馮德佳 丁小軍 胡貴斌

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)廣東省管網(wǎng)有限公司

摘要：廣東地區(qū)天然氣埋地管道因受高壓直流輸電（HVDC）接地極干擾，實(shí)施了分段絕緣、閥室接地網(wǎng)改造、鋅帶排流等綜合性防護(hù)措施，同時(shí)加密內(nèi)外檢測(cè)頻次，加大管道外腐蝕缺陷及防腐層缺陷開(kāi)挖修復(fù)強(qiáng)度，通過(guò)綜合性防護(hù)措施，明顯緩解了管道受到高壓直流的干擾。

關(guān)鍵詞：高壓直流；接地極；干擾；效果評(píng)估

高壓直流輸電系統(tǒng)因故障出現(xiàn)單極大地回流方式時(shí)（接地極放電），會(huì)對(duì)周邊埋地油氣管道產(chǎn)生干擾，影響范圍之大、干擾程度之嚴(yán)重，遠(yuǎn)超過(guò)地鐵、礦山采掘直流設(shè)備等雜散電流干擾。不僅對(duì)操作人員安全造成威脅，還可能導(dǎo)致管道穿孔、絕緣設(shè)施燒蝕密封失效、設(shè)備裝置損毀等現(xiàn)象發(fā)生。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可依。結(jié)合具體案例，采取合理的綜合防護(hù)措施控制管道安全風(fēng)險(xiǎn)，可供有關(guān)方面參考借鑒。

1  干擾風(fēng)險(xiǎn)

高壓直流輸電系統(tǒng)一般采用雙極運(yùn)行模式，當(dāng)輸電線路故障或檢修時(shí)，會(huì)采取單極運(yùn)行模式，利用導(dǎo)線和大地構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，接地極放電排流時(shí)，入地電流可達(dá)幾千安培。持續(xù)的大電流不斷在大地內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，從埋地金屬管道的絕緣破損點(diǎn)、犧牲陽(yáng)極等位置流入管道，在管道上產(chǎn)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(xiàn)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(yīng)滿足人體安全電壓限值，一般情況下應(yīng)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(cè)電壓差限制條件如下：

（1）小于4 V時(shí)，可不采取措施。

（2）4 V～10 V時(shí)，應(yīng)保證閥室相鄰的引壓管間間距不小于10 mm。

（3）大于10 V時(shí)，應(yīng)采取排流防護(hù)措施將引壓管上絕緣卡套兩側(cè)電壓差降至10 V之內(nèi)。

2.3  陰保設(shè)備、電涌保護(hù)裝置損毀的安全條件

陰極保護(hù)設(shè)備、浪涌保護(hù)裝置不發(fā)生損毀，不影響正常工況下陰極保護(hù)的保護(hù)范圍，接地網(wǎng)不漏泄陰極保護(hù)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(zhǎng)度約11 km。距離管道3.5 km ～80 km范圍內(nèi)共有接地極 6 個(gè)。據(jù)測(cè)試，在地表土層薄、深層基本全為巖層的特殊土壤結(jié)構(gòu)情況下，即使管道和直流接地極的垂直距離達(dá)100 km，管道仍然可能受到較大的干擾。

接地極放電時(shí)，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(nèi)部，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致卡套穿孔漏氣、著火、甚至爆炸。某管道6#閥室曾發(fā)生絕緣卡套燒蝕穿孔漏氣事件。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，當(dāng)±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(shí)，管地通電電位高達(dá)304 VCSE（超出正常值的300倍），管道中流動(dòng)的干擾電流可達(dá)到上百安培，接地極放電期間的腐蝕速率可達(dá)到0.6 mm/d，受干擾管道的長(zhǎng)度可達(dá)上百千米（圖 1、圖 2）。

圖 1 接地極陽(yáng)極放電時(shí)管道受干擾模式

圖 2 接地極陰極放電時(shí)管道受干擾模式

4  防控措施

對(duì)以上管道實(shí)施了分段絕緣、閥室接地網(wǎng)改造、鋅帶排流等綜合性防護(hù)措施[2,3]，同時(shí)加密內(nèi)外檢測(cè)頻次，加大管道外腐蝕缺陷及防腐層缺陷開(kāi)挖修復(fù)強(qiáng)度，保持高強(qiáng)度的日常檢查維護(hù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，腐蝕速率明顯減低。

4.1  管理措施

建立溝通協(xié)調(diào)機(jī)制，在接地極故障性放電排流前和排流后，電網(wǎng)方及時(shí)通報(bào)放電情況，管道方收到信息后第一時(shí)間向相關(guān)人員發(fā)送排流信息（圖 3）。

圖 3 歷年來(lái)接地極排流信息統(tǒng)計(jì)

嚴(yán)格遵守受高壓直流輸電影響管道作業(yè)管理規(guī)范，管道電位測(cè)量時(shí)必須穿戴個(gè)人勞保用品，做好個(gè)人安全防護(hù)工作，放電期間，暫停管道電位的測(cè)量、管道沿線本體施工等作業(yè)。

4.2  防治措施

（1）設(shè)立可控硅控制型自動(dòng)合閘保護(hù)裝置，閥室地網(wǎng)作為排流床，利用可控硅反應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、分合無(wú)火花等特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)定觸發(fā)條件（管道電位和直流電流），從而實(shí)現(xiàn)排流目的。

（2）加設(shè)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(duì)整條管道線路的干擾影響。

（3）采用非對(duì)稱型固態(tài)去耦合器（﹢0.5 /﹣3.5 v），閥室接地地網(wǎng)與鋅塊/鎂塊（線路陰保站補(bǔ)充鋅塊）相連，每間閥室沿圍墻鋪設(shè)50組犧牲陽(yáng)極，通過(guò)補(bǔ)充犧牲陽(yáng)極，減緩地網(wǎng)的腐蝕。

（4）增設(shè)大功率抗干擾的恒電位儀+陽(yáng)極地床改造，確保恒電位儀的正常輸出。

（5）對(duì)受干擾的管道共鋪設(shè)了154處鋅帶，長(zhǎng)度共49 km。通過(guò)鋅帶與管道直連，在發(fā)揮排流作用的同時(shí)起到犧牲陽(yáng)極作用。

（6） 結(jié)合內(nèi)檢測(cè)結(jié)果、陰極保護(hù)有效性、雜散電流干擾情況，對(duì)受到高壓直流干擾的管道防腐層700余處破損點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。

4.3  監(jiān)檢措施

（1）建立高壓直流接地極干擾智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)管地電位、交流電壓，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警電位，提供聲光預(yù)警并發(fā)送短信通知，可實(shí)現(xiàn)±100 V、±300 V DC檢測(cè)量程，精度±0.5% r.d. +5 mV，AC量程可實(shí)現(xiàn)1.5至200 V，精度±0.5 V，定時(shí)檢測(cè)周期可達(dá)到分鐘級(jí)。

（2） 重點(diǎn)對(duì)環(huán)焊縫異常和外部金屬損失進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，掌握管道本體的腐蝕狀況。為了評(píng)價(jià)高壓直流接地極對(duì)管道的干擾情況，可縮短內(nèi)檢測(cè)間隔周期，加密內(nèi)檢測(cè)。

4.4  防控效果

經(jīng)過(guò)日常的跟蹤以及智能合閘裝置的運(yùn)行參數(shù)顯示，高壓直流接地極排流期間，閥室/站場(chǎng)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(biāo)。

經(jīng)過(guò)對(duì)閥室地網(wǎng)的改造以及綜合的排流措施，目前閥室/站場(chǎng)的截?cái)嚅y的最薄弱的部分（卡套），絕緣卡套的兩側(cè)電壓差小于4 V，未出現(xiàn)絕緣卡套燒蝕和引壓管放電的現(xiàn)象。線路的恒電位儀和電位傳送器運(yùn)行正常，未再出現(xiàn)因高壓直流而導(dǎo)致?lián)p壞跡象。

5  結(jié)論

（1）當(dāng)沒(méi)有采取鋅帶和分段絕緣緩解措施時(shí)，高壓直流接地極入地電流與管道干擾電壓成正比例關(guān)系；當(dāng)采取鋅帶防護(hù)措施時(shí)，鋅帶點(diǎn)位置的防護(hù)效果要明顯優(yōu)于未設(shè)置鋅帶的位置。這表明采取鋅帶的防護(hù)措施對(duì)整個(gè)干擾管道均有一定的緩解效果，多個(gè)鋅帶對(duì)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(shè)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(shí)際工程中，為了能使鋅帶敷設(shè)段達(dá)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(guò) 3 m。

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

參考文獻(xiàn)：

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

[2]秦潤(rùn)之，杜艷霞.高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)埋地金屬管道的干擾研究現(xiàn)狀[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2016(05)：264-265.

[3]周長(zhǎng)李，胡漢董.特高壓直流電流對(duì)埋地管道的干擾及防護(hù)措施分析[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2020，40(22)：43-45.

作者簡(jiǎn)介：馮德佳，1987年生，2011年畢業(yè)于廣東石油化工學(xué)院，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，主要從事管道的腐蝕控制等工作。聯(lián)系方式：13413300371，930414272@qq.com。