場人員進行相關(guān)處理步驟。在南方電網(wǎng)接地極泄流期間，嚴密監(jiān)視恒電位儀輸出，當出現(xiàn)電位故障報警時，切換至恒流狀態(tài)，恒電流狀態(tài)下輸出電流超過額定輸出時，拆除零位接陰及陰極電纜。

（5）實施陰保數(shù)據(jù)智能化采集，沿線安裝電位采集儀，實時監(jiān)控管段受干擾情況。

（6）與南方電網(wǎng)建立聯(lián)絡(luò)機制，計劃檢修及故障放電時及時通知公司采取安全防范措施，同時相應(yīng)減少接地極泄流次數(shù)、降低接地極泄流大小和縮短接地極泄流時間。

（7）現(xiàn)場增加安全警示標識，對管道測試樁噴涂“有電危險”安全標識，防止公眾誤觸管道測試樁發(fā)生觸電。

（8）進一步研究高壓直流干擾緩解措施。

4 緩解措施應(yīng)用研究

選取受干擾嚴重的鰲頭首站至廣州分輸站作為試驗段，在受干擾嚴重區(qū)域設(shè)置ER腐蝕速率探頭監(jiān)測管道腐蝕程度，研究不同緩解措施的緩解效果。

試驗段緩解目標確定為：①受干擾時的管道電位控制在人體安全電壓±35 V以內(nèi)。②管道腐蝕速率控制在NACE RP0775－2005要求的0.0254 mm/a以下。③消除站場絕緣接頭兩端的電壓差。

研究了3種緩解措施：①在試驗段鰲頭首站和廣州分輸站分別安裝大功率智能雙向強制排流系統(tǒng)。②絕緣接頭位置安裝±4 V直流排流器。③在管段敷設(shè)9處共計1.8 km鋅帶。結(jié)果表明，綜合采取多種緩解措施后，試驗段管道受高壓直流干擾電位控制在±35 V（圖15），管道的腐蝕速率控制在0.0254 mm/a（圖16）。

■為緩解前；●為緩解后

圖15  采取措施前后試驗段管道電位

圖16 采取措施前后試驗段管道的腐蝕速率

2016－2017年，試驗段研究成果應(yīng)用于受接地極干擾嚴重的鰲頭首站至石角閥室管段，水平敷設(shè)3.93 km鋅帶和25口深井陽極（每口井安裝20 m鋅帶）。通過測試發(fā)現(xiàn)，受高壓直流干擾電位控制在在±35 V內(nèi)，管道腐蝕速率小于0.0 254 mm/a，緩解效果達到預(yù)期目標。

5 結(jié)束語

從化分輸站絕緣卡套放電燒蝕事件，是國內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對埋地輸氣管道的嚴重干擾。經(jīng)分析研究，掌握了高壓直流輸電系統(tǒng)接地極干擾對管網(wǎng)造成的危害。在國內(nèi)首次實施高壓直流干擾緩解措施，消除了對管道的安全風險，達到了預(yù)期目標。

作者：王革，男，1968年生，現(xiàn)任廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司總經(jīng)理。

《管道保護》2018年第3期（總第40期）