高壓直流接地極對(duì)埋地管道干擾規(guī)律的研究

江西省天然氣管道有限公司 嚴(yán) 俊

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市持續(xù)擴(kuò)容，局部區(qū)域?qū)δ茉葱枨蠹眲∩仙?。西部、北部?0%的能源資源分布與中部、東部近70%的能源需求，這種能源產(chǎn)地與能源需求分布相矛盾的現(xiàn)象使得油氣管線、電力輸送得到了快速的發(fā)展。高壓直流輸電線路與埋地管道路有公用現(xiàn)象使得管道不可避免地受到了高壓直流接地極的干擾。國(guó)內(nèi)外就高壓直流接地極對(duì)埋地金屬干擾問(wèn)題多有報(bào)告。

本文利用數(shù)值模擬的方法，就高壓直流接地極對(duì)埋地管道干擾規(guī)律進(jìn)行了若干研究，包括高壓直流接地極不同工況下對(duì)管道干擾規(guī)律、土壤電阻率、管道-接地極間距及管道接地系統(tǒng)對(duì)干擾影響規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬的研究掌握了直流接地極對(duì)管道干擾影響規(guī)律，研究結(jié)論可以為干擾預(yù)測(cè)及緩解提供理論依據(jù)。

1 高壓直流接地極干擾原理

高壓直流輸電是將交流電轉(zhuǎn)化為直流電輸電，在受端逆轉(zhuǎn)為交流電降壓進(jìn)行供電的輸電方式，其運(yùn)行方式包括雙極運(yùn)行和單極運(yùn)行。

雙極運(yùn)行多為雙極對(duì)稱運(yùn)行，但調(diào)試過(guò)程中可能存在短時(shí)間雙極不對(duì)稱的運(yùn)行方式。

單極運(yùn)行分為單極大地回線運(yùn)行和單極金屬回線運(yùn)行兩種，電路示意分別見(jiàn)圖1和圖。單極大地回線運(yùn)行是通過(guò)接地極接地與輸電線路形成閉合回路從而實(shí)現(xiàn)輸電，此時(shí)接地極入地電流與輸電線路電流相同，接地極入地電流對(duì)周邊管道易產(chǎn)生干擾；單極金屬回線運(yùn)行則是利用金屬導(dǎo)線與輸電線形成閉合回路，此時(shí)接地極入地電流為零，對(duì)管道不產(chǎn)生干擾。

圖1 單極運(yùn)行方式電路示意

高壓直流輸電正常工況下為雙極對(duì)稱運(yùn)行，此時(shí)輸電線路中兩線路分別利用接地極形成閉合回路以陽(yáng)極、陰極極性運(yùn)行，經(jīng)接地極入地電流矢量和為零，理論上接地極對(duì)管道不產(chǎn)生干擾。實(shí)際工程中，受設(shè)備運(yùn)行差異，雙極對(duì)稱運(yùn)行時(shí)存在不平衡電流，數(shù)值上為輸電電流的 1%左右。當(dāng)雙極不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，陰極、陽(yáng)極電流不等，接地極入地電流為兩電流差值，入地電流對(duì)管道產(chǎn)生或陽(yáng)極或陰極極性干擾。

圖2 雙極運(yùn)行方式電路示意

接地極存在入地電流時(shí)對(duì)于周邊環(huán)境而言就形成了直流干擾源，易對(duì)周邊金屬產(chǎn)生直流干擾。當(dāng)接地極陽(yáng)極運(yùn)行，電流流向大地時(shí)，對(duì)周邊金屬產(chǎn)生陽(yáng)極干擾，受干擾金屬表現(xiàn)為臨近點(diǎn)吸收雜散電流、電位變負(fù)，遠(yuǎn)端金屬流出電流、電位變正；接地極陰極運(yùn)行時(shí)，臨近金屬受陰極干擾。

2 數(shù)值模擬實(shí)例參數(shù)

雅中-江西±800 kV 高壓直流輸電工程中蓮湖極址接地極采用雙同心圓環(huán)設(shè)計(jì)，接地極埋深3 m，內(nèi)外環(huán)直徑為225 m和300 m，饋電材料為FeCrSi，內(nèi)外環(huán)焦炭面積為0.75 m2、0.80 m2。直流輸電工程設(shè)計(jì)額定輸送功率為8 000 MW，額定電流5 000 A，不平衡電流10 A，過(guò)負(fù)載電流6 266 A。管道材質(zhì)為L(zhǎng)451，管徑DN500，管中心埋深2 m，防腐層為3PE，面電阻率為100 000 Ω·m2。土壤電阻率為100 Ω·m。

接地極與管道位置關(guān)系見(jiàn)圖3，其中接地極距離左右兩側(cè)管道最近距離分別為39.2 km、36.8 km，兩側(cè)管道端部方向距接地極的最遠(yuǎn)距離分別為90.0 km、70.7 km，管道中部距接地極最遠(yuǎn)距離為59.6 km。

圖3 接地極與管道相對(duì)位置關(guān)系示意

3 研究結(jié)果與討論

3.1 接地極入地電流極性對(duì)管道干擾影響

接地極入地電流分為陽(yáng)極電流、陰極電流。數(shù)模計(jì)算了在額定5 000 A入地電流下管道受干擾情況，由圖4可知，陽(yáng)極、陰極運(yùn)行工況下，管道受干擾情況正好相反，這是因?yàn)殛?yáng)極電流、陰極電流下接地極引起的大地電位升大小相同、極性相反。管道干擾強(qiáng)度最大的位置為接地極最近端及最遠(yuǎn)端，因?yàn)樵撐恢玫仉娢簧钪底畲筇帪楣艿朗芨蓴_提供最大驅(qū)動(dòng)電壓差的位置，即為雜散電流流入、流出最大的區(qū)域。

圖4 陰極、陽(yáng)極單極運(yùn)行下管道干擾情況

3.2 接地極入地電流大小對(duì)管道干擾影響

雅中-江西±800 kV 高壓直流輸電工程設(shè)計(jì)額定電流為5000 A，不平衡電流為10 A，過(guò)負(fù)載電流6 266 A。案例計(jì)算了10 A、50 A、100 A、1 000 A、2 000 A、3 000 A、4 000 A、5 000 A和6 266 A共計(jì)9種電流大小下接地極對(duì)管道干擾情況。管道受干擾電位情況見(jiàn)圖5，可以看出接地極入地電流越大，管道受干擾越嚴(yán)重。入地電流越大，地電位升越大，管道受干擾驅(qū)動(dòng)電壓增大，干擾增強(qiáng)。

圖5 接地極入地電流干擾影響

3.3 管道與接地極間距對(duì)管道干擾影響

DL/T 437－2012《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》條文4.2.4中指出極址10 km范圍內(nèi)不宜有埋地金屬管道；條文6.1指出極址10 km范圍內(nèi)不能避開(kāi)金屬管道時(shí)應(yīng)對(duì)金屬管道進(jìn)行腐蝕影響評(píng)估，若存在影響應(yīng)考慮搬遷或者采取適當(dāng)保護(hù)措施。可見(jiàn)管道-接地極間距對(duì)干擾影響極大。本研究以距接地極最近點(diǎn)36.8 km方向?yàn)槔?，模擬計(jì)算接地極在額定5 000 A入地電流下管道與接地極間距為36.8 km、18.4 km、9.2 km、4.6 km時(shí)管道受干擾情況，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，間距越大，管道所在土壤地電位升越小，干擾驅(qū)動(dòng)電壓減小，管道受干擾強(qiáng)度越小。

圖6 管道-接地極間距干擾影響

3.4 土壤電阻率對(duì)管道干擾影響

本研究模擬計(jì)算了接地極在雙極對(duì)稱不平衡10 A運(yùn)行、額定5 000 A單極運(yùn)行時(shí)不同土壤電阻率 10 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m、200 Ω·m 下管道受干擾情況，如圖7所示。由圖7可知，雙極對(duì)稱不平衡10 A運(yùn)行時(shí)，管道電位基本無(wú)偏移，最大偏移量?jī)H3 mV，小于標(biāo)準(zhǔn)BS/EN 50162－2004規(guī)定的20 mV，雙極對(duì)稱運(yùn)行下接地極對(duì)管道無(wú)影響。

隨著電阻率增大，管道土壤地電位升增大，干擾驅(qū)動(dòng)電壓增大，管道受干擾增大。為此，為減小接地極對(duì)管道干擾情況應(yīng)綜合考慮土壤電阻率情況，土壤電阻率較大時(shí)應(yīng)考慮增大管道與接地極間距以減小干擾。

圖7 土壤電阻率對(duì)管道干擾影響

3.5 管道接地對(duì)管道干擾影響

管道沿線共存在閥室、站點(diǎn)共計(jì) 15座，本研究模擬計(jì)算了閥室、站點(diǎn)接地系統(tǒng)與管道電導(dǎo)通、電絕緣情況下管道受干擾情況變化，如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)管道與接地系統(tǒng)電導(dǎo)通時(shí)，雜散電流量增大為不接地時(shí)的2.2倍；接地系統(tǒng)極大的影響了臨近管道的電位情況，管道陽(yáng)極干擾區(qū)域電位變正，陰極干擾區(qū)域電位變負(fù)，且管道受干擾強(qiáng)度越大處接地系統(tǒng)對(duì)其影響越大。

圖8 管道接地系統(tǒng)對(duì)干擾影響

對(duì) 15處接地處管道電位變化情況、接地系統(tǒng)雜散電流情況進(jìn)一步梳理，發(fā)現(xiàn)接地系統(tǒng)雜散電流與管道電位變化成正相關(guān)關(guān)系，如圖9所示。土壤電位升越大，管道干擾強(qiáng)度越大，此時(shí)接地系統(tǒng)引入或流出雜散電流越大。同理，臨近管道因存在更低的電流路徑接地系統(tǒng)，管道受雜散電流影響減小?？梢?jiàn)，在干擾緩解設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先于干擾強(qiáng)度較大處進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖9 管道接地雜散電流對(duì)干擾緩解影響

4 結(jié)語(yǔ)

(1)接地極陰、陽(yáng)極運(yùn)行情況下，接地極引起的大地電位升大小相同、極性相反，此時(shí)對(duì)管道干擾情況基本成對(duì)稱分布；

(2)接地極對(duì)管道干擾隨入地電流、土壤電阻率增大而增大；隨管道-接地極間距增大而減小。土壤電阻率較大時(shí)，應(yīng)增大管道-接地極間距以減小干擾；

(3)雙極對(duì)稱運(yùn)行接地極入地電流為10 A時(shí)，接地極對(duì)管道無(wú)干擾影響；

(4)管道接地后，引入雜散電流增大，但降低了管道干擾強(qiáng)度。接地對(duì)于緩解干擾強(qiáng)度是有效的，干擾強(qiáng)度越大位置，接地緩解效果越明顯。接地排流量越大，管道電位變化越大，即排流量與干擾強(qiáng)度變化量存在正相關(guān)關(guān)系。