一種管道電流測量裝置的研發

朱雪蓮 錢濟人

【摘 ?要】±800KV賓金特高壓直流輸電工程直流接地極位于浙江武義，距離金華-麗水-溫州天然氣輸氣管道約800米。特高壓直流輸電接地極單極運行時，會產生幾千安培的入地電流，對附近管道影響較大。為研究入地電流對管道影響，及時了解雜散電流發生的時間和參數，測量管道電流是必要的。本文采用法拉第磁光效應原理，研發一種管道電流參數測量裝置，投入運行，有效監視特高壓直流輸電單極接地時管道電流，對管道安全運行具有重要的作用。

【關鍵詞】直流輸電;管道電流;測量裝置

引言

特高壓直流輸電一般為雙極對稱接線方式，在正常運行時，通過接地極流入大地的雙極不平衡電流僅為系統額定電流的百分之一，只有幾十安倍大小，對周圍埋地管道的干擾不大。當輸電系統發生故障為單極運行時，大地作為直流輸電系統中一根導線，將有幾千安倍入地電流，持續時間可達幾小時。單極運行時的入地電流會從管道防腐層破損點流入（出）管道，形成強大的雜散電流，在電流流入段引起管地電位的大幅度負向偏移，發生析氫腐蝕產生氣泡，造成管道防腐層剝離;在電流流出段引起管地電位的大幅度正向偏移，造成管道陰極保護失效，加劇管道腐蝕甚至引起管道穿孔;入地電流還會引起管道附屬設備損害，如造成氣液聯動閥誤動、引壓管間放電燒蝕、恒電位儀輸入端擊穿等故障。因此，掌握單極接地時管道內部雜散電流的狀態和大小，是減少特高壓直流輸電接地極單極運行時對油氣管道損害和評估排流裝置有效性的手段。

1 特高壓直流輸電單極接地概況

2 管道電流裝置測量原理

法拉第磁光效應原理如圖1所示，偏振光在磁光材料（磁光玻璃晶體或者光纖）中傳輸，當存在與傳輸方向一致的磁場時，偏振光將出現偏轉，偏轉角度被稱為法拉第旋光角，其角度大小與磁場大小成正比。

3 管道電流測量裝置

管道電流測量裝置由光源、環形器、起偏器、相位調制器、保偏光纖、1/4波片、傳感光纖、反射鏡、光電轉換、數據采集和通信模塊組成。

由光源發出的光經過環型器與起偏器后，變為線偏振光。起偏器的尾纖與相位調制器的尾纖以45°熔接，線偏振光以45°注入保偏光纖，分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸。這兩個正交模式的線偏振光經過1/4波片后，分別變為左旋和右旋圓偏振光，進入傳感光纖中傳播。載流導線中傳輸的電流產生磁場，在傳感光纖中產生法拉第磁光效應，使這兩束圓偏振光的相位差發生變化并以不同的速度傳輸，在鏡面處反射后，兩束圓偏振光的偏振模式互換（即左旋光變為右旋光，右旋光變為左旋光）再次通過傳感光纖，并再次經歷法拉第效應使兩束光產生的相位差加倍。這兩束光再次通過1/4波片后，恢復為線偏振光。兩束光在起偏器處發生干涉，攜帶相位差信號的光進入光電轉換進入數據采集和通信模塊。根據法拉第磁光效應與安培環路定律可知，載流導線中傳輸的電流大小與相位差成正比，因此通過檢測光相位差信號可計算出待測電流值。

整套裝置采用太陽能和蓄電池供電，采用GPRS 將數據傳回服務器，在通信協議上還移植了消息隊列遙測傳輸協議棧（MQTT），更便于在帶寬和網絡受限的物聯網環境下傳輸消息。

4 應用情況

2018年6月研發的電流測量裝置安裝在武義接地極附件的管道上，電流最小測量值為0.5A（保證5%精度），7月10日成功測量到金賓直流接地極單極運行，在入地電流2000-3000A的情況下，管道內部電流最大值為7A。由于金麗溫管道針對賓金特高壓直流工程，敷設了幾十公里的排流鋅帶，采用了分段隔離等防治手段，通過管道電流測量裝置的實測值，證明了管道排流工程的有效性，與仿真模擬值基本相符。

（作者單位：1.浙江能源天然氣集團有限公司;2.浙江浙能天然氣運行有限公司）