谭春波 许明忠 向敏 夏祝福

广东省天然气管网有限公司

摘要：研究了鱼龙岭接地极单极大地回路运行时不同大小的入地电流对广东省天然气管网天然气管道的影响。通过分析，总结了接地极的入地电流对管道的影响规律，入地电流大小与管道电位的关系，以及入地电流对管道极化电位的影响大小。初步测试了采用站场、阀室接地网作为干扰缓解措施的防护效果。

关键词：高压直流输电线路；杂散电流；天然气管道；接地极；管道电位

接地极是直流输电工程中的重要设施，它在单极大地回路和双极运行方式中分别担负着导引入地电流和不平衡电流的重任[1,2]。直流输电线路采用单极大地回路电流运行方式时，电流通过接地极泄入大地，使附近土壤产生电压差，这一电压差会在埋地金属构件中产生电流，从而导致地下金属构件产生腐蚀，对于距接地极较近且长度较长的金属构件，产生的腐蚀影响更为明显[3]。

笔者研究了鱼龙岭接地单极大地回路电流运行方式下，接地极泄放电流至大地时，对广东管网影响的规律，入地电流大小与管道电位的关系，站场、阀室接地网与管道跨接对干扰的缓解效果，入地电流对管道极化电位的影响等。

1 管道和接地极简介

1.1 管道简介

广东省天然气管网有限公司天然气管道一期工程包含广惠干线、鳌广干线、广肇干线、东莞支干线、清远支干线、韶关支干线。全线采用3PE防腐层和强制电流阴极保护方式，共设置了6座线路阴极保护系统， 10个绝缘接头。

1.2 接地极简介

鱼龙岭接地极为云广±800 kV、贵广II回±500 kV直流输电线路增城穗东换流站和深圳宝安换流站共用接地极[4]。云广±800 kV故障状态下最大入地电流3 125 A；贵广II回±500 kV故障状态下最大入地电流3 000 A。鱼龙岭接地极位于清远市飞来峡区江口镇鱼龙岭，采用同心双圆环水平铺设布置，内外环直径分别为700 m和940 m，其形貌见图1。

图 1  鱼龙岭接地极位置地貌

1.3 管道和接地极相对位置关系

鱼龙岭接地极中心距广东管网天然气管道的垂直距离为2.8 km，距鳌头首站的直线距离为10.1 km，距清城阀室的直线距离为9.9 km。接地极外围圆环距管道的最近垂直距离为2.3 km，见图2、图3。

图 2 鱼龙岭接地极与管道相对距离示意

图 3 鱼龙岭接地极与广东管网管道相对位置示意（方块为绝缘接头）

2 接地极单极大地回路运行对管道的影响

在单极大地回路电流运行方式中，利用一根或两根导线和大地构成直流侧的单极回路，见图4。在该运行方式中，两端换流站均需接地，大地作为一根导线，通过接地极入地的电流即为直流输电系统的运行电流。

图 4 高压直流输电系统单极大地回路运行电路

2.1 接地极单极大地回路运行对管道不同位置的影响

在鱼龙岭接地极故障阴极放电时，测试了广东管网一期管道不同位置的管道通电电位（表 1）。

由表1数据可以看出，接地极运行极性为阴极时，在同一绝缘管段内的管道，靠近接地极位置管道流出杂散电流，管道电位往正方向偏移，形成管道的阳极区，管道存在杂散电流腐蚀的风险[4]；远离接地极位置杂散电流流入管道，管道电位往负方向偏移，形成管道的阴极区，管道存在阴极剥离和氢脆的风险，杂散电流的流动方向见图5。管道中最正最负的电位值出现在离接地极最近的位置和同一绝缘管段内离接地极最远位置。

图 5  接地极阴极运行时管道电流流向示意

测试结果显示，在受干扰情况下，绝缘接头的一侧管道电位往负方向偏移，另外一侧管道电位往正方向偏移，两侧管道的电位极性相反，说明两侧分别形成了杂散电流流入流出点，见图6。因此在受到杂散电流干扰情况下，绝缘接头位置是一个腐蚀风险点。

图 6 石角阀室绝缘接头两侧电位测试结果

2.2 接地极入地电流大小和管道干扰电位的关系

分别测试了接地极单极大地回路电流阴极运行1 000、1 200、1 350、1 800、2 100、2 250和3 000 A电流时，鳌头至清城阀室4#桩位置的管道电位变化，见图7。结果可以看出管道电位和接地极入地电流成正比。

图 7  管道电位与接地极运行电流关系

2.3 土壤电阻率对接地极入地电流干扰的影响

计算了3种土壤模型下管道所受干扰情况（表 2）。

据此得到不同土壤结构下管道电位分布如图8所示。对比土壤结构2和3，上层电阻率小、下层电阻率大的土壤结构（土壤模型2）不利于电流散入深层土壤，从而导致管道所受干扰增强。可见，土壤电阻率对管道所受干扰影响很大，上层电阻率低的土壤结构会产生相对较高的干扰水平。

图 8 土壤电阻率对管道电位的影响

2.4 接地极单极大地回路电流运行对管道极化电位的影响

接地极单极大地回路电流运行时，采用极化试片测试管道在杂散电流干扰下管道的极化电位。分别测试了四个位置：①鳌头站往清远方向绝缘接头外侧管道；②从化站绝缘接头外侧管道；③广州站进站绝缘接头外侧管道；④鳌头至清城阀室4#桩。

结果显示（图 9），在接地极单极大地回路电流运行时，杂散电流流出的位置①、②、④，管道的极化电位正向偏移到1 V左右，远正于阴极保护的﹣0.85 V准则要求，存在重大的杂散电流腐蚀风险；在电流流入的位置③，极化电位负向偏移至－1.7 V，远负于阴极保护的－1.2 V准则要求，处于过保护状态，存在重大的阴极剥离和氢脆风险。

图 9 接地极单极大地回路电流运行时管道极化电位测试结果

3 采用站场接地网与管道电连接的缓解效果

由于接地极单极大地回路电流运行时，造成进出站位置绝缘接头两端电位差增大，因此在测试过程中，采用固态去耦合器将绝缘接头的外侧管道与站内接地网进行跨接，固态去耦合器的直流隔断阀值为±2 V，当绝缘接头两端的电压差大于2 V时，固态去耦合器导通，站外管道与站内接地网形成了电连接。

在接地极单极大地回路电流运行1 000 A时，通过断开鳌头去清远方向固态去耦合器，测试断开前后管道电位变化情况。

鳌头去清远方向跨接断开后，站外管道电位从16 V偏移到25 V，4#测试桩管道电位从46 V偏移到53 V，清城阀室电位从－0.4 V偏移到－0.2 V，表明此段管道表面流出的电流增加；同时源潭阀室、清远阀室、石角阀室上游电位负向偏移量减小，表明此段管道表面吸收的电流减小。测试结果可以看出，当鳌头去清远方向跨接时，原来从管道表面流出的杂散电流，部分通过站内接地网流出，使得管道的电位正向偏移量减小，对跨接位置的干扰有缓解作用。同时由于接地网与管道跨接后，杂散电流流经的回路电阻降低，靠近接地极段整体流出的杂散电流增加，造成远端管道吸收的电流也增加，使得吸收电流管道的电位负向偏移量增加，增大了阴极剥离和氢脆的风险。

4 接地极单极大地回路电流运行时管道存在的风险

（1）接地极单极大地回路电流运行3 000 A时，管道最正电位达到140.5 V，最负电位达到－12.5 V，管道的最正电位远高于标准规定的人体安全电压35 V，管道操作人员存在触电的危险。

（2）接地极单独大地回路电流运行时，管道上存在高电压，管道上附属设施和设备存在损坏的风险，阴极保护系统的恒电位仪均无法工作，无法对管道进行有效的阴极保护。

（3）接地极单极大地回路电流运行时，在电流流出的位置存在重大的腐蚀风险；在电流流入的位置存在重大的阴极剥离和氢脆风险。

5 结论

（1）接地极单极大地回路运行的影响范围很广，运行电流为3 000 A时，管道最正电位能达到140.5 V。管道中最正最负的电位值出现在离接地极最近的位置和同一绝缘管段内离接地极最远位置。

（2）管道受干扰电位与接地极入地电流成正比。

（3）在受干扰的管道中增加绝缘接头，能降低绝缘接头下游管道受杂散电流的干扰程度，但绝缘接头两侧管道的电位的极性相反，且压差较大，是腐蚀及安全风险点。

（4）管道与站场或阀室的接地网进行电连接，能降低跨接位置管道的电位，使得跨接位置管道表面流入流出的电流减小，降低跨接位置管道的腐蚀和氢脆的风险，但是杂散电流通过接地网流入流出，使得管道整体流入流出的电流增加，增大远端管道腐蚀和氢脆的风险。

（5）接地极单极大地回路电流运行，造成管道电位值升高，给管道操作人员带来触电的风险，同时会造成管道上设施或设备发生损坏，使得管道在电流流出的位存在腐蚀风险；管道电流流入的位置存在阴极剥离和氢脆的风险。

参考文献

[1] 李文文，刘超，邹军，袁建生. 高压/特高压直流输电线路对邻近金属管道危险影响暂态分析[c].中国电机工程学会电磁干扰专业委员会第十二届学术会议.武汉：2012.

[2] 陆家榆，鞠勇，薛辰东，庞廷智. 直流接地极测试方法研究[c]. 中国电机工程学会电磁干扰专业委员会第九届学术会议.北京：2004.

[3] 胡毅. 直流接地极电流对输电线路接地构件的腐蚀影响研究[J].中国电力，2000，33(1)：58—61.

[4] 程明，张平. 鱼龙岭接地极入地电流对西气东输二线埋地钢质管道的影响分析[J]. 天然气与石油.2010，28(5)：22—26.

作者：谭春波，男，1982年生，工程师，现在主要从事输气生产与管道保护管理方向的研究工作。

《管道保护》2018年第2期（总第39期）