袁 洵，杜艷霞，梁 毅，秦潤之

北京科技大學新材料技術(shù)研究院，北京 100083

高壓直流輸電是一種用于遠距離傳輸?shù)母咝瘦旊姺绞?，具有容量大、損耗小、穩(wěn)定度高等優(yōu)點[1–5]. 目前，我國已有多條大型高壓直流輸電工程投產(chǎn)運行，例如西電東送工程、北電南送工程、向家壩–上海和哈密–鄭州等高壓直流輸電工程，并且還有多條高壓直流輸電系統(tǒng)正在規(guī)劃建設中[5–7].

通常高壓直流輸電系統(tǒng)接地極有雙極模式和單極模式兩種運行模式[8–9]，我國高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中多采用雙極大地方式，但在建設投運初期、檢修以及出現(xiàn)故障排查時，常采用單極大地返回運行方式，單極模式相對于雙極而言，接地極放電影響范圍大，干擾強度高[10–12]，這是因為在單極模式運行中多采用以大地為回路的運行方式，此時通過接地極可向大地注入高達數(shù)千安培的電流，這些注入土壤中的電流會產(chǎn)生電場，從而在附近的金屬設施（如管道）中引入過大的電流和電壓[13–15]，這些瞬間產(chǎn)生的大電流可能會加速管道腐蝕，產(chǎn)生打火放電現(xiàn)象，甚至燒毀附近的陰極保護設備[12, 16–19]. 目前，我國已經(jīng)出現(xiàn)多起高壓直流輸電系統(tǒng)接地極單極放電引起的干擾問題，如廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司鰲廣干線受南方電網(wǎng)云廣輸電系統(tǒng)干擾時，多臺恒電位儀燒壞，甚至發(fā)生機柜著火等事故[16]；魚龍嶺接地極放電導致在廣東某天然氣管道測試得到管道上的干擾電壓高達 140.5 V (vsCSE)[17]（相對于銅–硫酸銅電極的電位）；在翁源接地極測試得到的距離接地極最近的管道位置通電電位正向偏移至 100 V (vsCSE)左右[18]. 上述案例的出現(xiàn)使得高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對埋地管道的干擾問題引起了國內(nèi)管道及電力行業(yè)的廣泛關(guān)注. 盡管在國外有一些關(guān)于高壓直流干擾研究的報道[20–21]，如早在1971年，美國學者就開始研究高壓直流接地極對周圍鑄鐵管道的干擾和危害[21]. 但是由于國內(nèi)的電壓等級不斷提高，放電電流大，并且接地極與管道之間的間距遠小于國外的案例，因此產(chǎn)生的干擾幅值遠高于國外. 如Qin等[22]在牛從接地極測試得到的最高管地通電電位甚至高達 304 V (vsCSE)，這嚴重威脅著人員的安全和管道防護設備的正常運行. 上述案例中出現(xiàn)的大幅值管地電位均表明高壓直流接地極對管道會造成很嚴重的干擾，但是目前國內(nèi)外學者針對其大幅值電位產(chǎn)生的原因沒有深入的分析，對產(chǎn)生大幅值電位的影響因素也沒有系統(tǒng)的探討. 而國內(nèi)對于高壓直流干擾這種新型干擾的相關(guān)研究尚處于起步階段，并且由于高壓直流干擾時影響范圍大、涉及面積廣等因素[23]，現(xiàn)場測試和實驗室模擬實驗的手段無法有效的進行，因此國內(nèi)外通常采用數(shù)值模擬的方法進行探索與研究.

本文基于實際的工程參數(shù)建立了高壓直流干擾電場計算模型，利用數(shù)值模擬計算技術(shù)對高壓直流干擾大幅值管地電位的產(chǎn)生原因進行探究，并考察影響大幅值管地電位產(chǎn)生的影響因素，以期為后續(xù)的高壓直流工程建設提供參考和借鑒.

1 研究方法及參數(shù)選取

本文建立模型所使用的CDEGS軟件是加拿大SES公司開發(fā)的一種專業(yè)工程軟件，其中軟件中的HIFREQ模塊考慮了導體網(wǎng)絡中的感應、電容和傳導干擾效應[24]. 可以用于計算地下和架空導線網(wǎng)絡中的電流分布和電場、磁場等，分析由任意方向的地上和地下導體組成的網(wǎng)絡，以及由于輸電線路等的存在而在管道和其他地下物體中產(chǎn)生的感應電流和電壓.

從上世紀六十年代起，國內(nèi)外已經(jīng)開始針對高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地管道的影響進行模擬計算研究，其中CDEGS軟件作為國際權(quán)威認證的數(shù)值模擬計算軟件已經(jīng)被廣泛認可. Bi等[6]通過CDEGS軟件分析了5000 A單極電流對哈密南部接地運行的影響，并通過現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果作對比發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好；Gong等[13]通過CDEGS軟件建立了在復雜土壤結(jié)構(gòu)下的干擾模型，并結(jié)合現(xiàn)場測量和計算結(jié)果的比較，驗證了模型的合理性.

本文基于CDEGS軟件建立模型，利用±500 kV某高壓直流接地極以及附近埋地金屬管道實際參數(shù)作為數(shù)據(jù)基礎，通過對比現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果驗證模型的合理可行性，最后利用驗證后的模型通過改變不同參數(shù)，考察了接地極與管道之間的垂直間距、管道防腐層、管道長度、土壤結(jié)構(gòu)四個因素對管地電位的影響規(guī)律. 圖1為本次論文研究中接地極與管道模型示意圖，表1為模型驗證所用參數(shù)及后續(xù)規(guī)律研究時的參數(shù)表，表2和表3為接地極和土壤結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù).

圖1 接地極與管道相對位置示意圖Fig.1 Diagram of relative position between the grounding electrode and pipeline

表1 管道參數(shù)Table 1 Pipe parameters

表2 高壓直流接地極參數(shù)Table 2 Parameters of high-voltage direct current (HVDC) grounding electrode

表3 土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Soil structure parameters

2 模型驗證

為了探究利用軟件建立模型的可行性，本文基于某實際現(xiàn)場案例參數(shù)（表1中基礎模型參數(shù)）建立模型，并利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果作對比，計算結(jié)果及現(xiàn)場數(shù)值匹配如圖2所示. 可以看出現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算結(jié)果吻合較好，即模型是合理可行的.

圖2 模型計算結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)匹配圖Fig.2 Matching diagram of model calculation results and field data

3 大幅值管地電位的產(chǎn)生原因及影響因素分析

利用第1節(jié)驗證后的模型模擬了高壓直流接地極單極運行時對埋地管道干擾產(chǎn)生的管地電位分布. 由圖2可知，管道在測試點1處的管地電位高達?304 V，為了探究其高幅值的原因，首先結(jié)合軟件以無窮遠處為電位零點，定義了三個參數(shù)：Esoil—土壤中的電位，即土壤相對于遠地點（零點）的電位；Epipe—管道的電位，即管道鋼金屬相對于遠地點（零點）的電位；Epipe-to-soil—管道對近地電位，簡稱為管地電位.

由圖3所示為三種電位的位置示意圖，圖4為基礎模型計算得到的土壤電位Esoil和管道電位Epipe電位圖，而管地電位Epipe-to-soil得到的結(jié)果即圖2的結(jié)果. 以管道受干擾程度最大點的電位為例，模型計算得到的Esoil為 478.3 V，Epipe為 159.2 V，而管地電位即Epipe-to-soil為–319.1 V，可以看出他們之間的關(guān)系為Epipe-to-soil=Epipe–Esoil，這也與圖3給出的關(guān)系相符. 因為通常在地表測得的管道對地電位，是由管道電位和附近土壤電位共同決定的，而且管道電位和附近的土壤電位會因為管道或接地極的某些參數(shù)發(fā)生改變而產(chǎn)生不同的結(jié)果. 比如由圖5所示，從接地極中心處垂直延伸至管道外側(cè)的測試點1處的垂直線上，隨著管道離接地極的距離越大，Esoil不斷下降. 這是因為當接地極放電時，會在土壤中產(chǎn)生一個地電場，接地極類似于一個電場源，其周邊的土壤電位會變成一種等電位線的梯度場，距離接地極越遠，土壤電位越低. 因此為了探究哪些參數(shù)改變時會影響管道電位和土壤電位，進而產(chǎn)生高幅值管地電位，本文將利用CDEGS軟件建立模型，基于表1～3給出的參數(shù)探究接地極與管道之間的垂直間距、管道防腐層、管道長度和土壤結(jié)構(gòu)四個因素對管地電位的影響規(guī)律.

圖3 高壓直流干擾中 Esoil、Epipe 和 Epipe-to-soil三種計算電位示意圖Fig.3 Diagram of the three calculated potentials of Esoil, Epipe, and Epipe-to-soil under HVDC interference

圖4 基礎模型中管道沿線兩種電位計算結(jié)果. （a）Esoil；（b）EpipeFig.4 Calculation results of two potentials along the pipeline in the validation model: (a) Esoil; (b) Epipe

圖5 接地極周圍土壤電位沿線分布圖Fig.5 Distribution of soil potential around the grounding electrode

3.1 接地極與管道間的垂直間距對管地電位的影響

當管道與接地極之間的垂直間距發(fā)生變化時，管道處于接地極電場的不同位置，因此其土壤電位和管道電位會發(fā)生變化，為了對比不同間距的效果，分別選取垂直間距為1、3、5和10 km進行計算，結(jié)果如圖6所示.

圖6 高壓直流干擾時不同垂直間距下管道沿線三種電位計算結(jié)果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soilFig.6 Calculation results of three types of potential along the pipeline under different vertical spacings under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe;(c) Epipe-to-soil

由圖6可見，圖6（a）中呈現(xiàn)的規(guī)律為距離接地極越近，管道中心處的土壤電位Esoil越大，這也與圖6（b）給出的結(jié)果相符，并且隨著接地極與管道之間的間距越小時，管道電位Epipe逐漸增大，管道中心處的管地電位Epipe-to-soil大幅減小，兩端小幅增大. 當管道與接地極之間的垂直間距從1 km增大到10 km時，管道中心處的土壤電位從493.2 V 降低到 49.6 V，管道電位從 47.1 V 降低到23.5 V，可以看出隨著接地極與管道之間的間距變大時，管道電位的變化幅度不如土壤電位，由此造成了兩者之差即管地電位相差很大，當管道與接地極之間的垂直間距為1 km時，管地電位高達?446.1 V，而垂直間距為 10 km時，管地電位為?26.1 V. 因此當接地極與管道之間的垂直間距變小時，管道周邊的土壤電位驟增，而管道電位變化幅度不如土壤電位，因此土壤電位相對于管道電位在垂直間距發(fā)生改變時對管地電位的影響更為關(guān)鍵.

3.2 管道防腐層類型對管地電位的影響

當來自接地極的電流通過土壤注入管道時需要跨過管道外側(cè)的防腐層，因此管道防腐層絕緣性能變化可能對高壓直流干擾管地電位產(chǎn)生影響. 為了對比不同防腐層的效果，分別選取3PE、煤焦油瓷漆和無防腐層（裸鋼管道）三種管道外防腐層，三種防腐層的面電阻率分別為105、104和0 Ω·m2進行計算，結(jié)果如圖7所示.

圖7 高壓直流干擾時不同防腐層下管道沿線三種電位計算結(jié)果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soilFig.7 Calculation results of three types of potential along the pipeline under different anticorrosive coatings under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe;(c) Epipe-to-soil

由圖7可見，隨著防腐層面電阻率的增大，管道中心處的土壤電位Esoil增大，管道電位Epipe減小，管道兩端的規(guī)律相反. 以管道中心位置為例，當防腐層面電阻率為 105Ω·m2時（3PE 防腐層）土壤電位Esoil為 98.8 V，管道電位Epipe為 30.5 V，管地電位Epipe-to-soil為–68.3 V；當防腐層面電阻率為104Ω·m2時（煤焦油瓷漆）土壤電位為 86.0 V，管道電位為 32.6 V，管地電位為–53.3 V；而當防腐層面電阻率為 0 Ω·m2時（裸鋼管道）土壤電位為 39.3 V，管道電位為 38.9 V，管地電位為–0.4 V. 可以看出裸鋼管道中獲得的管地電位遠小于3PE和煤焦油瓷漆兩種防腐層. 這是因為裸管沒有防腐層的阻隔，不會在防腐層上產(chǎn)生高的分壓，從而使得得到的管地電位接近0 V，而當防腐層的性能很好時，防腐層的電阻很高，土壤電位和管道電位有很大差異，因此會產(chǎn)生很高的管地電位，高絕緣性能的防腐層對高壓直流干擾下大幅值管地電位的產(chǎn)生具有很大貢獻.

3.3 管道長度對管地電位的影響

當電流在管道中流動時，管道的長度不同，也會對管道的干擾產(chǎn)生不同的結(jié)果. 為了對比不同管道長度的效果，分別選取長度為1、5、10、30、50和100 km進行計算，結(jié)果如圖8所示.

圖8 高壓直流干擾時不同管道長度下管道沿線三種電位計算結(jié)果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soilFig.8 Calculation results of three types of potential along the pipeline under different pipeline lengths under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe;(c) Epipe-to-soil

由圖8可見，當管道長度發(fā)生變化時，土壤電位Esoil基本不發(fā)生變化，而管道電位Epipe隨著管道長度的增長而降低，當管道長度從 1 km變到100 km時，管道中心處的土壤電位僅從100.7 V變化至 98.8 V，管道電位從 100.5 V 降低為 30.5 V，可以看出隨著管道長度變長時，土壤電位的變化幅度不如管道電位，由此造成了兩者之差即管地電位相差很大，當管道長度為1 km時，管道中心處的管地電位Epipe-to-soil僅為?0.3 V 左右，而管道長度為 100 km時，管地電位為?68.3 V. 因此管道的長距離對于高壓直流干擾下大幅值管地電位的產(chǎn)生具有重要影響.

3.4 土壤結(jié)構(gòu)對管地電位的影響

埋地油氣管道通常埋設于土壤環(huán)境中，而高壓直流接地極單極運行時會向土壤注入電流，因此土壤會成為電流的傳導路徑，從而土壤環(huán)境的不同會對接地極對埋地管道的干擾有一定影響.通常在實際案例中，土壤結(jié)構(gòu)在大地中的分布一般是不均勻的. 為了研究土壤結(jié)構(gòu)對高壓直流干擾的影響，本文通過改變底層土壤電阻率分別為5、12.5、25、50、100、300、800、1500 和 3000 Ω·m，建立了9種不同土壤結(jié)構(gòu)模型，通過控制表層與底層土壤電阻率的比值，計算其對管道干擾的影響規(guī)律. 土壤電阻率變化具體如表4.

表4 土壤結(jié)構(gòu)計算的分層情況Table 4 Layering of the soil structure calculation

由圖9呈現(xiàn)的結(jié)果可見，當?shù)讓油寥离娮杪试龃髸r，土壤電位Esoil和管道電位Epipe都是呈現(xiàn)增大的趨勢，管道中心處的管地電位Epipe-to-soil下降，兩端的管地電位上升. 當?shù)讓油寥离娮杪蕿?時（即底層與表層土壤電阻率之比為0.2），土壤電位為 0.6 V，管道電位為 0.2 V，管地電位為?0.4 V；而當?shù)讓油寥离娮杪噬仙?000時（即底層與表層土壤電阻率之比為120），土壤電位為358.3 V，管道電位為 114.8 V，管地電位為?243.4 V.可以看出隨著底層與表層土壤電阻率之比變大時，土壤電位和管道電位均呈上升的趨勢，但是上升的幅度不同，如圖10為管道中心位置三種電位分布圖，三種電位均隨著比值的增大而呈線性關(guān)系，但是土壤電位增長速度大于管道電位增長速度，從而導致兩者之差即管地電位也隨著比值的增大而線性下降. 因此呈現(xiàn)土壤電阻率為上低下高的土壤分層結(jié)構(gòu)對于高壓直流干擾下大幅值管地電位的產(chǎn)生具有重要影響.

圖9 高壓直流干擾時不同底層土壤電阻率下管道沿線三種電位計算結(jié)果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soilFig.9 Calculation results of three potentials along the pipeline under different bottom soil resistivities under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe;(c) Epipe-to-soil

圖10 不同底層與表層土壤電阻率之比下管道中心處 Esoil、Epipe和Epipe-to-soil分布圖Fig.10 Distribution of Esoil, Epipe, and Epipe-to-soil in the center of the pipeline under the ratio of soil resistivity of different bottom and surface layers

3.5 討論與分析

結(jié)合上述四種因素的結(jié)果，可以看出高壓直流接地極對埋地管道干擾產(chǎn)生大幅值管地電位的原因是由管道周邊的土壤電位和管道電位共同決定的，當接地極與管道之間的間距、管道防腐層、管道長度和土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，土壤電位Esoil和管道電位Epipe發(fā)生變化，進而引起管地電位Epipe-to-soil的變化.

（1）當接地極與管道之間的垂直間距變小時，管道周邊的土壤電位驟增，而管道電位變化幅度不如土壤電位，進而引起大幅值管地電位的產(chǎn)生.

（2）當管道防腐層不同時，在防腐層兩端產(chǎn)生的壓降不同，即當防腐層絕緣性能較好時，管道與附近土壤之間形成較大的電壓降，該壓降主要落在防腐層兩側(cè)，防腐層的存在讓管道電位“遠離了”附近土壤，從而造成當測試高絕緣性能防腐層管道時產(chǎn)生大幅值管地電位的根本原因為防腐層內(nèi)側(cè)管體與外側(cè)土壤之間巨大的電位差.

（3）當管道長度變長時，管道電位呈現(xiàn)下降的趨勢，而土壤電位基本不變，管道上的電位相當于通過長長的管道把其“拉向”遠地，從而造成管地電位高幅值的產(chǎn)生.

（4）當土壤呈現(xiàn)水平分層結(jié)構(gòu)時，不同的土壤電阻率會影響管道所處位置的土壤電位和管道電位，進而影響流過金屬管道的直流電流，造成對管道干擾程度的不同. 隨著底層土壤電阻率越高，即底層與表層土地電阻率的比值變大時，土壤電位和管道電位呈現(xiàn)線性增加，但是土壤電位增大的幅度大于管道電位，因此造成管地電位呈現(xiàn)高幅值的結(jié)果.

結(jié)合上述四種因素的分析，可以得出高壓直流干擾下大幅值管地電位是在接地極與管道距離較近、管道高絕緣性能防腐層、管道的長距離和土壤結(jié)構(gòu)共同作用下產(chǎn)生的，距離越近、防腐層絕緣性能越高、管道長度越長，以及表層土壤電阻率低于底層的土壤分層結(jié)構(gòu)是造成高壓直流大幅值管地電位產(chǎn)生的根本原因.

4 結(jié)論

利用數(shù)值模擬軟件建立高壓直流接地極對管道干擾的模型，首先通過對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果驗證模型的合理可行性，并利用驗證后的模型改變參數(shù)，分析接地極與管道垂直間距、管道防腐層、管道長度和土壤結(jié)構(gòu)四個因素，獲得了管道周圍土壤電位、管道電位和管地電位的影響規(guī)律，得到高壓直流大幅電位產(chǎn)生的原因，具體結(jié)論如下：

（1）大幅值管地電位可由管道電位和附近的土壤電位之差獲得，是由兩者共同決定的.

（2）管道與接地極之間的間距變小會造成土壤電位和管道電位增大，而管道電位增大幅度不如土壤電位，進而引起管地電位的大幅偏移.

（3）防腐層的絕緣性能越好，土壤電位與管道電位之間的差值越大，進而引起防腐層兩側(cè)大幅值電位差，造成管地電位的大幅偏移.

（4）管道長度增加會造成管道電位的變化，而土壤電位基本不變，從而引起管地電位增大.

（5）當土壤結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)上層土壤電阻率低，下層土壤電阻率高的水平土壤分層結(jié)構(gòu)時，隨著底層土壤電阻率的增大，土壤電位的增加幅度大于管道電位，進而引起管地電位的大幅偏移.