張浩強(qiáng) 陳少松 張驍勇 徐學(xué)利 劉昊天

（1. 西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 北京安科腐蝕技術(shù)有限公司，北京 102211）

0 引言

由于我國(guó)能源需求量的快速增長(zhǎng)，直流輸電項(xiàng)目和油氣管道的建設(shè)迅速增加。遠(yuǎn)距離大容量的油氣輸送管道，油氣管道走廊穿越的走廊地形復(fù)雜，幾千公里管道可能穿越低電阻率區(qū)域，也可能穿越高電阻率區(qū)域，一般需要采取陰極裝置，管道陰極保護(hù)用的陽(yáng)極地床選址要求與傳統(tǒng)的直流淺埋接地極極址的選擇原則基本一致，導(dǎo)致直流輸電線路和油氣管道相互靠近或交叉的情況時(shí)有發(fā)生。人口密度較大的東南沿海地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速土地資源緊張，為了減少土地資源的浪費(fèi)，直流輸電項(xiàng)目和油氣管道的建設(shè)有時(shí)使用同一區(qū)域土地，這使得我國(guó)高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)埋地長(zhǎng)輸管道及站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的電干擾問(wèn)題日益嚴(yán)重的暴露出來(lái)。

1 高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)管道干擾的產(chǎn)生及規(guī)律

1.1 高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)埋地管道的干擾的產(chǎn)生

高壓直流輸電系統(tǒng)可以在很大的空間范圍內(nèi)對(duì)埋地長(zhǎng)輸管道及站內(nèi)設(shè)備造成干擾問(wèn)題，這與其運(yùn)行模式密不可分。高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式主要有雙極運(yùn)行方式、單極大地回路運(yùn)行方式和單極金屬回路運(yùn)行方式。

雙極對(duì)稱運(yùn)行模式。理論上，此種運(yùn)行模式下由于兩極攜帶同樣的諧波電流，因此大地中沒(méi)有電流流過(guò)。但在實(shí)際工況中并非如此，兩極之間的諧波電流差將流過(guò)大地，這種不平衡電流一般會(huì)小于額定電流的1%[1]。然而，姜子濤等[2]的研究結(jié)論指出，盡管在該模式下運(yùn)行比較安全，但依舊會(huì)使埋地管道通電電位干擾達(dá)到數(shù)百毫伏。大多數(shù)情況下的高壓直流輸電系統(tǒng)皆采用雙極運(yùn)行模式，因此會(huì)對(duì)鄰近埋地管道造成持續(xù)干擾。雖然接地電流較低，但長(zhǎng)時(shí)間的干擾對(duì)埋地管道會(huì)造成腐蝕的累積。因此，在實(shí)際工程中，這種不平衡電流對(duì)埋地管道的影響也不容忽視。

單極大地回路運(yùn)行模式。在投運(yùn)初期、年度檢修或出現(xiàn)故障排查時(shí)，高壓直流輸電系統(tǒng)往往切換為單極大地回路模式運(yùn)行，輸送電流通過(guò)接地極流入大地形成閉合回路，大量電流通過(guò)大地回流，會(huì)在兩側(cè)接地極周圍極大程度地抬升或降低地電勢(shì)，對(duì)附近的金屬管道及構(gòu)筑物造成顯著的雜散電流干擾[3]。西氣東輸廣東段埋地管道上監(jiān)測(cè)到的304V干擾正是這種工況下造成的[4]。高壓直流接地極的尺寸往往很大，直徑范圍可達(dá)公里級(jí)，而且當(dāng)接地極通過(guò)幾百甚至上千安電流時(shí)，即使在距離較遠(yuǎn)的區(qū)域所產(chǎn)生的地電勢(shì)梯度還是較高。盡管高壓直流輸電系統(tǒng)只有較短時(shí)間是在單極大地回路模式下運(yùn)行，隨著時(shí)間累積，仍會(huì)在管道上引起嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。顧清林等人[5]對(duì)我國(guó)不同區(qū)域的17個(gè)高壓直流接地極鄰近的埋地管道進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明高壓直流接地極放電總時(shí)長(zhǎng)不到全年正常運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的1.2%。

單極金屬回路運(yùn)行模式。為了降低單極大地回路運(yùn)行方式對(duì)自身電力設(shè)施及外源結(jié)構(gòu)物造成的潛在威脅，有時(shí)也會(huì)采用專用的金屬回路來(lái)實(shí)現(xiàn)單極運(yùn)行，電流不經(jīng)過(guò)大地回流，而是通過(guò)一根金屬電纜線回流。這種運(yùn)行模式下不會(huì)在大地中產(chǎn)生任何雜散電流，但會(huì)增加電網(wǎng)的投資，因此未被更廣泛地采用[6]。

1.2 高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)管道干擾的規(guī)律

高壓直流輸電系統(tǒng)在周期性或不定期的單極大地回路時(shí)，直流電流沿著高壓直流送端和受端接地極之間的大地路徑傳導(dǎo)。這種運(yùn)行模式下，埋地長(zhǎng)輸管道處于接地極入地電流形成的地電勢(shì)梯度場(chǎng)中。與接地極單極運(yùn)行的極性有關(guān)，一部分電流被處于地電勢(shì)較高區(qū)域內(nèi)的管道及其接地設(shè)施所吸收，并沿著管道進(jìn)行較長(zhǎng)距離傳輸，接著在地電勢(shì)較低的區(qū)域內(nèi)排放至大地中[7]。本質(zhì)上來(lái)講，根據(jù)管道所處的位置和高壓直流接地極單極運(yùn)行極性的不同，長(zhǎng)輸管道的不同管段可以吸收、傳導(dǎo)或釋放接地極的入地電流。由于雜散電流過(guò)大，比管道自身的陰極保護(hù)系統(tǒng)電流可能存在數(shù)量級(jí)差異，管道的對(duì)地電位在其路由沿線不同的位置相應(yīng)地發(fā)生了不同程度的偏移[6]。當(dāng)與管道接近的高壓直流接地極以陽(yáng)極模式運(yùn)行（即向大地中釋放電流）時(shí)，來(lái)自接地極的雜散電流由位于其附近區(qū)域的管道所吸收，管地電位發(fā)生負(fù)向偏移；然后在遠(yuǎn)離接地極的位置從管道中重新排入大地，管地電位則發(fā)生正向偏移。相反，當(dāng)高壓直流接地極在管道附近以陰極模式運(yùn)行（即從大地中吸收電流）時(shí)，雜散電流在遠(yuǎn)離接地極的區(qū)域由管道所吸收，管地電位發(fā)生負(fù)向偏移；而在接地極附近的管道中重新排入大地，管地電位則正向偏移。

2 高壓直流接地極對(duì)管道干擾的影響因素

高壓直流接地極單極大地回路運(yùn)行對(duì)管道造成的干擾程度以及影響范圍與多個(gè)因素有關(guān)，包括接地極的入地電流大小、管道防腐層質(zhì)量、電連續(xù)性長(zhǎng)度、與接地極的垂直間距等，以及接地極和管道沿線的土壤環(huán)境。通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)干擾監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合仿真計(jì)算方法[7,8]，已得到上述因素對(duì)高壓直流干擾的影響規(guī)律如下。

2.1 接地極入地電流

當(dāng)管道和土壤環(huán)境條件保持一致時(shí)，管道干擾水平與接地極入地電流大小呈正相關(guān)關(guān)系。接地極單極大地回路運(yùn)行時(shí)，入地電流越大，對(duì)附近管道干擾電位的偏移影響越明顯，而發(fā)生電位偏移的管段長(zhǎng)度則不會(huì)變化。

2.2 防腐層質(zhì)量

接地極陽(yáng)極運(yùn)行時(shí)，大量電流涌入大地導(dǎo)致附近土壤電位相對(duì)于遠(yuǎn)地大幅抬升，由于防腐層的阻隔，管道產(chǎn)生了很高的管地電位差。防腐層電阻率越高，管道近地電位越高。當(dāng)管道長(zhǎng)度較短時(shí)，防腐層類型和質(zhì)量對(duì)管道所受干擾影響較小。但隨著管道長(zhǎng)度增加，干擾影響相應(yīng)增大。防腐層質(zhì)量越好，管道的干擾范圍則越大。

2.3 管道電連續(xù)性長(zhǎng)度

當(dāng)管道縱向無(wú)任何絕緣部件時(shí)，隨著管道長(zhǎng)度的增加靠近接地極位置處管道干擾升高，遠(yuǎn)離直流接地極位置處管道干擾降低。當(dāng)管道縱向長(zhǎng)度越長(zhǎng)，靠近接地極近端管道發(fā)生電位偏移的范圍增加，即干擾距離增大。

2.4 管道與接地極的間距

隨著接地極與管道間的垂直距離增加，管道受接地極干擾的電位偏移幅度相應(yīng)減小，但發(fā)生電位偏移的管段范圍則變化不大。我國(guó)DL/T5224《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》中提出：如果直流接地極與地下金屬管道等地下金屬構(gòu)件的最小距離小于10km時(shí)，應(yīng)計(jì)算接地極的電流對(duì)這些設(shè)施產(chǎn)生的不良影響。曹國(guó)飛等[9]利用數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)高壓直流接地極對(duì)埋地管道干擾產(chǎn)生的人身安全影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，埋地管道越長(zhǎng)所受干擾范圍越大，所需的安全距離越大。

2.5 土壤特性

土壤結(jié)構(gòu)和電阻率對(duì)管道所受的直流干擾影響很大。上層土壤電阻率低、下層土壤電阻率高的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生比較高的干擾電壓；而相反，上層土壤電阻率高、下層土壤電阻率低的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干擾電壓則較低。結(jié)構(gòu)均勻土壤環(huán)境中，土壤電阻率越高，接地極對(duì)管道造成的干擾越大。呂超等[10]研究得出以下結(jié)論：表層電阻率的降低使得整體土壤電阻率降低，導(dǎo)致直流接地極對(duì)長(zhǎng)輸管道的干擾也降低。表層土壤對(duì)干擾的影響與其厚度密切相關(guān)。高壓直流接地極附近管道所處土壤的電阻率對(duì)直流干擾的影響很大。

3 埋地管道直流干擾防護(hù)措施及其應(yīng)用

埋地管道的高壓直流干擾防護(hù)措施可以參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中推薦的常見直流雜散電流干擾治理方法，包括絕緣隔離、防腐層修復(fù)、排流保護(hù)、陰極保護(hù)、屏蔽、路由避讓、從源頭減少排放等[11]。這些標(biāo)準(zhǔn)均提出，對(duì)直流干擾的治理應(yīng)該從設(shè)計(jì)階段開始考慮。然而，干擾源和管道之間的安全距離受到多個(gè)因素的復(fù)雜影響，往往難以確定。研究人員通過(guò)仿真計(jì)算研究了接地極電流干擾下影響防護(hù)距離的因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤電阻率和管道防腐層類型對(duì)管道防護(hù)距離的影響較大，而極化效應(yīng)引起的局部土壤pH變化幾乎不改變管道的防護(hù)距離[12]。

3.1 防腐層修復(fù)

管道防腐層缺陷點(diǎn)會(huì)成為雜散電流流入和流出的通道，修復(fù)防腐層缺陷可減少管道內(nèi)的雜散電流。處于干擾區(qū)域的管道應(yīng)定期進(jìn)行防腐層質(zhì)量及絕緣性能檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)防腐層缺陷，并及時(shí)修復(fù)，降低管道的雜散電流干擾強(qiáng)度。

3.2 絕緣隔離

使用絕緣隔離方法可以降低管道電連接長(zhǎng)度，達(dá)到防護(hù)的效果[13]。在被干擾管道上安裝絕緣裝置，可以通過(guò)增大被干擾管道回路電阻來(lái)減少管道的雜散電流干擾強(qiáng)度，并縮短干擾范圍。對(duì)于干擾復(fù)雜且采取其它干擾防護(hù)措施后無(wú)法有效緩解干擾的管段，可通過(guò)絕緣裝置將其從整條管道中隔離出來(lái)，便于單獨(dú)采取針對(duì)性措施。采用絕緣隔離措施后應(yīng)特別注意電絕緣裝置兩端可能形成的新的干擾點(diǎn)。分段隔離措施對(duì)限制干擾影響范圍，并可減小管道電位正向和負(fù)向偏移，分段隔離點(diǎn)宜選擇在干擾電壓的正偏移與負(fù)偏移之差的中間位置處。

3.3 排流保護(hù)

排流保護(hù)有多種方式，其中鋅帶排流和強(qiáng)制排流是常用的方式。鋅帶排流措施對(duì)緩解管道電位的正向和負(fù)向偏移均有效，是適用于已建管道的常見措施。其優(yōu)點(diǎn)是鋅帶本身的作用是接地，不需要特殊的調(diào)控，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要外部供電，因此排流設(shè)施可以放置在野外。強(qiáng)制排流是將埋地管道上的雜散電流引向排流器，并經(jīng)由排流器流入大地或流回干擾源，從而避免雜散電流直接從管道流入土壤造成電化學(xué)腐蝕[14]。排流器不能影響陰保系統(tǒng)的工作，同時(shí)要考慮其自身受到的雷電過(guò)電壓和高壓輸電塔故障電流的影響[15]。

3.4 陰極保護(hù)

作為干擾防護(hù)措施的陰極保護(hù)系統(tǒng)可采用以下兩種方式：一是利用現(xiàn)有陰極保護(hù)系統(tǒng)，調(diào)整其運(yùn)行參數(shù)以適應(yīng)干擾防護(hù)的需要；二是增設(shè)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。增設(shè)的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在被干擾管道的陽(yáng)極區(qū)，其輔助陽(yáng)極地床距管道不小于20m。如果在管地電位正負(fù)交變的場(chǎng)合使用犧牲陽(yáng)極時(shí)，應(yīng)在管道與犧牲陽(yáng)極之間串接單向?qū)娖髟?/p>

3.5 干擾防護(hù)措施的應(yīng)用

孟曉波等[16]分析了敷設(shè)防腐層和加設(shè)絕緣接頭對(duì)直流接地極的影響，對(duì)抑制管地電位的效果和規(guī)律，結(jié)果表明：管地電位對(duì)管道防腐層的電阻率和厚度依賴較??；加設(shè)絕緣接頭的管道可使管地電位顯著降低，進(jìn)一步使得入地電流對(duì)管道的直流干擾降低。

付龍海等[17]通過(guò)某工程實(shí)踐和計(jì)算定量探究了管地電位受直流接地極周圍管道及沿線環(huán)境上土壤結(jié)構(gòu)、土壤電阻率和接地極與管道間距離的影響，結(jié)果表明，距離越小干擾的程度越大，且傳導(dǎo)的干擾幅值受土壤環(huán)境影響較大。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的集中接地排流和緩解線排流措施。

北美Trans Mountain管道系統(tǒng)受到不列顛哥倫比亞至溫哥華島高壓直流輸電系統(tǒng)干擾，Verhiel等人[18]設(shè)置了3處強(qiáng)制排流系統(tǒng)在高壓直流干擾最嚴(yán)重位置，進(jìn)而施加反向電流，抵抗高壓直流干擾，最終緩解效果增強(qiáng)。

曹方圓等[19]研究了土壤結(jié)構(gòu)對(duì)直流接地極干擾下管道泄漏電流的影響，通過(guò)計(jì)算得出，土壤電阻率對(duì)泄漏電流影響成正比。在表層土壤電阻率大于底層土壤電阻率的情況下，比率越大管道的泄漏電流密度越小?？偟膩?lái)說(shuō)，管道泄漏電流分布受土壤結(jié)構(gòu)影響較大。

廖永力等[20]的研究中，利用接地極仿真分析建立了對(duì)管道采取防腐層、絕緣接頭措施的等效電路模型，通過(guò)對(duì)比防護(hù)措施對(duì)降低管地電位的效果，結(jié)果表明：防腐層電阻率很大的情況時(shí)，其厚度對(duì)管地電位的影響很小。在管道上加設(shè)絕緣接頭可以減小管地電位?？偟膩?lái)說(shuō)，在建設(shè)管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮優(yōu)化站場(chǎng)的選址，合理的設(shè)置絕緣段。

4 總結(jié)與展望

由于高壓直流接地極單極大地運(yùn)行具有干擾程度高、發(fā)生時(shí)間不固定、干擾的極性不確定等特點(diǎn)導(dǎo)致人們無(wú)法通過(guò)單一的防護(hù)措施來(lái)緩解其對(duì)埋地管道的影響，需要通過(guò)多種防護(hù)措施組合的方式來(lái)達(dá)到緩解目的。目前國(guó)內(nèi)外就高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)管道干擾問(wèn)題的治理措施尚未形成系統(tǒng)成熟的規(guī)范性指導(dǎo)。主要難點(diǎn)仍在于達(dá)到最優(yōu)保護(hù)效果時(shí)的各種參數(shù)的設(shè)置及優(yōu)化防護(hù)措施。這些都需要借助人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)尋求防護(hù)措施的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以這些將是該領(lǐng)域未來(lái)的研究熱點(diǎn)方向及趨勢(shì)。