馮德佳 丁小軍 胡貴斌

國家管網集團廣東省管網有限公司

 

摘要：廣東地區天然氣埋地管道因受高壓直流輸電（HVDC）接地極干擾，實施了分段絕緣、閥室接地網改造、鋅帶排流等綜合性防護措施，同時加密內外檢測頻次，加大管道外腐蝕缺陷及防腐層缺陷開挖修復強度，通過綜合性防護措施，明顯緩解了管道受到高壓直流的干擾。

關鍵詞：高壓直流；接地極；干擾；效果評估

 

高壓直流輸電系統因故障出現單極大地回流方式時（接地極放電），會對周邊埋地油氣管道產生干擾，影響范圍之大、干擾程度之嚴重，遠超過地鐵、礦山采掘直流設備等雜散電流干擾。不僅對操作人員安全造成威脅，還可能導致管道穿孔、絕緣設施燒蝕密封失效、設備裝置損毀等現象發生。目前國內外尚無相應的標準規范可依。結合具體案例，采取合理的綜合防護措施控制管道安全風險，可供有關方面參考借鑒。

1  干擾風險

高壓直流輸電系統一般采用雙極運行模式，當輸電線路故障或檢修時，會采取單極運行模式，利用導線和大地構成直流側的單極回路，接地極放電排流時，入地電流可達幾千安培。持續的大電流不斷在大地內進行擴散，從埋地金屬管道的絕緣破損點、犧牲陽極等位置流入管道，在管道上產生極高的干擾電壓電流[1]，造成管道腐蝕、恒電位儀燒毀、閥室引壓管放電燒蝕等現象。

2  安全邊界

2.1  操作人員觸電的安全限值要求

管道與大地之間的接觸電壓應滿足人體安全電壓限值，一般情況下應小于35 V，特殊情況下可參考GB/T 3805―2008《特低電壓（ELV）限值》，跨步電壓限值滿足 Em =7.42+0.0318 ρs，且不大于50 V。

2.2  閥室引壓管、絕緣接頭電弧和燒蝕的安全條件

引壓管上、絕緣卡套兩側電壓差限制條件如下：

（1）小于4 V時，可不采取措施。

（2）4 V～10 V時，應保證閥室相鄰的引壓管間間距不小于10 mm。

（3）大于10 V時，應采取排流防護措施將引壓管上絕緣卡套兩側電壓差降至10 V之內。

2.3  陰保設備、電涌保護裝置損毀的安全條件

陰極保護設備、浪涌保護裝置不發生損毀，不影響正常工況下陰極保護的保護范圍，接地網不漏泄陰極保護電流。

3  案例分析

某管道沿線有7條高壓直流輸電線路、19處交叉并行，影響長度約11 km。距離管道3.5 km ～80 km范圍內共有接地極 6 個。據測試，在地表土層薄、深層基本全為巖層的特殊土壤結構情況下，即使管道和直流接地極的垂直距離達100 km，管道仍然可能受到較大的干擾。

接地極放電時，在閥室不同電位金屬部件間形成高的電位差，易在距離小、絕緣薄弱的金屬部位放電，特別是絕緣卡套的內部，嚴重時可能導致卡套穿孔漏氣、著火、甚至爆炸。某管道6#閥室曾發生絕緣卡套燒蝕穿孔漏氣事件。

根據現場測試，當±500 kV高壓直流輸電線路的翁源接地極以3200 A的電流放電時，管地通電電位高達304 VCSE（超出正常值的300倍），管道中流動的干擾電流可達到上百安培，接地極放電期間的腐蝕速率可達到0.6 mm/d，受干擾管道的長度可達上百千米（圖 1、圖 2）。

圖 1 接地極陽極放電時管道受干擾模式

圖 2 接地極陰極放電時管道受干擾模式

4  防控措施

對以上管道實施了分段絕緣、閥室接地網改造、鋅帶排流等綜合性防護措施[2,3]，同時加密內外檢測頻次，加大管道外腐蝕缺陷及防腐層缺陷開挖修復強度，保持高強度的日常檢查維護。檢測數據表明，腐蝕速率明顯減低。

4.1  管理措施

建立溝通協調機制，在接地極故障性放電排流前和排流后，電網方及時通報放電情況，管道方收到信息后第一時間向相關人員發送排流信息（圖 3）。

圖 3 歷年來接地極排流信息統計

嚴格遵守受高壓直流輸電影響管道作業管理規范，管道電位測量時必須穿戴個人勞保用品，做好個人安全防護工作，放電期間，暫停管道電位的測量、管道沿線本體施工等作業。

4.2  防治措施

（1）設立可控硅控制型自動合閘保護裝置，閥室地網作為排流床，利用可控硅反應快、壽命長、分合無火花等特點，通過設定觸發條件（管道電位和直流電流），從而實現排流目的。

（2）加設3處絕緣接頭，將原管段分為4段，采用分段隔離方式治理，減少故障大直流對整條管道線路的干擾影響。

（3）采用非對稱型固態去耦合器（﹢0.5 /﹣3.5 v），閥室接地地網與鋅塊/鎂塊（線路陰保站補充鋅塊）相連，每間閥室沿圍墻鋪設50組犧牲陽極，通過補充犧牲陽極，減緩地網的腐蝕。

（4）增設大功率抗干擾的恒電位儀+陽極地床改造，確保恒電位儀的正常輸出。

（5）對受干擾的管道共鋪設了154處鋅帶，長度共49 km。通過鋅帶與管道直連，在發揮排流作用的同時起到犧牲陽極作用。

（6） 結合內檢測結果、陰極保護有效性、雜散電流干擾情況，對受到高壓直流干擾的管道防腐層700余處破損點進行修復。

4.3  監檢措施

（1）建立高壓直流接地極干擾智能監測系統，采用無線數據通信網絡監測管地電位、交流電壓，當監測數據超過預警電位，提供聲光預警并發送短信通知，可實現±100 V、±300 V DC檢測量程，精度±0.5% r.d. +5 mV，AC量程可實現1.5至200 V，精度±0.5 V，定時檢測周期可達到分鐘級。

（2） 重點對環焊縫異常和外部金屬損失進行開挖驗證，掌握管道本體的腐蝕狀況。為了評價高壓直流接地極對管道的干擾情況，可縮短內檢測間隔周期，加密內檢測。

4.4  防控效果

經過日常的跟蹤以及智能合閘裝置的運行參數顯示，高壓直流接地極排流期間，閥室/站場的管道電壓大大低于35 V。全線管道的腐蝕速率顯著降低，腐蝕速率均滿足低于100 μm/a的緩解目標。

經過對閥室地網的改造以及綜合的排流措施，目前閥室/站場的截斷閥的最薄弱的部分（卡套），絕緣卡套的兩側電壓差小于4 V，未出現絕緣卡套燒蝕和引壓管放電的現象。線路的恒電位儀和電位傳送器運行正常，未再出現因高壓直流而導致損壞跡象。

5  結論

（1）當沒有采取鋅帶和分段絕緣緩解措施時，高壓直流接地極入地電流與管道干擾電壓成正比例關系；當采取鋅帶防護措施時，鋅帶點位置的防護效果要明顯優于未設置鋅帶的位置。這表明采取鋅帶的防護措施對整個干擾管道均有一定的緩解效果，多個鋅帶對管道可以起到綜合的緩解作用。隨著鋅帶與管道距離的增大，管線整體電位緩解效果基本相同，但鋅帶敷設處管道電位有明顯變化，且距離管道越近緩解效果越明顯。實際工程中，為了能使鋅帶敷設段達到比較好的緩解效果（90%以上的緩解百分比），建議鋅帶距離管道不超過 3 m。

（2）采取綜合防護措施時，干擾管道流入段和流出段的排流措施會相互影響。當防護措施位置合理時，管道整體的干擾電位均會有明顯的抑制，防護措施流入流出的電流會減少干擾管道表面流入流出的電流。在防護措施位置不合理時，可能會增加其中一個干擾方向的管道干擾程度。

 

參考文獻：

[1]程明，張平.魚龍嶺接地極入地電流對西氣東輸二線埋地鋼質管道的影響分析[J].天然氣與石油，2010(05)：25-26.

[2]秦潤之，杜艷霞.高壓直流輸電系統對埋地金屬管道的干擾研究現狀[J].腐蝕科學與防護技術，2016(05)：264-265.

[3]周長李，胡漢董.特高壓直流電流對埋地管道的干擾及防護措施分析[J].中國石油和化工標準與質量，2020，40(22)：43-45.

作者簡介：馮德佳，1987年生，2011年畢業于廣東石油化工學院，工學學士學位，主要從事管道的腐蝕控制等工作。聯系方式：13413300371，930414272@qq.com。