張朝暉

中原油田分公司油氣儲運中心

近年來(lái)，廣東地區新建投運了一批直流超高壓輸電線(xiàn)路，在單極運行時(shí)將大地作為回路介質(zhì)，對輸氣管道陰極保護系統造成了嚴重的影響。程明等人通過(guò)分析得出，貴廣二回500kV高壓直流輸電系統、800kV云廣特高壓直流輸電工程共用的魚(yú)龍嶺接地極的入地電流對西氣東輸二線(xiàn)埋地鋼質(zhì)管道產(chǎn)生影響，預測管道防腐層發(fā)生陰極剝離及管體重大腐蝕的可能性較低，管道陰極保護電位偏移較大，導致陰極保護電源設備運行異常[1]。接地極單極運行時(shí)，輸氣管道受到強干擾，只能將恒電位儀關(guān)機，待輸電線(xiàn)路正常運行后再投運。

1 基本情況

1.1某輸氣管道防腐概況

管道全長(cháng)466.66km，管徑916mm，采用3PE防腐層+強電流陰極保護措施，沿線(xiàn)設線(xiàn)路陰極保護站8個(gè)，其中在鰲頭站、廣州站、三水站、石角閥室等處設置了線(xiàn)路絕緣，清遠分輸閥室、潼湖閥室設置了干線(xiàn)與支線(xiàn)間的絕緣（見(jiàn)圖1）。站場(chǎng)內區域陰保均采用強電流保護。

1.2直流輸電系統接地極概況

廣東地區在役直流輸電線(xiàn)路共7條，接地極共5個(gè)。距廣東天然氣管網(wǎng)輸氣管道較近、影響較大的有如下三個(gè)，其與管網(wǎng)的位置如圖1。

翁源接地極。牛從±500kV直流輸電，總容量單回320萬(wàn)千瓦，雙回共計640萬(wàn)千瓦，故障狀態(tài)下最大入地電流6400A。

魚(yú)龍嶺接地極。是云廣±800kV和貴廣II回±500kV直流輸電線(xiàn)路增城穗東換流站和深圳寶安換流站共用接地極，故障狀態(tài)下最大入地電流3425A。

大塘接地極。故障狀態(tài)下最大入地電流1800A。

 

圖1 高壓直流輸電接地極與廣東管網(wǎng)管道相對位置圖

  2 干擾影響及特征

  2.1接地極干擾對輸氣管道及設備的影響

  在管道運行中，多次發(fā)生鰲-廣線(xiàn)管道、從化分輸站站內管道及設備陰極保護恒電位儀在未開(kāi)機情況下被燒毀的情況（圖2）；鰲頭站、廣州分輸站等四座輸氣站場(chǎng)的進(jìn)出站管道絕緣接頭兩端的5個(gè)等電位連接器也受到強電流的干擾被燒毀（圖3）；從化分輸站、三水分輸站的越站閥及線(xiàn)路截斷閥的引壓管絕緣接頭被燒毀（圖4）；同時(shí)也發(fā)現BV閥個(gè)別引壓管之間有電弧灼燒痕跡，甚至在BV閥和埋地鋼質(zhì)護管套管之間也存在打火、金屬附屬設施被電弧熔接到一起的情況（圖5）。據分析，發(fā)生恒電位儀燒毀的原因，是大地內流入電流超過(guò)恒電位儀元器件額定參數，使元器件產(chǎn)生過(guò)熱現象。發(fā)生打火、熔接現象，是接地極放電時(shí)，輸氣管道的電位升高（或者降低），由于絕緣接頭的存在，絕緣接頭兩端管道或者管道與本地設備之間形成高的電壓差，在兩者距離接近的情況下產(chǎn)生電弧。

   

圖2 恒電位儀被燒毀      圖3 等電位連接器被燒毀

   

圖4  BV閥引壓管絕緣接頭被燒毀      圖5  BV閥與信號線(xiàn)套管之間放電熔接

  2.2 干擾源分析

直流輸電系統可以采用雙極和單極兩種運行方式。在雙極運行方式中, 利用正負兩極導線(xiàn)和兩端換流站的正負極相連, 構成直流側的閉環(huán)回路。在雙極對稱(chēng)運行時(shí)，接地極入地電流在額定電流的1%以?xún)�；當雙極不對稱(chēng)運行時(shí), 流過(guò)接地極的電流為兩級運行電流之差。在單極大地返回運行方式中, 流過(guò)接地極的電流即為直流輸電運行電流。以魚(yú)龍嶺接地極為例，其入地電流見(jiàn)表1。

從上表看出，接地極運行時(shí)的入地電流很強。

2.3干擾特征

以下為部分站場(chǎng)和閥室在魚(yú)龍嶺接地極陰極運行電流為145A～3002A時(shí)的監測記錄（圖6—圖11）。

      

圖6 鰲頭去清遠方向出站電位         圖7 鰲頭去從化方向出站電位

    

圖8 從化站站內外電位          圖9 廣州站進(jìn)站處站內外電位

  

圖10 清遠分輸閥室支干線(xiàn)絕緣接頭處電位         圖11 三水站上下游電位

 

 

 

圖14 魚(yú)龍嶺接地極放電2400A時(shí)各站（閥室）電位情況圖

可以看出，魚(yú)龍嶺接地極單極運行3000A時(shí)，鰲頭首站出站往清遠方向至石角閥室，鰲頭首站出站往從化方向至廣州站段管道的站場(chǎng)及閥室受到干擾影響較大。其中，鰲頭往清遠方向管道電位偏移最大，達到+49V。對其他段管道和閥室影響較小，但在石角閥室絕緣接頭處下游、三水站絕緣接頭上下游位置電位有一定的偏移。

為綜合確定干擾程度，分別對站場(chǎng)絕緣接頭跨接處的電流進(jìn)行檢測，表3為魚(yú)龍嶺接地極陰極放電3000A時(shí)的檢測結果。

 

圖15 魚(yú)龍嶺接地極干擾影響范圍示意圖（紅色為干擾嚴重區）

綜合以上測試結果，魚(yú)龍嶺接地極對廣東管網(wǎng)管道干擾主要有以下幾個(gè)方面（圖15、16）：

（1）魚(yú)龍嶺接地極放電時(shí)，受干擾最嚴重的管段為鰲頭首站至石角閥室段管道和鰲頭首站至廣州站段管道。

（2）魚(yú)龍嶺接地極放電對石角閥室下游至三水站至永安閥室段管道和廣州站至朱村閥室段管道的影響，主要表現在：使得石角閥室干線(xiàn)絕緣接頭、三水站干線(xiàn)絕緣接頭和廣州出站絕緣接頭兩端的電壓差增大，電流流入和流出的位置主要在絕緣接頭處。

（3）魚(yú)龍嶺接地極陰極運行正極放電時(shí)，靠近接地極位置的管道流出電流，管道電位向正方向偏移；遠離接地極位置管道流入電流，管道電位往負方向偏移。隨著(zhù)接地極流出電流增加，靠近接地極位置管道正向偏移增大，遠離接地極位置管道負向偏移增大，同時(shí)各站場(chǎng)絕緣接頭兩端的電壓差也增大。

 

圖16 魚(yú)龍嶺接地極陰極放電時(shí)干擾嚴重管段電流流入流出分界點(diǎn)示意圖

（4）陰極放電時(shí)，受干擾嚴重兩個(gè)管段的電流流入和流出的分界點(diǎn)分別為離清城閥室3-4km公里處和離鰲頭站15-16km處。圖中黑色線(xiàn)代表的管道為電流流入管段，紅色線(xiàn)代表的管道為電流流出管段。

（5）站場(chǎng)接地與管道跨接斷開(kāi)實(shí)驗表明，管道與接地網(wǎng)直接連接時(shí)，部分從防腐層流入和流出的電流會(huì )轉移到接地網(wǎng)上，通過(guò)接地網(wǎng)流入和流出，能降低管道的電位和絕緣接頭的電壓差，但是仍有大量的電流通過(guò)防腐層流入和流出。由于接地網(wǎng)接地電阻較小，整體流出的電流增加，造成遠端吸收的電流也增加，使得管道電位負向偏移量增加。

（6）魚(yú)龍嶺接地極放電電流在2400A以?xún)葧r(shí)，對石角閥室下游至永安閥室段管道和廣州出站至朱村閥室段管道的影響不大。

總體上來(lái)看，直流輸電系統接地極運行時(shí)的影響范圍大，干擾可達到50公里以上，有的甚至可達上百公里，跟接地極周?chē)�的土壤電阻率和各地層電阻率都有很大關(guān)系，在土壤電阻率大，接地極接地電阻比較大的時(shí)候，影響距離會(huì )更遠。也與輸氣管道絕緣接頭的設置有一定關(guān)系，在管道絕緣接頭之間距離短時(shí)，范圍會(huì )減小。在干擾強度較大的情況下，輸氣管道電位偏移劇烈，且隨接地極入地電流大小變化而變化。同時(shí)，干擾方向隨接地極入地電流極性變化而變化。

3  應對措施及效果

3.1研制并應用強干擾保護器

針對強干擾燒毀恒電位儀的問(wèn)題，研制了恒電位儀強干擾保護器，通過(guò)切斷恒電位儀與管道等外部的電氣聯(lián)系，達到保護恒電位儀的目的。該設備在恒電位儀運行過(guò)程中能及時(shí)檢測到陰極輸出/輸入電流、陰極和陽(yáng)極之間電壓以及參比電極和零位之間的電壓，能及時(shí)直觀(guān)的判斷外界干擾強度的大��；強直流干擾時(shí)，切斷恒電位儀與被保護設備的電氣連接，保護了恒電位儀不被損壞。操作人員通過(guò)觀(guān)測干擾電壓來(lái)判斷外界干擾是否消除，從而能夠及時(shí)恢復啟用恒電位儀，提高了陰極保護系統運行效率。

經(jīng)現場(chǎng)使用，該設備在干擾產(chǎn)生時(shí)能自動(dòng)報警并切斷電源，有效保護了恒電位儀，降低了工人的勞動(dòng)強度，提高了恒電位儀的運行時(shí)間和輸氣管道的陰極保護運行率。

在發(fā)現越站BV閥引壓管絕緣接頭和等電位連接器被燒毀后，為防止發(fā)生安全事故，當時(shí)采取了將閥體接地的臨時(shí)措施，以防止引壓管兩端產(chǎn)生電壓。同時(shí)將出入站絕緣接頭的等電位連接器短接，使干擾電流直接導入站內地網(wǎng)。

3.2應用去耦合器替代等電位連接器

為保證輸氣管道安全運行，保護絕緣接頭不被電壓差擊穿燒毀，防止出現絕緣接頭兩端的高電壓差對操作人員可能造成的危險，根據前期研究確定的管道電位偏移量、電流流入流出分界點(diǎn)等數據綜合分析，采用去耦合器作為絕緣接頭的等電位連接。使用后對恒電位儀的日常運行沒(méi)有影響。在直流輸電系統接地極放電時(shí)，站場(chǎng)未出現大的干擾，說(shuō)明去耦合器已經(jīng)導通，起到了等電位的作用。放電后，檢查去耦合器，外觀(guān)完好，功能正常。

4  結論與建議

研究結果表明，直流輸電系統接地極單極放電時(shí)，干擾可達到50公里以上，有的甚至可達上百公里（視接地極周邊土壤及地層情況而定）。鰲頭首站出站往清遠方向至石角閥室和鰲頭首站出站往從化方向至廣州站段管道的站場(chǎng)及閥室受到干擾影響較大。同時(shí)，在干擾強度較大的情況下，管道電位偏移劇烈，且隨接地極入地電流大小變化而變化。干擾方向隨接地極入地電流極性變化而變化。應用強電流干擾保護器、去耦合器等措施，能有效消除接地極放電時(shí)輸氣管道恒電位儀燒毀、BV閥絕緣接頭打火、設備間熔接等安全問(wèn)題和隱患。

但以上措施只是解決了安全問(wèn)題。在強電流干擾時(shí)，管道的其他部位還是有較高的對地電位，管道受到正向干擾的部分是被強制腐蝕的，因此仍需采取下列措施：

（1）擴大去耦合器的使用范圍。為防止其他站場(chǎng)和閥室發(fā)生類(lèi)似事故，建議將受干擾比較嚴重的閥室站場(chǎng)的等電位連接器全部更換為去耦合器。

（2）為防止干線(xiàn)陰保電流的流失，建議所有閥室的儀表均通過(guò)去耦合器接地。

（3）制定更加嚴格的排流措施，比如沿管道鋪設更長(cháng)的鋅帶，從而對管道形成屏蔽，保證接地極放電時(shí)，管道各處依然受到陰極保護。

（4）研制能雙向輸出的恒電位儀，并能輸出更大電流，在干擾發(fā)生時(shí)進(jìn)行強力抑制。

（5）采取分段隔離的方法，在設計前做好充分的調查，設計時(shí)縮短干線(xiàn)陰保距離，可以有效降低干擾強度，為治理打下較好的基礎。 

參考文獻：

[1]程明，張平.魚(yú)龍嶺接地極入地電流對西氣東輸二線(xiàn)埋地鋼質(zhì)管道的影響分析[J].天然氣與石油,2010,28(5):22-26. 

作者：張朝暉（1965.11），男，工程師，畢業(yè)于石油大學(xué)（華東），現主要從事天然氣輸氣管道陰極保護管理。 

《管道保護》2016年第6期（總第31期）