高壓直流接地極入地電流對臨近輸電線路桿塔接地體的干擾

(1. 北京科技大學 新材料技術研究院,北京 100083; 2. 北京安科腐蝕技術有限公司,北京 100083)

自20世紀80年代以來，電力傳輸技術的發展明顯加快，高壓直流輸電處于快速發展時期，其遠距離大容量輸電的特點，為社會帶來巨大的效益。為了提高高壓直流輸電的輸送效率以及接地極的運行效率，一般采用雙極運行模式，但大多輸電系統在投運過程以及故障情況下會采用單極運行模式。國內外已有關于金屬設備遭受高壓直流輸電系統接地極雜散電流腐蝕的案例:一條原油和天然氣管道系統與魁北克-新英格蘭450 kV直流輸電系統并行或交叉，1 200 A入地電流使周圍地下管道的管地電位偏移300～700 mV(相對于銅/硫酸銅電極，下同)，且高壓直流故障電流進入管道造成的雜散電流，在流出以前能夠沿管壁傳遞相當長的路徑[1]；北美Trans Mountain原油管道受260 kV輸電系統干擾，管地電位的偏移量與接地極放電的大小呈正比，當接地極1 320 A放電時，介于接地極陰極和陽極之間的24 km管道的管地電位最大偏移為400 mV，導致陰保失效[2]。2007年，中石化某成品油管道受到某直流接地極的干擾，最大管地電位偏移為45 V，且出現若干漏點[3]；南方電網云廣線受到魚龍嶺接地極的影響，導致陰極保護系統故障，對距離接地極38 km的管道管地電位進行測量，其偏移量為-70 V[4]。秦潤之等[5]對從化接地極附近7 km管道的管地電位和泄漏電流密度進行測量，結果表明：當接地極陰極放電3 200 A時，距離接地極最近管道的管地電位高達304 V，峰值電流密度高達82 A/m2；當接地極陽極放電2 400 A時，管地電位的最大值和泄漏峰值電流密度分別是-211 V和-488 A/m2。輸電線路的桿塔接地體也屬于金屬構筑物，也會遭受到雜散電流的干擾[6-10]。

已有學者針對輸電線路桿塔接地體進行研究[11-14]，這些研究多集中于桿塔接地極周圍的電場分布以及桿塔接地體的接地電阻，而對于高壓直流系統接地極入地電流對鄰近輸電線路桿塔接地體干擾的腐蝕模擬計算研究較少。劉偉龍[15]利用三維電磁模擬仿真軟件(CST)，分析了土壤模型和桿塔矩形接地網接地電阻對各桿塔直流電流分布的影響，并計算出各桿塔在高壓直流干擾和不同運行模式下的腐蝕量；高理迎等[16-17]仿真計算了丁級和戊級布置桿塔接地體的直流電流分布，通過定量計算得到射線末端是重點防護區域。然而，目前關于高壓直流干擾下，不同入地電流對鄰近輸電線路桿塔

接地體的影響研究不多，故本工作利用目前國內外接地計算常用模擬計算軟件(CDEGS)，通過丁級布置桿塔接地極、避雷線、土壤結構、直流接地極等參數的建模仿真，考察了直流接地極陰、陽極運行時不同入地電流在避雷線上電流值分配情況以及影響范圍，通過分析每基桿塔接地體四根射線的電流密度分布，評估各個桿塔接地體四根射線的腐蝕情況，以期為桿塔設計和防護提供參考。

1 模型建立

建立了高壓直流輸電系統(包含丁級布置桿塔接地極、避雷線、土壤結構、直流接地極等參數)接地極對鄰近輸電系統桿塔接地體的干擾模型，如圖1所示，以陽極運行模式為例(電流從直流接地極流向大地，陰極運行時，電流方向相反)，接地極中心至臨近輸電線路的垂直距離為3 km。由文獻[18]可知，射線接地體的接地小環對桿塔接地體的接地電阻影響不大，為簡化計算，將丁級布置的桿塔接地體模型簡化，見圖2，A、B、C、D分別代表四根射線，其中A射線遠離直流接地極，C射線靠近直流接地極。本工作中，桿塔序號按以下方式編號：離直流接地電極最近的桿塔編號為0，線路前方桿塔號加1，線路后方桿塔號減1，桿塔檔距是500 m；基礎土壤相關參數如表1所示。

圖1 接地極與輸電線路的相對位置示意圖(陽極運行)Fig. 1 Relative position between the DC grounding electrode and the adjacent transmission line (anode operation)

2 結果與討論

2.1 高壓直流干擾下避雷線上的電流分布

高壓直流輸電系統接地極對臨近輸電系統桿塔造成干擾主要是由于接地極進入大地的電流。當接地極單極運行時，存在陽極放電和陰極放電兩種情況：直流接地極陽極放電，電流從直流接地極流出，至距離接地極較近的桿塔流入，通過避雷線，沿避雷線流向遠處桿塔，后經遠處桿塔流向大地，最終流向受端接地極；陰極運行時情況正好相反，避雷線相鄰點的電流差即為流經對應各基桿塔接地體的電流和。

圖2 臨近輸電線線路圖Fig. 2 Model of the adjacent transmission line

表1 基礎土壤的相關參數Tab. 1 Related parameters of foundation soil

在基礎模型的基礎上，僅改變高壓直流接地極的入地電流，計算入地電流對臨近輸電線路的避雷線中電流的分布情況。陽、陰極運行時，接地極入地電流的相關參數如表2和表3所示。

表2 陽極放電條件下，接地極入地電流的相關參數Tab. 2 Related parameters of ground current of grounding electrode under anodic discharge condition

表3 陰極放電條件下，接地極入地電流的相關參數Tab. 3 Related parameters of ground current of grounding electrode under cathodic discharge condition

丁級布置的桿塔，施加不同高壓直流接地極干擾電流時，電流在臨近輸電線路避雷線上的直流電流分布如圖3所示，其中電流的正負僅代表電流的方向，本節中規定由0基桿塔向前流動為正，由0基桿塔向后流動為負。由圖3可見：以3 000 A入地電流條件下的前側桿塔接地體為例，從0基桿塔開始，避雷線上電流先逐漸增大，在6基桿塔處達到最大，約為24.0 A，隨后再逐漸減小，在25基桿塔接地體處的電流約為6.8 A，約占6基桿塔處電流值的28.3%，且自25基桿塔之后變化開始趨于平緩。0基桿塔兩側線路的避雷線上電流變化趨勢相同，且電流分布相對直流接地極具有對稱性，避雷線上的每個點代表對應每基桿塔接地體，相鄰點的電流差即流入或流出對應桿塔接地體的電流和。以避雷線上第6基桿塔處的最大電流為例，避雷線上的電流值隨入地電流增加呈線性增加，避雷線上其他位置的電流變化規律與之相同。

(a) 陽極運行

(b) 陰極運行圖3 入地電流對臨近的輸電線路避雷線中電流分布的影響Fig. 3 Effects of ground current on current distribution of overhead ground wire of adjacent transmission lines

從輸電線路避雷線直流電流分布情況來看，相同入地電流時，陰極或陽極極運行并不影響避雷線上的電流值，只改變電流方向，即不改變各基桿塔接地體整體的電流吸收或釋放，但改變桿塔接地體的電流吸收或釋放狀態，即陽極運行時桿塔接地體的吸收電流對應陰極運行時的釋放電流，陽極運行時的釋放電流對應陰極運行的吸收電流，見圖4。不同入地電流條件下，流入避雷線中電流主要集中分布在直流接地極附近前后3 km(直流接地極附近前后各6個檔距的位置)的桿塔處，這說明從0基桿塔前后的第7個檔距開始，避雷線上的電流開始降低，并在12.5km(第25基桿塔)桿塔處的降到峰值的30%以下，此時凈電流主要從避雷線流出，流入桿塔接地體。陰極運行時電流方向相反，因此在本工作中，桿塔檔距500 m的條件下，直流接地極放電時，距離接地極中心12.5 km內的輸電線路桿塔接地體受到直流接地極的干擾較大。

(a) 陽極運行

(b) 陰極運行圖4 接地極單極運行條件下避雷線及桿塔接地體中電流的流向Fig. 4 Current directions in the lightning conductor and the grounding body of tower under anodic operation (a) and cathodic operation (b) conditions

2.2 入地電流對四根射線電流密度的影響

2.2.1 陽極運行模式

綜上所述，陽極(或陰極)單極運行時，桿塔接地體整體處于吸收電流(或釋放電流)狀態，但對于每基桿塔的四根射線而言，以陽極運行條件下的某一入地電流為例，0、3、6、35基桿塔四根射線上的電流密度分布如圖5所示，其中正值表示射線釋放電流進入大地，負值表示射線從大地吸收電流(下同)。由圖5可見：陽極運行條件下，整基桿塔既存在吸收電流的射線，也存在釋放電流的射線；同一根射線也存在吸收電流和釋放電流。由于桿塔接地體接地小環部分的電流流入或者流出均較小，而同一根射線隨著與接地小環的距離增加，電流密度也逐漸變大，在射線末端出現電流密度極值。本節重點考察每根射線末端的電流密度隨直流接地極入地電流的變化情況。工程上常根據整基桿塔流入或流出避雷線的電流作為判斷桿塔腐蝕的依據，但就本工作中丁級布置的桿塔而言，流入或流出避雷線的電流是流經桿塔接地體四根射線的電流之和，與桿塔接地體是否腐蝕沒有直接關聯，因此桿塔接地體流入或流出避雷線的電流并不能作為判斷桿塔接地體是否腐蝕的依據，每根桿塔接地體射線的吸收或者釋放電流密度才是判斷射線腐蝕的直接參數。

由圖6可見：A射線有兩個波峰和一個波谷，B、C、D射線均經歷一個波峰和一個波谷，且波谷均出現在直流接地極附近，峰值電流密度均低于0.37 A/m2。0基桿塔兩側A射線的電流密度均為正值，左側B、C射線的電流密度均為正值，D射線從4基至35基桿塔處電流密度值為正值，即電流從桿塔接地體射線流出，釋放電流進入大地；D射線在4基桿塔左側的電流密度為負值，B、C射線分別在-3基和-9基的右側出現電流密度負值，即射線從大地吸收電流進入射線。由圖2和圖7可見：距離直流接地極最近的桿塔前后兩側的桿塔接地體四根射線的電流流出和流入情況基本相反，就同一基桿塔而言，當高壓直流接地極陽極放電時，均是靠近直流接地極方向的射線(左側D射線，右側B和C射線)吸收電流，遠離直流接地極的射線(左側A、B、C射線，右側A和D射線)釋放電流；每根射線末端吸收或者釋放的電流密度值均隨著距離接地極中心距離的增加而減小，同避雷線上的電流變化情況一致，即距離接地極中心越遠，干擾程度越低。

由圖8可見：0基桿塔兩側，A射線末端流出電流密度在6基或-6基桿塔處的最大，3 000 A入地電流條件的最大值分別為0.365 A/m2和0.264 A/m2，30 A入地電流條件下， A射線末端的電流密度均為正值，但低于0.004 A/m2；當入地電流恒定時，B射線在-7和1基桿塔處的吸收或釋放的電流密度最大，3 000 A入地電流條件下的分別為0.373 A/m2和-0.548 A/m2，約是30 A入地電流條件下的100倍；C射線上的最大釋放或者吸收電流密度分別在-12和0基桿塔處，3 000 A入地電流條件下的分別為0.054 A/m2和-1.302 A/m2;D射線的最大吸收或者釋放電流密度分別在-1和8基桿塔處，3000A入地電流條件下的分別為-0.804A/m2和0.300 A/m2。同一基桿塔處，入地電流越大，同一根射線末端吸收或者釋放的電流密度就越大；就整條輸電線路上的桿塔接地體而言，0基桿塔左右的電流密度分布并不完全對稱，這主要受丁級桿塔四根射線相對位置的影響。

(a) 0基桿塔接地體 (b) 4基桿塔接地體

(c) 6基桿塔接地體 (d) 35基桿塔接地體圖5 陽極運行條件下，桿塔接地體四根射線泄漏電流密度隨射線長度的變化Fig. 5 Changes of leakage current density of four rays of tower grounding body with ray length under anodic operation condition

圖6 3 000 A入地電流條件下，桿塔接地體四根射線的泄漏電流密度分布Fig. 6 Leakage current density distribution of the four rays of the tower grounding body under 3 000 A ground current condition

由圖9可見：在0基桿塔兩側，每根射線的吸收或者釋放電流密度最大值與入地電流均呈線性變化，隨著入地電流的增大而增加。綜上所述，在陽極運行條件下，高壓直流接地極入地電流越大，各基桿塔接地體吸收或者釋放的電流密度越大，干擾程度越高。

2.2.2 陰極運行模式

僅改變入地電流方向，以3 000 A入地電流為例，各桿塔接地體四根射線末端的泄漏電流密度如下圖10所示。結合圖6可知，僅改變入地電流方向，流經各桿塔接地體射線末端的電流密度與陽極運行時的大小相等，方向相反，即在接地極為陽極運行時，若射線末端電流密度為正值，則陰極運行時為負值。如A射線，陽極運行時射線末端的電流密度均為正值，電流從桿塔接地體的射線流出，釋放電流進入大地，陰極運行時，A射線末端的電流密度值不變，但均為負值，射線從大地吸收電流，其余射線的變化規律相同。

圖7 整條輸電線路上，四根射線吸收或者釋放電流的臨界桿塔(3 000A入地電流)Fig. 7 The critical tower grounding body of each ray electrode′s absorption or leakage current density along the transmission line (3 000 A ground current)

(a) A射線 (b) B射線

(c) C射線 (d) D射線圖8 陽極運行條件下，桿塔接地體4根射線的末端泄漏電流密度隨入地電流的變化情況Fig. 8 Changes of leakage current density at the end of the 4 rays of tower grounding body with ground current under anodic operation condition: (a) A-ray electrode; (b) B-ray electrode; (c) C-ray electrode; (d) D-ray electrode

(a) A射線 (b) B射線

(c) C射線 (d) D射線圖9 整條輸電線路上，4根射線最大吸收或釋放電流密度隨入地電流的變化情況Fig. 9 Changes of maximum absorption or release current density of 4 rays with ground current along the entire power line: (a) A-ray electrode; (b) B-ray electrode; (c) C-ray electrode; (d) D-ray electrode

圖10 3 000 A入地電流條件下，桿塔接地體四根射線的泄漏電流密度分布Fig. 10 Leakage current density distribution of the four rays of the tower grounding body under 3 000 A ground current condition

由圖10可見：A射線有一個波峰和兩個波谷，B、C、D射線均經歷一個波峰和一個波谷，且波峰均出現在直流接地極附近。A射線電流密度均為負值，射線從大地吸收電流，并在0基桿塔處的電流密度最大；B射線在第1基桿塔處的電流密度最大，為0.55 A/m2，在-35～-3基桿塔處，電流密度均為負值，在-2～35基桿塔處的電流密度為正值，即射線釋放電流進入大地；C射線在0基桿塔處的電流密度最大，為1.30 A/m2，在-35～-9基桿塔處的電流密度為負值，在-8～35基桿塔處的電流密度為正值；D射線在-1基桿塔處的電流密度最大，為0.80 A/m2，在4～35基桿塔處的電流密度為正值，在-35～3基桿塔處的電流密度為負值。由圖11可見：陰極運行時，四根射線吸收或者釋放電流的臨界桿塔位置，與陽極運行時的相同，但吸收或者釋放電流情況恰好相反。結合丁級布置桿塔接地體示意圖可知，距離直流接地極最近的桿塔兩側的桿塔接

地體四根射線吸收或者釋放情況基本相反，就同一基桿塔而言，當高壓直流接地極陰極放電時，遠離直流接地極方向的射線(左側A、B、C射線，右側A和D射線)吸收電流，靠近直流接地極的射線(左側D射線，右側A和C射線)釋放電流；每根射線末端吸收或者釋放的電流密度均隨著距離接地極中心距離的增加而減小，同避雷線上的電流變化一致，即距離接地極中心越遠，干擾程度越低。

2.3 高壓直流接地極放電對桿塔接地體射線腐蝕的影響

桿塔接地體釋放電流，即電流密度為正值時，桿塔存在腐蝕風險；桿塔接地體吸收電流，即電流密度為負值時，桿塔不發生腐蝕。由于每根射線末端的電流密度均最大，評估末端的腐蝕深度可為評估整體射線的腐蝕提供參考。結合圖6和10可知：陽極運行條件下， A、B和D射線發生腐蝕；陰極運行運行條件下，B、C和D射線發生腐蝕；且隨著與接地極間距離的增加，射線釋放的電流密度逐漸減小，腐蝕程度逐漸降低。

結合以上對桿塔接地體四根射線電流密度的計算，根據法拉利定律，評估桿塔接地體四根射線的腐蝕深度[19-20]。

本工作中，假設接地極運行壽命為40 a，建設初期單極運行時間6個月(180×24×3 600 s)，計劃和強迫運行率為1.5%，則按計劃和強迫運行的時間為1.5%×40×365×24×3 600 s來計算，其總運行時間為34 473 600 s。

單個接地極并不是以同一極性運行的，在直流電流作用下，接地極運行時會出現陽極和陰極運行兩種形式，故在計算接地極總運行時間時，要考慮陰、陽極的運行狀況，見表4。

四根射線的腐蝕速率計算公式如下：

(1)

(2)

式中：M為腐蝕失重，g；t為干擾時間，s；F為法拉第常數，C/mol；Z為電子數；M為摩爾質量，g/mol；i為電流密度，A/m2；d為腐蝕深度，mm；ρ為材料密度，g/cm3；A為射線的橫截面積，m2；P為陽極或陰極的運行概率。

表4 接地極陰極或陽極運行的概率Tab. 4 Probability of cathodic or anodic operation of grounding electrode

經計算，3 000 A入地電流，運行方式2條件下，四根射線的腐蝕深度如下圖12所示。由圖12可見：四根射線的腐蝕深度出現一個峰值(腐蝕量最大)、一個次峰值(腐蝕量次之)和一個谷值(腐蝕量最小)，峰值出現在-1(D射線)、0(C射線)、1(B射線)及6(A射線)基桿塔處，谷值出現在峰值和次峰值之間，從谷值開始，隨著距離直流接地極的距離增加，各基桿塔接地體四根射線的腐蝕量變化的規律不是逐漸減小的，而是呈增加→減小→緩慢減小的變化。其原因是由于處于谷值處的桿塔在接地極分別作陽極和陰極運行時，電流無論從射線流入還是流出均很小，產生的腐蝕量很小，所以出現谷值。從圖中還可以看出，距離0基桿塔左右各20個檔距的位置，腐蝕深度均高于0.1 mm，因此20個檔距的區域內的桿塔接地體均是腐蝕的重點防護區域，50%陽極運行的條件下，0基桿塔左右3個檔距的桿塔接地體上C射線腐蝕均較嚴重。

圖12 3 000 A入地電流、運行方式2條件下，四根射線的腐蝕深度Fig. 12Corrosion depth of four rays under the conditions of 3 000 A ground current and No. 2 operating mode

以C射線為例，圖13是不同陰陽極運行模式下的C射線的腐蝕深度。可以看出，從-8基桿塔處開始至35基桿塔，均是70%陰極運行時的腐蝕深度最大，且陰極運行的概率越大，C射線的腐蝕深度越大；但-8～-35基桿塔是20%陰極運行時的腐蝕深度最小。原因是C射線在-8～35基桿塔處均是電流流出狀態；在-8～-35基桿塔處陰極運行時無電流流出，只有陽極運行時才有電流流出，產生腐蝕。其他三根射線隨著陰陽極運行的概率不同的變化規律如C射線的一致。

圖13 3 000 A入地電流條件下C射線的腐蝕深度Fig. 13Corrosion depth of C-ray electrode under 3 000 A ground current condition

由以上計算可得，陰極運行的概率越大，腐蝕越嚴重，因此在本文算例中，考慮單一高壓直流干擾的情況下，直流接地極運行40 a，研究的輸電線路的桿塔接地體末端是重點防護對象，靠近直流接地極的前后3個檔距(-3基至3基)的桿塔接地體的C射線也需重點防護。

3 結論

(1) 直流接地極放電時，直流接地極前后12.5 km(25個檔距)范圍內流經避雷線的電流變化較大，12.5 km之外區域的電流變化趨于平緩，直流接地極前后12.5 km內受高壓直流接地極放電的干擾程度較嚴重；陽極放電時，靠近直流接地極的3 km(6個檔距)區域內的桿塔接地體吸收電流，3 km(6個檔距)之外的桿塔釋放電流，陰極運行則反之。

(2) 從桿塔流入或流出避雷線的電流是流經桿塔接地體四根射線的電流之和，不能作為判斷桿塔腐蝕與否或者腐蝕程度，流經桿塔每根射線的電流密度是判斷其腐蝕與否或腐蝕程度的依據；陽極運行時，當桿塔整體吸收或釋放電流時，丁級布置桿塔靠近直流接地極的射線吸收電流，遠離接地極的射線釋放電流，陰極運行時反之；射線吸收或釋放電流時，射線末端的電流密度最大。

(3) 直流接地極陰極運行的概率越大，接地極的桿塔射線末端的腐蝕深度越大，靠近直流接地極的10 km(20個檔距)的范圍內，射線末端均是重點防護區域；靠近直流接地極1.5 km(3個檔距)的范圍內C射線需重點防護。