曹國飛 顧清林 姜永濤 李永發(fā) 毛 建 修林冉 王修云 姜子濤

1. 中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司 2. 安科工程技術(shù)研究院（北京）有限公司

0 引言

高壓直流輸電系統(tǒng)具有輸送容量大、造價(jià)低、損耗小、輸送距離不受限制等優(yōu)點(diǎn)。因此我國長距離電力輸送常常采用這種方式[1]。我國高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行過程中多采用雙極大地方式，但在建設(shè)投運(yùn)初期、檢修以及出現(xiàn)故障排查時(shí)，常采用單極大地返回運(yùn)行方式（或稱放電）[2-3]。單極大地返回運(yùn)行方式是利用導(dǎo)線和大地構(gòu)成直流側(cè)的單極回路[4]，在該運(yùn)行方式中，兩端換流站均需接地，大地相當(dāng)于直流輸電線路的一根導(dǎo)線，通過接地極入地的電流即為直流輸電工程的運(yùn)行電流，可高達(dá)數(shù)千安培[5]。大量的直流電流入地形成的電場導(dǎo)致大地電位升高，鄰近的金屬結(jié)構(gòu)在電場的作用下內(nèi)部電子定向移動(dòng)，引發(fā)金屬結(jié)構(gòu)的雜散電流腐蝕問題，給操作人員及設(shè)施帶來嚴(yán)重的安全隱患。目前，我國各地已經(jīng)出現(xiàn)多起高壓直流干擾問題，例如：向家壩水電站至上海±800 kV直流工程接地極放電時(shí)，導(dǎo)致川氣東送管道受到干擾，管地電位可達(dá)-2.9 VCSE，影響范圍達(dá)40 km[6]；三峽—上?！?00 kV直流工程接地極放電時(shí)，導(dǎo)致西氣東輸管道出現(xiàn)明顯的陰極保護(hù)系統(tǒng)異常[7]；云廣特高壓直流工程魚龍嶺接地極放電時(shí)，導(dǎo)致廣東某天然氣管道的氣液聯(lián)動(dòng)球閥引壓管及絕緣卡套位置發(fā)生持續(xù)打火放電現(xiàn)象，并導(dǎo)致引壓管燒蝕，后期現(xiàn)場檢測結(jié)果顯示管道上的干擾電壓高達(dá)175。

國外關(guān)于高壓直流干擾已展開一些研究[8-9]，Paul和Schre[10]認(rèn)為涂層較好的管道所受的干擾高于裸管道。而且金屬結(jié)構(gòu)物尺寸會影響干擾水平，管道直徑越大，所受干擾越大。O'Brien等[11]調(diào)研了新西蘭Benmore—Haywards高壓直流工程對附近管道腐蝕的影響后指出，即便土壤中的地電位梯度較小，但仍可能對金屬管道產(chǎn)生比較明顯的腐蝕影響。Verhiel[12]現(xiàn)場測試了加拿大不列顛哥倫比亞—溫哥華島高壓直流輸電系統(tǒng)對附近管道的影響，結(jié)果顯示直流接地極入地電流達(dá)1 200 A時(shí)，管地電位偏移可高達(dá)264 mV。但由于國外高壓直流輸電工程電壓和功率較低，因此其可借鑒性不足。而國內(nèi)對于高壓直流干擾這種新型干擾的相關(guān)研究尚處于起步階段，對其風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識不足，對于安全距離的研究采用現(xiàn)場測試的方法，存在參數(shù)調(diào)節(jié)困難、效率低、一些影響因素會干擾測試結(jié)果等問題，而試驗(yàn)室又無法模擬上千米管道受高壓直流接地極干擾的工況。因此，利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行高壓直流干擾研究更加可靠和有效，目前國內(nèi)關(guān)于數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用已開展到油氣田研究的多個(gè)方面，例如陳小凡等[13]利用數(shù)值模擬技術(shù)得到了可用于頁巖氣儲層體積壓裂設(shè)計(jì)以及多段壓裂水平井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測的方法；陳玉鳳等[14]利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了基于分形孔隙模型的含天然氣水合物沉積物電阻率，而有關(guān)數(shù)值模擬技術(shù)在高壓直流接地極對埋地管道電流干擾方面的研究較少。為此，筆者利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了不同土壤電阻率、管線長度、接地極入地電流、管道防腐層、管道尺寸情況下高壓直流接地極對埋地管道雜散電流干擾的人身安全距離（以下簡稱安全距離），以期為埋地管道和高壓直流接地極選址及相互避讓提供參考和借鑒。

1 計(jì)算模型參數(shù)及計(jì)算內(nèi)容

1.1 計(jì)算模型參數(shù)

對于埋地管道受阻性雜散電流干擾程度的計(jì)算方法，早期一些學(xué)者研究了簡化模型下的解析解[15]：

式中U表示金屬管道某點(diǎn)對無窮遠(yuǎn)的電壓，V；ρ表示土壤電阻率，Ω·m；γ表示“管線—大地”回路的傳播常數(shù)，1/m；I表示干擾電流；Ω（u, v）表示特殊函數(shù)，其具體表達(dá)式和計(jì)算方法詳見本文參考文獻(xiàn)[15]。

采用CDEGS軟件開展計(jì)算研究。該軟件以邊界元技術(shù)求解麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建三維空間模型、邊界網(wǎng)格劃分及賦值邊界條件、設(shè)置材料屬性，迭代法計(jì)算模型內(nèi)各個(gè)結(jié)構(gòu)和位置處的電位和電流分布。

由于高壓直流輸電距離很長，其對埋地管道的干擾可以簡化成集中激勵(lì)電流通過高壓直流接地極對埋地管道的干擾（另一級在無窮遠(yuǎn)處）。首先建立三維空間模型，為增強(qiáng)對比性，計(jì)算過程中將管道統(tǒng)一簡化為直線結(jié)構(gòu)，管道中點(diǎn)正對高壓直流接地極。管道埋深為1.5 m，接地極埋深為4.0 m，計(jì)算模型示意圖如圖1所示。

單管道和高壓直流接地極均采用線單元，單元格按照固定長度劃分長度為10 m。激勵(lì)采用恒電流激勵(lì)，電流大小采用廣東某接地極實(shí)際單極大地回路運(yùn)行電流3 200 A。其他材料屬性如下：

高壓直流接地極參數(shù)：接地極為雙環(huán)形，外環(huán)直徑600 m、內(nèi)環(huán)直徑400 m。接地導(dǎo)體為直徑75 mm的高硅鉻鐵，相對電導(dǎo)率為10（相對于銅的電阻率0.017 2 μΩ·m），相對磁導(dǎo)率為300（相對真空磁導(dǎo)率μ0）。導(dǎo)流線簡化為截面積240 mm2的銅導(dǎo)體，相對電導(dǎo)率為1，相對磁導(dǎo)率為1。導(dǎo)流線外部為絕緣防腐層。

埋地管道參數(shù)：管徑1 219 mm，壁厚21 mm，鋼制管道相對電導(dǎo)率為10，相對磁導(dǎo)率為200。管道外防腐層選擇三層結(jié)構(gòu)聚乙烯防腐涂層（3PE）、環(huán)氧粉末和石油瀝青3種常見防腐層，3種防腐層的面電阻率分別是3PE為100 000 Ω·m2，環(huán)氧粉末為50 000 Ω·m2，石油瀝青為 10 000 Ω·m2。

土壤電阻率：計(jì)算模型土壤為均一土壤結(jié)構(gòu)，土壤電阻率介于20～15 000 Ω·m。計(jì)算的安全間距為高壓直流接地極中心與管線中心在地表的水平距離（圖1-b）。

圖1 計(jì)算模型示意圖

1.2 計(jì)算內(nèi)容

高壓直流接地極入地電流可達(dá)上千安培，影響范圍較廣，對管道的影響范圍甚至達(dá)成百上千公里[16]?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中管線電連續(xù)長度不一，受到干擾的程度有別。為了將計(jì)算結(jié)果更有效地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，筆者首先對不同長度管線的干擾情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型中土壤電阻率選擇1 000 Ω·m，管線涂層為3PE，其他參數(shù)見1.1節(jié)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，隨著管線長度增加，管道干擾程度增加，當(dāng)管線長度超過600 km（單邊300 km）時(shí)，管道干擾程度變化不大（達(dá)到最大干擾的99.5%）。

由圖2可見，不同長度管道所受的干擾程度不同，筆者結(jié)合實(shí)際情況將管道的長度分為4大類：①一類管線為城鎮(zhèn)管網(wǎng)，長度通常在50 km左右，如上海、北京、杭州的城市管網(wǎng)最長輸運(yùn)跨度約為50 km；②二類管線為長輸管道相鄰兩個(gè)站場之間的管道，其長度約為200 km，如中國石油西氣東輸管道公司的部分管道進(jìn)出場站時(shí)均設(shè)置有絕緣法蘭，因此在站場處可將管道電力分隔；③三類管線即存在進(jìn)出場站管道跨接的長輸管道，長度可達(dá)400 km，如一些長輸管道由于陰級保護(hù)，防止干擾等需求將進(jìn)出站場的管線進(jìn)行電連接；④四類管線為全線跨接長輸管道，按照前面的計(jì)算結(jié)果，采用極限長度600 km，例如西氣東輸西部地區(qū)場站進(jìn)出站管道均采用跨接[17]。計(jì)算不同管道長度、不同防腐層、不同土壤電阻率下的人身安全距離，計(jì)算內(nèi)容如表1所示。

圖2 不同長度管線干擾程度計(jì)算結(jié)果圖

1.3 安全距離評價(jià)方法

計(jì)算安全距離前需要明確安全的評價(jià)指標(biāo)。高壓直流接地極對埋地管道產(chǎn)生的危害主要包括：產(chǎn)生較高的管地接觸電壓導(dǎo)致人身安全問題、管道電位正移導(dǎo)致的金屬腐蝕以及管道電位負(fù)移導(dǎo)致的氫脆和防腐層剝離問題[18]。腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的累積過程，與土壤情況[19]、管道可接受腐蝕總量、高壓直流輸電系統(tǒng)的單極運(yùn)行時(shí)間等因素相關(guān)，關(guān)于腐蝕問題高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行管理方面可通過降低單極大地運(yùn)行時(shí)間減小腐蝕速率，而對于高壓直流干擾下的氫脆和防腐層剝離問題目前還沒有相關(guān)的評價(jià)指標(biāo)。因此，筆者主要考慮高壓直流接地極導(dǎo)致的人身安全問題。根據(jù)GB/T 3805—2008規(guī)定：潮濕環(huán)境下，人身安全直流電壓為35 VCSE[20]。因此，本文計(jì)算過程中，當(dāng)管道全線干擾在±35 V以內(nèi)時(shí)，確定管道與高壓直流接地極的距離為安全距離。

表1 人身安全距離計(jì)算內(nèi)容簡表

2 計(jì)算模型參數(shù)及計(jì)算內(nèi)容

2.1 一類管線（50 km）安全距離

針對一類管線，即一般城市管網(wǎng)（50 km），計(jì)算在不同管線涂層、不同土壤電阻率情況下的安全距離。計(jì)算結(jié)果如表2、圖3所示。計(jì)算結(jié)果表明：隨著土壤電阻率增加，不同管線涂層的安全距離均逐漸增大，但增幅逐漸減??；相同土壤電阻率環(huán)境下，隨著管線面電阻率的增大，安全距離逐漸增大。

表2 一類管線安全距離計(jì)算結(jié)果表

2.2 二類管線（200 km）安全距離

針對二類管線，即長輸管道相鄰兩個(gè)站場之間的管道（200 km），計(jì)算在不同管線涂層、不同土壤電阻率情況下的安全距離，計(jì)算結(jié)果如表3、圖4所示。隨著土壤電阻率的增加，不同管線涂層的安全距離均逐漸增大，但增幅逐漸減??；相同土壤電阻率環(huán)境下，隨著管線面電阻率增大，安全距離逐漸增大。

圖3 一類管線安全距離計(jì)算結(jié)果圖

表3 二類管線安全距離計(jì)算結(jié)果表

2.3 三類管線（400 km）安全距離

針對三類管線，即長輸管道有站場進(jìn)出站管道跨接管道（400 km），計(jì)算在不同涂層面電阻率、不同土壤電阻率情況下的安全距離，計(jì)算結(jié)果如表4、圖5所示。隨著土壤電阻率的增加，不同管線涂層的安全距離均逐漸增大，但增幅逐漸減?。幌嗤寥离娮杪虱h(huán)境下，隨著管線面電阻率的增大，安全距離逐漸增大。

圖4 二類管線安全距離計(jì)算結(jié)果圖

表4 三類管線安全距離計(jì)算結(jié)果表

圖5 三類管線安全距離計(jì)算結(jié)果圖

2.4 四類管線（600 km）安全距離

針對四類管線，即長輸管道全線跨接（600 km），計(jì)算在不同涂層面電阻率、不同土壤電阻率情況下的安全距離，計(jì)算結(jié)果如表5、圖6所示。隨著土壤電阻率增加，不同管線涂層的安全距離均逐漸增大，但增幅逐漸減小；相同土壤電阻率環(huán)境下，隨著管線面電阻率增大，安全距離逐漸增大。

表5 四類管線安全距離計(jì)算結(jié)果表

圖6 四類管線安全距離計(jì)算結(jié)果圖

由計(jì)算結(jié)果可知，管道越長干擾越大，安全距離也越大。在實(shí)際工程中，在未開展數(shù)值模擬的條件下或者僅作為粗略評估，為了評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，保守起見可將管道長度向上取值，然后根據(jù)不同類型管線的安全距離計(jì)算結(jié)果進(jìn)行查詢，即：50 km以下的管道建議按照50 km選取安全距離，50～200 km的管道建議按照200 km選取安全距離，200～400 km的管道建議按照400 km選取安全距離，大于400 km的管道建議按照600 km選取安全距離。

3 分析與討論

3.1 多層結(jié)構(gòu)土壤的影響

筆者計(jì)算中土壤結(jié)構(gòu)采用均一土壤結(jié)構(gòu)，但實(shí)際的土壤環(huán)境往往為多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)。由圖3～6可見，土壤電阻率越高需要的安全距離越大。為了研究多層結(jié)構(gòu)土壤下的安全距離，建立計(jì)算模型：管線長度為600 km，土壤環(huán)境設(shè)置情況如表2所示，管道防腐層為3PE，計(jì)算結(jié)果如表6、圖7所示。由圖7可見，土壤結(jié)構(gòu)1（均一結(jié)構(gòu)，電阻率為1 000 Ω·m）的高壓直流干擾安全距離最大，而土壤結(jié)構(gòu)6（均一結(jié)構(gòu)，電阻率為500 Ω·m）的高壓直流干擾安全距離最小。這表明對于多層土壤結(jié)構(gòu)，采用其中電阻率最大的一層作為整體電阻率計(jì)算得到的安全距離最大，評價(jià)結(jié)果也更保守。因此，在實(shí)際工程中如果不具備數(shù)值模擬條件或者僅需要粗略評估，可根據(jù)多層結(jié)構(gòu)中最大的土壤電阻率，查詢相應(yīng)的圖譜得到安全距離。

表6 不同土壤結(jié)構(gòu)安全距離計(jì)算結(jié)果表

圖7 不同土壤結(jié)構(gòu)安全距離計(jì)算結(jié)果圖

3.2 不同入地電流的影響

實(shí)際的高壓直流接地極入地電流并不相同，當(dāng)入地電流發(fā)生變化時(shí)應(yīng)該如何估算安全距離？式1中Ω（u, v）只與傳播常數(shù)γ和相對位置關(guān)系有關(guān)，而對于一般的管道，其防腐層面電阻率較高（如3PE，環(huán)氧粉末），土壤電阻率ρ對傳播常數(shù)γ的影響可忽略。因此，管道干擾電壓U與ρI之成正比。對于其他不同程度的放電電流，可以利用公式（2）轉(zhuǎn)換成等效土壤電阻率再進(jìn)行安全距離評估。例如：入地電流為5 000 A，土壤電阻率為100 Ω·m的情況，可以等效轉(zhuǎn)化為入地電流3 200 A，土壤電阻率為156 Ω·m的情況，再進(jìn)行查圖。

式中ρ等效表示等效后的土壤電阻率，Ω·m；I實(shí)際表示實(shí)際入地電流，A；ρ實(shí)際表示實(shí)際土壤電阻率，Ω·m。

3.3 管道直徑和壁厚的影響

實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的管線尺寸有多種，因此計(jì)算表7所示多種尺寸管線受高壓直流接地極干擾時(shí)的安全距離[21]。計(jì)算模型中土壤電阻率選擇1 000 Ω·m，管線涂層為3PE，管線長度選擇600 km，其他參數(shù)見1.1節(jié)。計(jì)算結(jié)果如圖8所示，管線尺寸對安全距離影響程度較小。因此設(shè)計(jì)時(shí)可不予考慮。

表7 不同管線尺寸表

4 結(jié)論

1）管線長度對高壓直流接地極干擾程度影響較大，管線越長，安全距離越大；土壤環(huán)境對高壓直流接地極干擾程度影響較大，多層土壤環(huán)境造成的干擾安全距離均小于單一最大層土壤電阻率；管線涂層對高壓直流接地極的干擾程度影響較大，當(dāng)管線涂層面電阻越高，安全距離越大；管線尺寸對高壓直流干擾影響較小，可不予考慮。

2）利用上述計(jì)算結(jié)果，可以完成擬建高壓直流接地極或埋地管線安全距離選取，假如擬建管線長度200 km，涂層擬使用3PE，現(xiàn)場測試各層土壤電阻率最高為1 000 Ω·m，參考圖6中3PE涂層管線安全距離計(jì)算結(jié)果，可以獲得該設(shè)計(jì)條件的安全距離為9.18 km。

圖8 不同尺寸管線安全距離計(jì)算結(jié)果圖