高壓直流輸電系統接地極對長輸管道安全運行的影響

中國石化中原油田分公司油氣儲運管理處

高壓直流輸電系統接地極對長輸管道安全運行的影響

應斌中國石化中原油田分公司油氣儲運管理處

高壓直流輸電系統主要通過架空線和海底電纜長距離地輸送電能，為了提高輸送功率和接地極的運行效率，直流輸電一般采用雙極線路。高壓直流輸電系統接地極對金屬管道安全運行的主要影響為腐蝕。接地極產生的強大電流通過管道防腐層破損處或排流裝置進入管道后，將沿著管道傳送至陰極保護系統，導致陰極保護系統不能正常運行，甚至造成恒電位儀損壞；系統對直接與管道相連接的閥門（特別是氣液聯動閥）影響巨大。為了防止電流流入管道系統，管線路由盡量遠離接地極，同時應增設絕緣接頭，縮短受干擾管線長度。對于管道附屬設施的安全防護，建議設計時考慮在高壓直流輸電系統接地極影響范圍內的站場和閥室前后安裝絕緣接頭。

直流輸電；接地極；長輸管道；腐蝕；絕緣接頭

為了緩解東南沿海和其他部分經濟較發達城市的能源缺口，我國大規模地修建原油、成品油以及天然氣長輸管道，這些管道難免不與高壓直流輸電線路交叉或近距離平行。在高壓直流輸電系統直流工作電流（單極運行）或不平衡電流通過接地極直接泄入大地時，將產生強大的入地電流，對周圍的金屬構筑物產生嚴重的影響，尤其對于周邊的管道企業，嚴重影響其安全運行，威脅管道的運行安全。

1 接地極入地電流

高壓直流輸電系統主要通過架空線和海底電纜長距離地輸送電能，為了提高輸送功率和接地極的運行效率，直流輸電一般采用雙極線路。但在直流輸電系統投運過程中大部分是先單極運行后雙極運行，其間隔周期少則幾個月，多則一年以上。正常雙極運行時，當換流器有一極退出運行時，直流系統可按單極兩線運行，這時依靠大地或海水構成回路。

在雙極運行方式中，將正負兩極導線和兩端換流站的正負極相連，構成直流側的閉環回路。在雙極對稱運行時，由于觸發角和設備參數的差異，接地極有不平衡電流流過，不平衡電流可由系統自動控制在額定電流的1%以內；當雙極不對稱運行時，流過接地極的電流為兩級運行電流之差。

在單極大地或海水返回運行方式中，利用兩端換流站接地極和大地（或海水）構成直流側的單極回路，流過接地極的電流即為直流輸電工程的運行電流。

接地極入地電流參數一般包括額定電流、最大過負荷電流和最大暫態電流，其中最大過負荷電流一般能持續幾個小時[1]，最大暫態電流能持續幾秒鐘[2]。

2 接地極對管道的影響

直流雜散電流的腐蝕機理是由于電解作用。在雜散直流電流進入管道的地方，金屬/電解質界面發生腐蝕反應的陰極部分，導致了管道表面負極的極化，過大的陰極電流密度（如>0.1 A/m2）或缺氧，將發生水的分解導致H+和OH-的產生。OH-的產生將增大管道表面的pH值，產生陰極剝離，減少防腐層破損部位與金屬表面的黏結力。而H+在獲得電子后（陰保設備一般給被保護管道施加負電流，因此很容易獲得電子），將變成[H]，由于[H]的半徑很小，很容易沿著管材缺陷位置擴散至鋼材內部。當較多的[H]開始在鋼材缺陷位置聚集后，開始結合成氫氣分子，分子半徑迅速增大。當大量的氫氣分子聚集后，從而產生巨大的內壓力，使金屬發生裂紋，即產生了氫脆。

當高壓直流輸電系統單極大地返回運行時，接地極的入地電流通過土壤中的電解質實現導電。由于長輸管道一般在容易產生雜散電流的區域設置了排流設施，這些設施在面對強大接地極入地電流時將直接變成引流裝置，將接地極釋放的強大直流通過管道一端的防腐層破損處或排流裝置進入管道，從管道另一端的防腐層破損處或排流裝置流入大地，從而在管道上形成強大電流。在電流流出端形成陽極區，產生腐蝕；在電流流入端形成陰極區，雖然不會發生腐蝕，當由于電流、電壓過大，使管道處于過保護狀態，從而可能導致發生氫蝕。

因此，高壓直流輸電系統接地極對金屬管道安全運行的主要影響為腐蝕。

3 接地極對管道附屬設施的影響

3.1 對陰極保護設施的影響

直流輸電系統接地極產生的強大電流通過管道防腐層破損處或排流裝置進入管道后，將沿著管道傳送至陰極保護系統，導致陰極保護系統不能正常運行，甚至造成恒電位儀損壞。

2007年5月19～25日，三滬線由于上海華新換流站故障檢修，進行了一次單極大地返回運行。在此期間，西氣東輸管道芙蓉—上海段陰極保護系統出現異常，芙蓉陰保站保護電流增大，恒電位儀輸出超壓，上海陰保站保護電流輸出為零；無錫以東管道電位大幅負向偏移（最大至-1 410mV），無錫以西管道電位則大幅正向偏移（最大至+830 mV），導致恒電位儀無法正常運行。

2011年9月26日下午，南方電網云廣線由雙極運行改單極運行，魚龍嶺接地極產生了強大的入地電流，導致廣東省天然氣管網有限公司鰲廣干線陰極保護系統多臺恒電位儀燒壞。發生事故時，人工檢測鰲頭首站、從化分輸站、廣州分輸站管道對地電位分別達到+20、-20和-70 V，而3個站場離魚龍嶺接地極的距離分別約為11、26和38 km。2012年3月10日甚至造成了廣州分輸站恒電位儀在斷開陰極、陽極接線的情況下發生機柜著火事故。

3.2 對站場/閥室閥門的影響

直流輸電系統除了對與管道有直接連接的恒電位儀有影響外，對直接與管道相連接的閥門（特別是氣液聯動閥）影響巨大。由于氣液聯動閥本身結構的原因，閥門氣動執行機構部分管路復雜，相互之間距離很近。雖然氣液聯動閥門廠家出于安全考慮，在氣路引壓管中間加設了絕緣接頭，但是由于連接絕緣接頭的金屬卡套距離很近，難免導致在強大的直流干擾時不發生金屬管線之間或金屬卡套之間的放電現象。長時間的放電將產生高溫，若管路中有高壓天然氣，將造成引壓管路的爆裂甚至火災。

2013年12月18∶30～22∶41，由于南方電網云廣線增城換流站出現故障將雙極運行改單極運行，在魚龍嶺接地極產生了3 125 A的強大直流電流，導致廣東省天然氣管網有限公司鰲廣線從化分輸站線路截斷閥（氣液聯動閥）引壓管路絕緣接頭損壞、塑料管卡融化。

2014年，由于南方電網大唐接地極對地排流，造成廣東省天然氣管網有限公司廣肇干線多個線路截斷閥發生類似事故，甚至造成LineGuard中模塊損壞，由于這些氣液聯動閥都未通氣投用，因此未造成更為嚴重的事故。

4 防范措施與對策

隨著我國高壓直流輸電系統和長輸管道的建設規模越來越大，直流輸電系統單極運行時產生的強大入地電流對管道系統的影響也越來越多，也引起了電網企業、管道管理企業和地方政府的高度重視，如廣東省發改委、安監局牽頭，開始組織南方電網、廣東省內管道企業以及高等院校進行聯合攻關研究。

4.1 防止電流流入管道系統

為了防止電流流入管道系統，管道設計時應充分考慮高壓直流輸電線路接地極的影響。管線路由盡量遠離接地極，同時應增設絕緣接頭，縮短受干擾管線長度；在可能受到高壓直流接地極干擾的區域，設置排流設施時應充分考慮接地極的影響，采用新型智能排流設施。管道建設過程中應加強質量管理，確保施工過程中管線防腐層的完整性，特別是焊縫處和管線入地處的防腐絕緣處理，以堵住雜散電流的流入[3]。而對于后建的直流輸電系統接地極，應采取更加嚴格的接地極設計，防止或減少對附近金屬管道系統的影響。

4.2 管道附屬設施的防護

對于管道附屬設施的安全防護，建議設計時考慮在高壓直流輸電系統接地極影響范圍內的站場和閥室前后安裝絕緣接頭；對于管道陰保設施的防護，通過在廣東省天然氣管網有限公司天然氣管網現場安裝強直流干擾保護器，起到很好的保護作用，有一定的推廣價值；而對于氣液聯動閥的保護，可以對引壓管纏繞絕緣膠布等臨時應對措施。

[1]饒宏，李巖，黎小林，等．4個直流輸電工程共用1個接地極運行方式的研究[J]．高電壓技術，2012，38（5）：1 179-1 185.

[2]趙杰，何金良．特高壓和高壓直流輸電系統共用接地極模式分析[J]．中國電力，2007，40（10）：45-47.

[3]江波，常熔，孫其剛．魚龍嶺接地極對廣東管網陰保系統的影響及對策[J]．油氣田地面工程，2013，32（9）：126.

13193551342、pyhnz@163.com

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.015

應斌：高級工程師，2010年畢業于北京大學，現在中國石化中原油田分公司油氣儲運管理處從事油氣儲運研究工作。