高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地鋼質管道干擾的現(xiàn)場測試與分析

李振軍

(中國石油西部管道公司，烏魯木齊 830013)

高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地鋼質管道干擾的現(xiàn)場測試與分析

李振軍

(中國石油西部管道公司，烏魯木齊 830013)

哈密南-鄭州±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)中哈密接地極與西氣東輸管道最近距離為44 km。通過在西氣東輸天然氣管道沿線布置電位監(jiān)測點，測得直流輸電系統(tǒng)單極大地回線方式運行時，管地電位的變化情況；通過對測試數(shù)據(jù)的分析處理，獲得了哈密接地極對西氣東輸天然氣管道管地電位的影響范圍和影響程度，掌握了直流輸電系統(tǒng)不同運行模式下，對管地電位的影響規(guī)律。

高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)；埋地管道；直流雜散電流干擾；單極大地回線方式；管地電位監(jiān)測

隨著國民經(jīng)濟迅猛增長，對電能需求越來越大，而我國的電力資源又遠離負荷中心[1]，因此需不斷增大電力系統(tǒng)的輸送容量。與高壓交流相比，輸送相同功率時，高壓直流輸電線路造價低、線路損耗小，因此近年來高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)得以快速發(fā)展。

接地極是高壓/特高壓直流輸電工程中的重要設施，它在單極大地回線和雙極運行方式中分別擔負著導引入地電流和不平衡電流的重任[2]。當高壓/特高壓直流輸電線路采用單極大地回線方式運行時，泄放入大地中的電流有數(shù)千安培；采用雙極運行方式時，通過接地極泄入大地中的不平衡電流相對較小，小于額定電流的1%。直流輸電線路大地回路電流運行或不平衡電流通過直流接地極泄入大地時，會引起附近土壤的電位發(fā)生變化，進而使不同地點間產(chǎn)生電位差，這一電位差會在埋入地中的金屬構件中產(chǎn)生電流，從而導致埋地金屬構件發(fā)生腐蝕，對于距接地極較近且長度較大的埋地金屬構件造成的直流雜散電流干擾更為嚴重，產(chǎn)生的腐蝕影響也更為明顯[3]。

哈密南-鄭州±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)(簡稱：哈鄭特高壓直流輸電系統(tǒng))于2014年1月正式投運，與哈密接地極臨近的管道有成品油管道、原油管道、和西氣東輸兩條天然氣管道，且直流輸電線路與管道長距離并行。

本工作通過在西氣東輸天然氣管道沿線布置電位監(jiān)測點，測試獲得了直流輸電系統(tǒng)單極大地回線方式運行時，管地電位的變化情況，并基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，分析研究了哈密接地極對西氣東輸天然氣管道的影響范圍和影響程度，掌握了直流輸電系統(tǒng)不同運行模式下，對管道的影響規(guī)律。根據(jù)研究結果讓電力和管道部門了解到特高壓直流輸電系統(tǒng)對管道造成的影響和風險，同時研究結可以為電力部門和管道運營管理部門采取干擾緩解措施提供數(shù)據(jù)和理論支持。

1 高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極的運行模式

高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)運行方式有雙極運行和單極運行，單極運行方式又分為單極大地回線方式和單極金屬回線方式。

雙極運行方式是利用正負兩極導線和兩端換流站的正負兩極相連，構成直流側回路，其電路示意圖如圖1所示。正常運行時，直流電流的路徑分別為正極和負極的兩個極性。實際上它是由兩個獨立運行的單極大地回線系統(tǒng)構成。正負兩極在地回路中的電流方向相反，入地電流為兩極電流之差值。入地電流為兩極的不平衡電流，通常小于額定電流的1%。

圖1 雙極運行方式電路示意圖Fig. 1 Circuit diagram of bipolar operation mode

圖2 單極大地回線運行電路示意圖Fig. 2 Circuit diagram of single pole earth circuit

單極大地回線方式是利用一根導線和大地(或海水)構成直流側的單極回路，兩端換流站均需接地，其電路示意圖如圖2所示。采用這種方式運行時，大地(或海水)相當于直流輸電線路的一根導線，流經(jīng)它的電流為直流輸電工程的運行電流，在實際過程中電流數(shù)值達數(shù)千安培，入地電流大。大地(或海水)中有直流流過時，將引起接地極附近埋地金屬構件的電化學腐蝕以及由于中性點接地極變壓器直流偏磁增加而造成的變壓器磁飽和等問題。在單極大地回線運行時，接地極流出電流時，叫做“陽極放電”，接地極流入電流時，叫做“陰極放電”。直流輸電系統(tǒng)由兩個獨立運行的單極大地回線系統(tǒng)構成時，同一接地極即可能出現(xiàn)陽極放電，也可能出現(xiàn)陰極放電。

單極金屬回線方式是利用兩個導線構成直流側的單極回路，其中一根導線(也稱金屬返回線)用來代替單極大地回線方式中的地回線，單極金屬回線運行的電路示意圖如圖3所示。在運行中，大地中無電流流過，可以避免單極大地回線方式運行所產(chǎn)生的電化學腐蝕和變壓器磁飽和等問題。

圖3 單極金屬回線運行電路示意圖Fig. 3 Circuit diagram of single pole metal circuit

2 接地極與管道相對位置

哈鄭特高壓直流輸電系統(tǒng)哈密接地極采用淺埋型陸地接地極。電極材料為高硅鉻鐵棒，尺寸為φ50 mm×1.5 m。電極敷設的形狀為同心雙圓環(huán)形，外環(huán)半徑為500 m(周長為3 141.6 m)，內環(huán)半徑為350 m(周長為2 199.1 m)，電極埋深為3.5 m。最大持續(xù)額定電流為5 000 A，最大過負荷電流為5 629 A，最大暫態(tài)電流(3S)為6 540 A，雙極不平衡電流為50 A。

哈密接地極與西氣東輸天然氣管道的垂直距離為44 km，離接地極最近的站場為西氣東輸某壓氣站，其與接地極的直線距離為50 km。距離接地極最近的閥室為西氣東輸某閥室，與接地極的直線距離為45 km。西氣東輸天然氣管道的站場進出站位置均有跨接線，將上下游管道跨接，西氣東輸全線管道為電連接狀態(tài)。

3 哈鄭特高壓直流輸電系統(tǒng)對西氣東輸天然氣管道干擾監(jiān)測結果及分析

在西氣東輸天然氣管道與接地極不同距離處設置電位遠程監(jiān)測系統(tǒng)，來實時監(jiān)測管地電位的變化，監(jiān)測系統(tǒng)的采樣頻率為每組數(shù)據(jù)10 min，監(jiān)測的時間為9個月，監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測范圍為1 000 km以上管道。

3.1 接地極單極大地回線方式統(tǒng)計結果

在接地極非單極大地回線運行時，西氣東輸管線陰極保護系統(tǒng)正常投運時，管地電位在-1.4 V上下波動，波動幅度在200 mV左右，管地電位波動情況見圖4(a)；接地極單極大地回線運行時，管地電位發(fā)生正向或者負向偏移，管地電位的偏移情況見圖4(b)。管地電位發(fā)生偏移的時刻與電網(wǎng)提供接地極單極運行的時刻一致，因此可以根據(jù)管地電位的偏移時刻推斷出接地極單極大地回線運行時刻和時長。

(a) 接地極非單極大地回線運行時

(b) 接地極單極大地回線運行時圖4 西氣東輸管道離接地極最近測試樁處電位波動圖Fig. 4 Potential fluctuation diagrams of recent test pile to earth electrode on West-East gas pipeline: (a) ground electrode non-single electrode in the earth loop operation; (b) ground electrode single electrode in the earth loop operation

監(jiān)測結果顯示，在2014年10月至2015年6月期間，哈密接地極共進行了9次單極大地回線運行，運行共持續(xù)了72 h，具體放電時刻和時長見表1，其中單次接地極放電最長持續(xù)時間為62.2 h。

表1 接地極放電時刻和時長統(tǒng)計表Tab. 1 Discharge time and time length statistics of ground electrode

3.2 接地極陽極放電時對管地電位的影響

根據(jù)電位監(jiān)測結果可知，在2015-04-18的01∶15～01∶52時間段內，哈密接地極陽極放電，西氣東輸管線的管地電位分布如圖5所示。由圖5可見，靠近接地極處，管地電位出現(xiàn)負向偏移，其中離垂直點21 km處，管地電位負向偏移最大，其負向偏移量達到7.1 V(從-1.4偏移至-8.5 V)，如圖6(a)所示。隨著管道與接地極距離的增大，管地電位負向偏移量減小，隨后出現(xiàn)電位正負偏移的分界點，過了分界點后，管地電位往正方向偏移，在某壓氣站處管地電位正向偏移量達到最大值，為5.4 V(從-1.4偏移至4 V)，如圖6(b)所示。隨著管道與接地極距離的進一步增加，管地電位正向偏移減小。根據(jù)管地電位的偏移變化結果可知，在此次陽極放電時，靠近接地極約106 km處管地電位負向偏移，遠離接地極約252 km處管地電位正向偏移明顯；管地電位正負偏移的分界點位于距離垂直點(管道上距離接地極最近的位置)約54 km處；此次放電的影響范圍約為358 km。

分析接地極陽極放電時，從西氣東輸管道管地電位的偏移結果可以得到，管道作為一個相對較長的電連接體，在接地極放電時，靠近接地極位置有一

圖5 接地極陽極放電對西氣東輸天然氣管線 管地電位的影響Fig. 5 Effect of ground electrode anodic discharge on pipe-to-soil potential of West-East gas pipeline

(a) 離垂直點21 km處

(b) 離垂直點155 km處圖6 接地極陽極放電時西二線管地電位偏移情況Fig. 6 The pipe-to-soil potential shift diagram of West second line with ground electrode anodic discharge at the test piles 21 km (a) and 155 km (b) away from the vertical point

個受干擾極大點(見圖6)，在遠離接地極的位置有兩個受干擾的極大點。其中一處為某壓氣站；另外一處為以垂直點為對稱點，與圖6某壓氣站對稱的位置。接地極陽極放電時，靠近接地極的段管道流入電流，離接地極最近位置，電流通過路徑最短，因此流入電流最多，造成管地電位負向偏移最大。電流流入管道后，管道為良導體，電流往管道上下游流動，在遠離接地極段管道，雜散電流流出，造成管地電位往正向偏移，在上下游的位置均有一處電流流出的最大點。

3.3 接地極陰極放電時對管地電位的影響

根據(jù)電位監(jiān)測結果可知，在2015-04-23 16∶52～2015-04-25 20∶40時間段內，哈密接地極陰極放電，西氣東輸管道管地電位分布如圖7所示。由圖7可見，靠近接地極的西氣東輸管段管地電位出現(xiàn)正向偏移，其中離垂直點11 km處管地電位正向偏移量最大，正向偏移量達到11.73 V(從-1.408偏移至10.33 V)，如圖8(a)所示。隨著管道與接地極距離的增加，管地電位正向偏移量減小，隨后出現(xiàn)電位正負偏移的分界點，過了分界點后，管地電位往負方向偏移，在某壓氣站處管地電位負向偏移量達到最大值，負向偏移量接近4.76 V(從-1.53偏稱至-6.3 V)，如圖8(b)所示，隨著管道與接地極的距離進一步增大，管地電位負向偏移量減小。根據(jù)管地電位的偏移變化結果可知，在此次接地極陰極放電時，靠近接地極約143 km處管地電位正向偏移，遠離接地極約310 km處管地電位負向偏移明顯，管地電位正負偏移的分界點位于距離垂直點88 km處，此次放電的影響范圍約為453 km。

圖7 接地極陰極放電對西氣東輸天然氣管道 管地電位的影響Fig. 7 Effect of ground electrode cathode discharge on pipe-to-soil potential of West-East gas pipeline

(a) 離垂直點11 km處

(b) 離垂直點155 km處圖8 接地極陰極放電時西二線管地電位偏移情況圖Fig. 8 The pipe-to-soil potential shift diagram of West second line with ground electrode cathode discharge at the test piles 11 km (a) and 155 km (b) away from the vertical point

接地極陰極放電時，靠近接地極的管段流出電流，離接地極最近位置，電流通過路徑最短，因此流出電流最多，造成管地電位正向偏移最大。離接地極較近段管道電流流出，管道為良導體，在遠離接地極段管道，雜散電流流入，造成管地電位往負向偏移，在管道上下游的位置均有一處電流流入的最大點。

3.4 直流輸電系統(tǒng)運行模式對管地電位的影響

通過對比哈密接地極在不同運行模型下，離接地極最近位置管地電位波動和偏移情況，分析不同運行模式對管地電位的影響規(guī)律。

根據(jù)電力部門提供的信息：在2015-04-18 01∶07～2015-04-18 01∶49，單極金屬回線運行；2015-04-21 01∶49～2015-04-23 05∶45，雙極停運；2015-04-23 04∶45～2015-04-25 19∶43，單極大地回線方式運行，最大入地電流2 900 A；其他時間段為雙極運行。對比西氣東輸管道離接地極最近測試樁位置在這幾個不同時間段的管地電位可以看出，在單極金屬回線運行時，管地電位波動在30 mV左右；接地極雙極停運時，管地電位波動在35 mV左右；在單極大地回線運行時，管地電位偏移至9.8 V；接地極雙極運行時，管地電位波動在220 mV左右，如圖9所示。測試結果顯示，在單極大地回線運行時，接地極的入地電流較大，管地電位發(fā)生了很明顯的

(a) 整體

(b) 局部放大圖9 接地極不同運行模式下離接地極最近測試樁處 管地電位波動Fig. 9 The total (a) and partial (b) charts of pipe-to-soil potential wave at the nearest test pile from ground electrode in different operating modes

偏移；在單極金屬回路運行或雙極停運時，接地極無入地電流，管地電位不受接地極的干擾，波動較??；當接地極雙極運行時，有不平衡電流入地，管地電位受到干擾，發(fā)生明顯的波動。

4 結論

(1) 哈密接地極與西氣東輸管道最近距離為44 km，通過在西氣東輸沿線布置電位遠程監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測到2014年10月至2015年7月時間段內，接地極單極運行9次，放電持續(xù)時間72 h，最長的放電持續(xù)62.2 h。

(2) 接地極陽極放電時，靠近接地極約106 km處管地電位負向偏移，遠離接地極約252 km處管地電位正向偏移明顯，管地電位負向偏移量最大值達到7.1 V，正向偏移量最大值達到5.4 V，放電的影響范圍約為358 km。

(3) 接地極陰極放電時，靠近接地極約143 km處管地電位正向偏移，遠離接地極約310 km管地電位負向偏移明顯，管地電位負向偏移量最大值達到4.76 V，正向偏移量最大值達到11.73 V，放電的影響范圍約為453 km。

(4) 將接地極運行信息與管地電位監(jiān)測結果對比分析獲得了接地極不同運行模式對管地電位的影響規(guī)律：接地極單極金屬回線方式運行時，接地極無流入流出電流，對管地電位沒有影響；接地單極大地回線方式運行時，直流系統(tǒng)運行電流通過接地極流入流出，使管地電位發(fā)生明顯的正向或者負向偏移；接地極雙極運行時，接地極有雙極運行造成的不平衡電流的流入流出，使得管地電位發(fā)生明顯的波動。

[1] 李文文，劉超，鄒軍，等. 高壓/特高壓直流輸電線路對鄰近金屬管道危險影響暫態(tài)分析[C]//中國電機工程學會電磁干擾專業(yè)委員會第十二屆學術會議. 武漢：[出版者不詳]，2012.

[2] 陸家榆，鞠勇，薛辰東，等. 直流接地極測試方法研究[C]//中國電機工程學會電磁干擾專業(yè)委員會第九屆學術會議. 北京：[出版者不詳]，2004.

[3] 胡毅. 直流接地極電流對輸電線路接地構件的腐蝕影響研究[J]. 中國電力，2000，33(1)：58-61.

Field Test and Analysis of Interference of High or Ultra High Voltage Direct Current Transmission System to Underground Steel Pipeline

LI Zhen-jun

(PetroChina West Pipeline Company, Wulumuqi 830013, China)

The minimum distance between the Hami ground electrode in Hami South-Zhengzhou ±800 kV ultra high voltage direct current (HVDC) transmission system and the West-East gas pipeline system is 44 km. The change of pipe-to-soil potential was monitored and tracked along the West-East gas pipelines during the periods of the transmission line operating in the monopolar configuration with earth return. By analyzing the test data, the interference range and degree of Hami grounding electrode to the West-East gas pipeline were obtained, and the interference law to the pipe-to-soil potential was also mastered under different operating modes of HVDC.

high or ultra high voltage direct current transmission system; underground pipeline; stray DC interference; monopolar configuration with earth return; pipe-to-soil potential monitoring

10.11973/fsyfh-201702012

2015-10-14

李振軍(1984-)，工程師，本科，主要從事腐蝕控制相關研究工作，0991-7561381，xbgdlizhj@petrochina.com.cn

TG174.41

B

1005-748X(2017)02-0142-05