應用固態(tài)去耦合器減緩交流干擾的效果評價

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(1. 西南石油大學 石油與天然氣工程學院，成都 610500；2. 中國石油管道科技研究中心 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，廊坊 065000)

應用固態(tài)去耦合器減緩交流干擾的效果評價

宋曉琴1,王文強1,藍衛(wèi)2,徐承偉2

(1. 西南石油大學 石油與天然氣工程學院，成都 610500；2. 中國石油管道科技研究中心 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，廊坊 065000)

受高壓交流輸電線路接地極影響，三層聚乙烯防腐蝕層(3LPE)管道容易受到較強的交流干擾，通常采取“固態(tài)去耦合器+接地極”的減緩措施。通過對交流減緩效果、陰極保護效果、排流影響范圍、直流漏流量等現(xiàn)場參數(shù)進行測試，全面介紹了一種固態(tài)去耦合器性能評價方案，并指出現(xiàn)有固態(tài)去耦合器在使用過程中存在過度設計及故障電流下銅接地極易出現(xiàn)電偶腐蝕等風險。

固態(tài)去耦合器；交流減緩；接地極；陰極保護

隨著經濟的迅速發(fā)展，高壓輸電線路及埋地鋼質管道在“公共走廊”內長距離并行和交叉的現(xiàn)象逐漸增多[1-3]。當鋼質管道與高壓線桿塔之間的距離小于安全距離且采用高絕緣性能的3LPE防腐蝕層時，管道容易因電磁感應耦合等因素而受到嚴重交流干擾。國內外相關標準主要通過測量交流電位及交流電流密度等參數(shù)來判斷干擾程度，并提出相應的減緩措施，以降低管道的交流腐蝕風險[4-5]。目前常用的減緩方式有直接接地、犧牲陽極接地及固態(tài)去耦合器接地等[6-7]。與其他排流方式相比，“固態(tài)去耦合器+接地極”的排流方式具有抗雷電和故障電流效果好、陰極保護電流損失少、啟動電壓低等優(yōu)點。固態(tài)去耦合器已在國內研制成功并在工程實踐中廣泛應用，但缺乏對固態(tài)去耦合器性能評價、陰極保護運行影響評價及管道排流有效性評價等方面的研究。

目前，國內外相關標準僅提出了交流干擾的減緩目標，均未涉排流效果評價的相關內容。GB/T 50698-2011《鋼質埋地管道交流干擾預防技術標準》指出：1) 排流設施不得對管道陰極保護有效性造成影響；2) 排流評價點的選取原則；3) 排流前后測試過程、方法及設備的統(tǒng)一性原則；4) 在土壤電阻率不大于25 Ω·m的區(qū)域，管道交流干擾電壓低于4 V；在土壤電阻率大于25 Ω·m的區(qū)域，交流電流密度小于60 A/m2；5) 在安裝陰極保護管道上的持續(xù)干擾電壓和瞬間干擾電壓應低于相應設備所能承受的抗工頻干擾電壓和抗電強度指標，并滿足安全接觸電壓的要求。NACE SP 0177-2014提出“交流及雷電保護設計考慮因素應包括穩(wěn)態(tài)條件和故障條件，應明確減緩措施及目標”。國內外標準中缺乏后評價檢測內容，易使管道管理單位忽視對固態(tài)去耦合器性能及其對陰極保護效果的評價。本工作介紹了一種固態(tài)去耦合器的評價方案。

1 固態(tài)去耦合器工作原理及性能指標

目前常用固態(tài)去耦合器的類型主要有二極管模式和晶閘管模式[8]，內部電子元件主要包括二極管(晶閘管)、電容及浪涌保護裝置等。其中,二極管(晶閘管)主要起隔斷/導通直流電流功能；電容主要起導通交流電流功能，穩(wěn)態(tài)交流電流通過電容及接地地床由管道流向大地；浪涌保護裝置與電容器或二極管(晶閘管)并聯(lián)，主要由氣體放電管構成，導通雷電等大電流。

目前國內外尚未有標準對固態(tài)去耦合器的技術參數(shù)進行規(guī)范，僅有生產廠家提出去耦合器的主要技術參數(shù)及指標要求。表1為某廠家產去耦合器的主要技術參數(shù)，包含閾值電壓、直流泄流量、交流故障電流、穩(wěn)態(tài)交流電流及雷電沖擊通流容量能力等。

表1 常見固態(tài)去耦合器的主要技術參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of common solid state decoupler

2 固態(tài)去耦合器減緩交流干擾效果評價

固態(tài)去耦合器減緩交流干擾效果的主要評價內容有：1) 固態(tài)去耦合器交流排流效果評價；2) 排流點位置對上下游管道交流干擾影響評價；3) 固態(tài)去耦合器直流漏流量評價；4) 交流干擾管段陰極保護有效性評價；5) 開展去耦合器接地極性能評價等。

3 固態(tài)去耦合器排流效果檢測實例

某成品油管道，管徑為φ710 mm，采用3LPE外防腐蝕層，交流干擾主要集中在K514～K556測試樁，干擾管段總長約40 km。兩處干擾源為路由與管道交叉的220 kV和500 kV高壓交流輸電線路，交叉位置分別為K530+217 m與K542+628 m處。兩處固態(tài)去耦合器安裝位置為K528-300 m和K542+573.7 m處。所選用的固態(tài)去耦合器為晶閘管、電容及浪涌保護器并聯(lián)的結構。固態(tài)去耦合器的性能指標見表1，排流點接地極均采用截面積為35 mm2的裸銅線，長度為200 m，平行于管道鋪設，距離為3 m。

3.1 交流干擾減緩效果評價

圖1 固態(tài)去耦合器關閉及運行時交流干擾對比Fig. 1 AC interference comparison of the closing and running time of solid state decoupler

由圖1可見:兩臺固態(tài)去耦合器關閉時,在K529及K542測試樁處管道的干擾強度最大，兩處的土壤電阻率分別為14.6 Ω·m和24.8 Ω·m，計算可知平均交流電流密度分別為439.9 A/m2和290.8 A/m2，屬于“強”干擾，兩處干擾源干擾較強的影響范圍分別為K522～K536測試樁及K539～K550測試樁。兩臺固態(tài)去耦合器工作后,管道整體交流干擾明顯受到抑制，尤其以K529及K542測試樁附近處管道減緩效果為最佳，減緩后平均交流電壓1.24 V和1.10 V，減緩率分別達到95.8%和96.2%(見圖2)。固態(tài)去耦合器雖然能使得排流點處交流干擾電壓明顯下降，卻使得去耦合器上下游交流干擾明顯增加，如圖1中K530～K536管段，交流電壓仍在10 V以上。根據標準要求，此處需要進一步增設排流點，使得全段滿足交流電壓小于4 V的要求。

圖2 固態(tài)去耦合器運行時交流干擾減緩效果Fig. 2 Effect of AC interference during the operation of solid state decoupler

3.2 固態(tài)去耦合器性能評價

由表2可見：K528-300 m和K542+573.7 m兩處交流排流量均遠小于穩(wěn)態(tài)交流電流額定值，排流能力良好，觸摸去耦合器外殼，未發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。直流漏流量測試結果表明，在去耦合器端子電壓-2～2 V的工作范圍內，僅K528-300 m處的漏流量小于1 mA，而K542+573.7 m處去耦合器漏流量為-2.79 mA，雖不滿足小于1 mA的技術參數(shù)要求，但由于整體漏流量較小且未達到直流導通狀態(tài)，現(xiàn)場初步判斷內部晶閘管性能可能退化，具體原因需要實驗室進一步測試分析。此外，兩處去耦合器的內阻和1 mA極限漏流量時閾值均滿足技術要求。

表2 固態(tài)去耦合器性能測試結果Tab. 2 Field performance test of solid state decoupler

3.3 陰極保護有效性評價

在管道外檢測過程中，若固態(tài)去耦合器未與接地極斷開會造成斷電電位的測量結果產生誤差。固態(tài)去耦合器中內存在電容元件，起到“隔直通交”的作用。管道陰極保護系統(tǒng)運行期間，管道與接地極之間的電位差會給電容持續(xù)充電。斷電測試時，電容會瞬間放電，使得電流通過接地極進入管道附近的土壤環(huán)境中，一旦周圍有防腐蝕層破損點，電流會從此處流入。電容器的放電量還沒有衰減到可以忽略不計就進行測試，會造成斷電電位的測量值比真實值偏負，這是因為測量值包含電容放電流經土壤的IR降。圖3為兩處去耦合器在0.1 A電流下充電48 h后放電過程中附近測試樁記錄的管地電位，可以看到在500 min內電位波動較大，且電位波動隨放電時間的延長變小，這可能是由相鄰連接管道上的多個去耦合器中的電容元件來回充放電導致的。放電一段時間后，斷電電位才趨于穩(wěn)定。SEGALL等[9]曾對比研究了固態(tài)去耦合器運行及關閉兩種工況下對斷電電位測試結果的影響，顯示在固態(tài)去耦合器運行時，所測得的斷電電位較斷開時更負，且需經過較長的衰減放電過程，兩條斷電電位測試曲線才趨于一致。

圖3 固態(tài)去耦合器放電過程中管地電位變化Fig. 3 The change of pipe-to-earth potential during discharge of solid state decoupler

固態(tài)去耦合器放電造成的干擾會對沿線陰極保護測試帶來負向誤差，為了減小去耦合器放電對陰極保護有效性評價的影響，推薦根據SY/T 0029-2012標準推薦的極化探頭或埋設檢查片的方式進行陰極保護評價，并根據試片失重情況計算陰極保護率和腐蝕速率，結果見表3。由表3可見:交流干擾管段陰極保護依然有效，陰極保護下管道的腐蝕速率均低于0.01 mm/a，達到了陰極保護標準的要求。陰極保護率均高于標準要求的不低于85%的指標。

表3 陰極保護效果評價結果Tab. 3 Evaluation results of cathodic protection effect

4 討論

4.1 交流干擾排流設計

交流干擾管段的排流效果取決于排流點位置、接地極的接地電阻及防腐蝕層質量等因素。由固態(tài)去耦合器運行與關閉時測得管道上下游交流電位，可知K528-300 m和K542+573.7 m兩處的固態(tài)去耦合器雖然能顯著抑制排流點附近的管道交流干擾，但影響的區(qū)域十分有限。圖1顯示在兩處排流點的中間區(qū)域(K530～K536)排流后交流電壓仍在10 V以上，交流減緩率遠遜于排流點附近的減緩效果。PCM檢測結果顯示在K528-300 m附近的排流點處的防腐蝕層漏點較多，通過接地極排出的交流電流在防腐蝕層漏點處重新進入管道造成“二次干擾”，需要重新設計新的去耦合器位置。

在管道的交流干擾排流中，應綜合現(xiàn)場的干擾情況，采取分步設計與施工，再輔以干擾同步測試的方法，才能達到交流減緩的要求。對于距離較長且排流點較少的管段，文獻報道可以采用如下理論公式進行排流設計[10-11]

式中：Vo為排流前管道交流電壓，V；Vmit為緩解目標電壓，V；Z為管道特征阻抗，Ω；R為接地極的接地電阻。針對某一管道，管道特征阻抗為固定值，當確定目前交流干擾電壓和減緩后的目標電壓(通常為4 V)后，可以推斷此時的接地電阻，從而對接地極的長度或深度進行計算。對于干擾情況復雜的管段，則可以通過收集現(xiàn)場的交流電壓、交流干擾密度及土壤電阻率等參數(shù)，采用專業(yè)軟件(如SES-CDEGS)來進行干擾減緩方案的設計。

在管道的交流減緩設計中，既要避免排流點位置設計不當造成排流點遠處管道交流電壓升高的現(xiàn)象，更要避免排流器過度設計的情況。目前新建管道的交流干擾減緩設計中，突出存在固態(tài)去耦合器排流點及接地極過度及超前設計的現(xiàn)象，其中新建管道通常每間隔幾十公里，在站場(閥室)絕緣接頭外側，或者與交流輸電線路、電氣化鐵路交叉平行時就會安裝固態(tài)去耦合器。排流點的設置，接地極的規(guī)模，與管道之間的距離通常根據設計者以往的經驗和現(xiàn)場施工條件隨意設置。而埋地管段的交流干擾強度主要取決于管道與交流輸電線路等干擾源的位置關系。交流減緩設計仍應以前期的建模為主，根據后期實測的現(xiàn)場參數(shù)優(yōu)化排流點，盡量在合理的工程投資下取得最良好的效果。

4.2 固態(tài)去耦合器安裝時存在的問題

(1) 固態(tài)去耦合器故障短路時與銅接地極之間存在電偶腐蝕的風險。目前固態(tài)去耦合器通常采用銅導線作為接地極，這是因為銅接地具有使用效果良好、自腐蝕速率低等優(yōu)點[11]。但是固態(tài)去耦合器遭受雷電等大電流時，會處于交、直流故障導通狀態(tài)，從而存在管道與銅接地之間發(fā)生電偶腐蝕的風險。此外，銅導線在得不到外來電流保護且埋設在氧濃度高且潮濕的土壤環(huán)境中時，易在表面生成綠色的銅銹，顯著降低接地效果。

(2) 去耦合器上的殘余電壓及兩端銅引線的感應電壓易使絕緣接頭兩端電壓差超過耐受電壓，造成其電擊穿。安裝時應盡量減少去耦合器與絕緣接頭相連的銅引線的長度。

5 結論及建議

探討了固態(tài)去耦合器減緩交流干擾技術的內容，主要包括以下幾項關鍵技術：1) 固態(tài)去耦合器交流排流效果評價；2) 排流點位置對上下游管道交流干擾影響評價；3) 固態(tài)去耦合器直流漏流量評價；4) 交流干擾管段陰極保護有效性評價；5) 去耦合器接地極性能評價。并根據減緩實例及設備指標要求提出相應的測試參數(shù)、關鍵技術指標和影響因素。

由于過度設計固態(tài)去耦合器排流器,在減緩交流干擾的前提下，會給管道陰極保護評價帶來不利影響。在雷電等故障電流沖擊下，固態(tài)去耦合器可能處于導通狀態(tài)，使用銅接地極可能會導致管道發(fā)生電偶腐蝕，應在開展減緩交流干擾評價技術的同時加強對排流效果的跟蹤檢測。

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EffectEvaluationofSolidStateDecouplerUsedforMitigotionofACInterference

SONG Xiaoqing1, WANG Wenqiang1, LAN Wei2, XU Chengwei2

(1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;2. National Engineering Laboratory of Transportation Safety of Oil & Gas Pipeline, PetroChina PipelineR & D Center, Langfang 065000, China)

“Solid state decoupler + copper grounding”, as a common AC mitigation measurement, is often used in underground pipelines which are coated with three layer polyethylene coating and affected by grounding of adjacent high voltage AC transmission lines. A comprehensive solid state decoupler evaluation is introduced by means of the field parameter test of AC mitigation performance, cathodic protection and DC leakage. The risk of excessive design and copper grounding prone to galvanic corrosion is also pointed.

solid state decoupler； AC mitigation； grounding； cathodic protection

10.11973/fsyfh-201711014

TE988

B

1005-748X(2017)11-0885-04

2016-03-20

王文強(1982-)，碩士研究生，從事管道腐蝕與防護專業(yè)，17731601027，17731601027@163.com