膠東接地極對某管道干擾檢測及模擬分析研究

王 朋

（山東萊克工程設計有限公司，山東 東營 257026）

0 引言

伴隨我國高壓直流輸電系統和長輸油氣管道的大規模建設，直流輸電線路及其接地極對臨近長輸管道的直流雜散電流干擾問題日益突出[1-6]。直流輸電線路接地極在不同運行工況下的入地電流，對管道均可能造成不同程度的電磁干擾影響[7-12]。本文結合±660KV銀川-膠東直流輸電線路膠東接地極在單極大地模式下對臨近LNG管道直流干擾影響的現場檢測評估，并利用CDEGS軟件對直流接地極對管道的干擾影響進行仿真模擬計算，評估直流干擾影響的范圍和程度，提出緩解治理和腐蝕監測方案。

1 直流接地極對埋地管道的電磁影響機理

高壓直流輸電正常采用雙極對稱方式運行，當一極停運或發生故障時，則采用單極金屬回路或單極大地回路方式運行[13]。單極大地回路作為從雙極改變為單極金屬回路的過渡運行方式，入地電流極大，對臨近管道的直流干擾影響較大[14]。

直流接地極在陽極模式下，電流會在靠近接地極的管道位置流入管道，在遠離接地極的管道處流出；接地極在陰極模式下，入地電流在管道上的流入、流出的方向與作為陽極運行時相反。電流流入部位是陰極區，流出部位是陽極區[15]。接地極入地電流對附近埋地油氣管道的影響如圖1所示。

在直流電流流出的陽極區，破損點處管道金屬和土壤接觸面發生腐蝕反應，流出的電流強度越大，持續時間越長，管道腐蝕越嚴重。

在直流電流的流入的陰極區，氫氧根離子的產生增大金屬表面的PH值，同時也將導致防腐層從金屬表面的缺陷處剝離。在氫氣產生之前先生成氫原子，如果氫原子溶解在鋼里，會使高強度鋼發生氫脆。當直流接地極電流使得管地之間的電位差更負時，會加速管道發生氫脆和防腐層剝離的風險[16]。

2 直流干擾影響現場檢測數據及分析

2.1 直流干擾影響的評估標準

針對直流接地極對鄰近埋地油氣管道電磁影響的限值主要采用GB 50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》和DL/T5224-2014《高壓直流輸電大地返回系統設計技術規范》。其中：

標準GB 50991《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》規定：沒有實施陰極保護的管道，宜采用管地電位相對于自然電位的偏移值進行判斷。當任意點上的管地電位相對于自然電位正向或負向偏移超過20mV時，應確認存在直流干擾；當任意點上的管地電位相對于自然電位正向偏移大于或等于100mV時，應及時采取干擾防護措施[17]。

對已投運陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應及時采取干擾防護措施。

標準DL/T 5224-2014《高壓直流大地返回系統設計技術規程》規定：對非絕緣的地下金屬管道、鎧裝電纜，在等效入地電流下，如果泄漏電流密度大于1μA/cm2或者累積腐蝕量（厚度）影響到其安全運行，應采取保護措施[18]。

對用水泥或瀝青包裹絕緣的地下金屬管道，在等效入地電流下，如管道對其周邊土壤（相對于Cu-CuSO4參比電極，消除IR降）的電壓超出-1.5～-0.85V 范圍，應采取保護措施。

針對帶有絕緣防腐層的管道，兩個規范中均以控制管地電位為評估準則，GB 50991要求管道電位正向偏移應滿足保護電位的要求，但對于負向偏移未提出明確要求，DL/T 5224中規定了管地電位的偏移范圍。

2.2 直流干擾現場數據及分析

2.2.1 現場檢測方法

針對管道直流干擾的長周期監測采用在監測點設置UDL2數據記錄儀+1cm2試片的方式；短周期普測采用萬用表+參比電極的形式。管道電位檢測方法按照GB/T 21246-2007《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》的要求執行[19]。

2.2.2 現場檢測數據及分析

2.2.2.1 全線普測數據

2019年11月15日針對LNG管道進行首站—208#測試樁進行管道管地電位的檢測，LNG管道普測的管地電位曲線如圖2所示。

根據現場普測電位數據，LNG管道的陰保電位偏移可劃分為4段，其中：首站—37#樁正向偏移，8#樁最正5.58V；38#樁～48#樁電位偏移不明顯；49#～128#樁負向偏移，89#樁最負：-5.29V；129#～208#樁電位正向偏移，但偏移不明顯。

2.2.2.2 長周期電位監測數據

為科學準確的評估接地極對LNG管道的直流干擾影響，在管道沿線共設置8處長周期數據記錄儀對管道的干擾電位進行監測，具體的監測位置如表1所示。

表1 管道沿線監測點信息統計表

在測試周期內，分別統計管道沿線監測點的通/斷電電位的最大、最小和平均值，LNG管道通電、斷電電位統計數據如表2所示。

表2 管道直流電位及電流信息統計表

2.2.2.3 直流干擾影響數據分析

（1）直流干擾的時間規律

管道沿線監測點位置直流電位的波動，不論是正向還是負向，均在2019年11月16日24:00管道電位回歸正常，電位偏移結束的時間與±660KV寧夏銀川-山東膠東直流輸電線路單極大地回路模式結束的運行時間一致，如圖3所示，可基本判斷該接地極是LNG管道直流干擾影響的主要干擾源；

（2）干擾影響的范圍和程度

通過現場普測的管道電位數據分析，直流接地極在單極大地回路運行額定電流入地的情況下，對LNG管道全線均有一定的干擾影響，距離接地極較遠的管道兩端位置，管道電位正向偏移。管道電位正向偏移的幅值均超出標準規定限值。距離接地極較近的位置，管道電位負向偏移，電位負向偏移幅值超出DL/T 5224中-1.5V的限值要求。

通過長周期檢測數據分析發現，1#閥室斷電電位不能完全滿足最小保護電位≤-0.85V要求，如圖4所示；3#閥室則出現斷電電位負于-1.20V的情況，如圖5所示；

（3）管道全線直流電位偏移規律

根據現場普測電位數據，LNG管道的陰保電位偏移距離接地極較遠的管道兩端位置，管道電位正向偏移，為陽極區。主要集中在兩端的首站—37#測試樁和末端。距離接地極較近的位置，管道電位負向偏移，為陰極區，主要集中在49#樁～128#樁。陽極區和陰極區中間有兩端管道的電位偏移不明顯。

3 接地極對管道的電磁影響模擬計算

3.1 計算參數

3.1.1 接地極參數

根據國家電網山東特高壓管理處反饋的直流輸電線路運行信息，本次放電的高壓直流輸電線路為±660KV寧夏銀川—山東膠東直流輸電線路，輸電線路運行模式為單極—大地回路模式，膠東側接地極作為陽極運行。入地電流為額定電流3030A，持續時間為2019年11月11日～2019年11月16日24:00時，共計5天。

接地極采用同心兩圓環形布置，內環半徑210m，外環半徑300m，極環總長3200m，埋深3m。饋電棒材料為圓鋼，周圍活性填充物為石油焦炭碎屑。

接地極位置土壤電阻率：上部粉質粘土電阻率為11.8～36.8Ω·m，中層中粗砂土電阻為20～35Ω·m，下伏基巖土土壤電阻率為40～165Ω·m。

3.1.2 管道參數

本段天然氣管道起點為1#站、終點為5#站，線路長度203km，管道外防腐層采用3PE防腐，強制電流法陰極保護，在2#站、4#站和5#站分別設置強制電流陰保站。±660KV寧夏銀川—山東膠東直流輸電線路膠東環流站側接地極位于濰坊市峽山水庫南側，距離LNG管道支線距離33.5km。LNG管道的相關信息如表3所示。

表3 LNG管道信息表

3.2 電磁影響計算結果及分析

（1）電磁影響計算結果及分析

直流接地極入地電流在周圍產生的地電位升，使得管道金屬與附近土壤之間存在一個電位差，該電位差是反映對管道和操作人員危險影響的主要參數。基于±660kV銀川-膠東直流輸電線路膠東換流站接地極與LNG管道的相關參數，圖6和圖7分別給出了膠東環流站接地極在流過額定電流時，LNG管道的對地電壓沿線分布曲線；

（2）電磁影響計算結果

從計算結果可以看出：由于膠東環流站接地極深層土壤電阻率較淺層土壤電阻率高，膠東換流站接地極流過額定入地電流時，管道距接地極最近處管道和管道遠端上的對地電壓最高，最大值分別約為3.3V（1#站）、-6.79V（95#樁）和5.66V（5#站）。模擬計算的結果的分布曲線與現場檢測的數據分布具有一定的相似性，偏移幅值位置與現場檢測結果基本一致，由于管道極化效應等因素影響，管地電位的幅值與現場檢測結果存在一定差異。

4 電磁干擾緩解及腐蝕監測方案

結合現場檢測情況，針對直流接地極對LNG管道的直流雜散電流的干擾影響，應首先通過調整現有陰極保護輸出和分段絕緣措施來抑制其干擾影響，然后考慮在干擾嚴重的區域通過增設犧牲陽極的方式進行緩解治理，同時對于腐蝕敏感區考慮采取必要的腐蝕監測措施。

4.1 陰極保護系統改造

針對LNG線路陰極保護的改造，建議依托2#站、3#站進行分段絕緣；將站場進出干線的跨接電纜斷開；同時在2#站、3#站分別增設2路輸出的恒電位儀，恒電位儀、極化探頭應具備一定抗干擾能力，在直流干擾較為嚴重的情況下可恒流輸出。

4.2 排流治理措施

在分段絕緣和增設陰極保護的基礎上，針對線路管道雜散電流存在流出的管段（1#站～37#測試樁及）應加強管道防腐層的漏點檢驗，發現防腐層漏點應進行修復。對于電位持續正向偏移的位置應合理補充犧牲陽極進行緩解治理。

4.3 現場腐蝕監測

針對現場檢測過程中試片腐蝕嚴重、電位波動較大以及一些特殊的環境敏感點，建議在加強日常管道電位、防腐層漏點檢測的同時，設置一定的腐蝕失重試片，定期進行腐蝕速率的監測，確保管道本體的腐蝕速率安全可控。

5 結語

通過開展相關的雜散電流干擾現場檢測和模擬計算工作，明確了±660KV銀川-膠東側直流接地極作為直流干擾源對LNG管道的干擾影響范圍、影響程度以及電位偏移等規律，驗證了仿真模擬計算結果的科學性和準確性，并提出了緩解治理和腐蝕監測的方案。針對直流接地極對長輸管道的雜散電流干擾影響可在設計階段通過模擬計算進行分析，并采取相應的緩解措施。