廣東地區(qū)天然氣埋地管道防高壓直流輸電接地極干擾措施及其緩解效果

曹國飛

(國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司西氣東輸分公司，上海 200120)

高壓直流輸電(HVDC)是近年來我國大力推進(jìn)的一種新型高效輸電技術(shù)，它有效緩解了國內(nèi)電力資源與用電需求不匹配問題，對推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到巨大的作用。隨著高壓直流輸電線路覆蓋程度的增高，高壓直流輸電接地極對臨近油氣管道的干擾越來越嚴(yán)重，引起了業(yè)者廣泛的關(guān)注[1-7]。

高壓直流輸電通常采用雙極對稱模式運(yùn)行，但在故障或維檢修時可能采用單極大地回路方式運(yùn)行，此時會有高達(dá)數(shù)千安培的直流電流通過大地導(dǎo)通，在接地極周邊會形成陽極電勢場或陰極電勢場。如果周邊的埋地金屬管道處于該電勢場影響范圍內(nèi)，管道就會受到直流干擾[1-2,7]。

高壓直流輸電接地極對管道及附屬設(shè)施造成的危害可以歸納為以下幾種[8-18]：1)受干擾管道的管件之間存在電位差，出現(xiàn)放電打火現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)燒蝕；2)管道設(shè)施對地直流電壓超過人體安全電壓，存在人身安全風(fēng)險；3)受干擾管道的陰極保護(hù)電源無法正常運(yùn)行，嚴(yán)重時導(dǎo)致電源燒毀；4)管道上的犧牲陽極加速消耗，未到設(shè)計壽命即發(fā)生失效；5)管道電位過負(fù)，可能造成高強(qiáng)鋼管道管體出現(xiàn)氫脆或氫致開裂；6)管道電位過負(fù)，可能出現(xiàn)防腐蝕層剝離、鼓泡等現(xiàn)象；7)管道上流出直流雜散電流的區(qū)域，管道開始腐蝕。

廣東地區(qū)是我國高壓直流輸電線路最密集的區(qū)域之一。因地質(zhì)條件等影響，廣東省境內(nèi)的西氣東輸天然氣管線受到強(qiáng)烈的高壓直流輸電干擾。為了掌握干擾情況，評價目前已有緩解措施的有效性，測試了廣東地區(qū)多個高壓直流輸電接地極對西氣東輸管道的干擾情況，希望借此推進(jìn)國內(nèi)高壓直流輸電干擾評價與緩解技術(shù)的進(jìn)步。

1 項目基本情況

目前，在廣東省內(nèi)有6個高壓直流輸電接地極在運(yùn)行[1](見圖1)。對廣東地區(qū)西氣東輸管道產(chǎn)生較嚴(yán)重干擾的高壓直流輸電接地極包括魚龍嶺接地極、大塘接地極以及翁源接地極。

圖1 廣東地區(qū)6個高壓直流輸電接地極與西氣東輸管道的位置關(guān)系

魚龍嶺接地極為云廣±800 kV、貴廣±500 kV高壓直流輸電線路增城換流站和深圳寶安換流站共用接地極。此接地極距管道最近距離約3.5 km，平均距離9.6 km左右。大塘接地極屬于天廣±500 kV高壓直流輸電線路，接地極中心距離廣南支干線最近約800 m，接地極外環(huán)距離管道不足100 m。翁源接地極屬于牛從±500 kV同塔雙回超高壓直流輸電線路，翁源接地極位于翁源縣壩仔鎮(zhèn)新梅村，距離西二線干線約7 km。

基于已有研究成果，管道業(yè)主方在西二線干線廣東段高壓直流干擾區(qū)域陸續(xù)實施了多項緩解防護(hù)措施，包括高壓直流干擾監(jiān)測、自動合閘保護(hù)裝置、分段絕緣、閥室接地網(wǎng)改造、增設(shè)大功率抗干擾的恒電位儀和陽極地床改造、鋪設(shè)鋅帶。

(1)高壓直流干擾監(jiān)測措施 為及時監(jiān)測高壓直流接地極對廣東段管道的干擾，陸續(xù)在管道相關(guān)位置安裝了高壓直流干擾的監(jiān)測裝置。

(2)自動合閘裝置 西二線11座閥室均安裝了自動合閘裝置。該裝置利用閥室地網(wǎng)作為排流床，主要用于閥室/站場內(nèi)。

(3)分段絕緣 對西二線干線進(jìn)行分段絕緣(加設(shè)3處絕緣接頭，將管道分為4段)，再進(jìn)行分段治理(在韶關(guān)站安裝陰保站1座，在154號閥室安裝陰保站1座)。該措施可減少HVDC干擾對西二線干線線路的干擾影響。

(4)閥室接地網(wǎng)改造 在西二線干線153號閥室至160號閥室安裝了非對稱型固態(tài)去耦合器(+0.5 V/-3.5 V)，并對閥室接地網(wǎng)進(jìn)行了改造:每個閥室沿圍墻鋪設(shè)犧牲陽極，閥室接地網(wǎng)與犧牲陽極相連。這樣可以減緩接地網(wǎng)的腐蝕，又可以減低閥室地網(wǎng)的整體接地電阻，從而確保排流效果。

(5)增設(shè)大功率抗干擾的恒電位儀和陽極地床改造 更換了大功率恒電位儀并對陽極地床進(jìn)行改造，以確保在故障大電流引起管道電位正偏移時能輸出較大電流，抑制管道電位的正偏移。

(6)鋪設(shè)鋅帶 在受干擾的管道沿線鋪設(shè)多處鋅帶，鋅帶直接與管道相連，總長度為29 km。在高壓直流干擾時，鋅帶既能起到排流作用，又可以作為犧牲陽極。

2 防干擾措施的有效性評價

根據(jù)Q/SYXQ 278-2020《高壓直流接地極干擾防護(hù)技術(shù)規(guī)范》對西二線干線廣東段的緩解措施進(jìn)行有效性評價。

(1)操作人員觸電安全限值要求 管道與大地之間的接觸電壓應(yīng)滿足人體安全電壓限值，一般情況下應(yīng)小于35 V。

(2)管體腐蝕安全限值要求 對于已建管線和高壓直流接地極，高壓直流干擾下管道腐蝕安全限值如表1所示。

表1 管道腐蝕安全限值

(3)閥室引壓管、絕緣接頭電弧和燒蝕安全條件 根據(jù)引壓管、絕緣卡套兩側(cè)電位差變化做如下調(diào)整：電位差小于4 V時，可不采取措施；電位差為4～10 V時，應(yīng)保證閥室內(nèi)相鄰引壓管的間距不小于10 mm；電位差大于10 V時，應(yīng)采取排流防護(hù)措施將引壓管、絕緣卡套兩側(cè)電位差降至10 V以下。

(4)陰極保護(hù)設(shè)備、電涌保護(hù)裝置損毀安全條件 陰極保護(hù)設(shè)備、浪涌保護(hù)裝置不應(yīng)發(fā)生損毀，不能影響正常工況下陰極保護(hù)的范圍，接地網(wǎng)不能泄漏陰極保護(hù)電流。

3 站場閥室防干擾措施的緩解效果

3.1 閥室自動合閘裝置

閥室安裝的自動合閘裝置屬于限壓等電位連接保護(hù)，在接地極放電時，一旦管地電位超過監(jiān)測的閾值電壓，自動合閘裝置啟動，將管道與接地網(wǎng)直接導(dǎo)通，降低管道與大地間的電位差，從而減低絕緣卡套兩端的電位差，起到保護(hù)絕緣卡套的作用。

南方電網(wǎng)大塘接地極放電時，自動合閘裝置啟動，持續(xù)時間約92 min，排流期間的最大排流量是1.33 A，如圖2所示。

圖2 大塘接地極放電時某自動合閘裝置的排流情況

表2為翁源接地極2 400 A陽極電流入地時，西二線干線廣東段153號至160號閥室自動合閘裝置閉合前后的管地電位(管地對地電位)和通過的電流。結(jié)果表明，自動合閘裝置閉合前，閥室和接地網(wǎng)絕緣，管地電位(即自動合閘裝置兩端的電位差)較大，自動合閘裝置閉合后，閥室和接地網(wǎng)電連通，管地電位降低，可有效避免引壓管打火放電風(fēng)險。這說明自動合閘裝置可有效降低管地電位。

表2 翁源接地極放電時自動合閘裝置閉合前后管地電位和通過的電流

3.2 閥室接地網(wǎng)改造

西二線干線安裝了非對稱型固態(tài)去耦合器(+0.5 V/-3.5 V)，并對閥室接地網(wǎng)進(jìn)行了改造，沿閥室圍墻鋪設(shè)犧牲陽極，閥室接地網(wǎng)與犧牲陽極相連，固態(tài)去耦合器連接前后的管道電位如表3所示。由表3可見，連接前后管道直流電位變化不明顯，交流電壓變化幅度較大，這是固態(tài)去耦合器通交隔直作用的結(jié)果。通交隔直作用可以排除交流雜散電流干擾，不漏失陰極保護(hù)電流，在高壓直流大電流干擾時，自動短接閥室、管道等關(guān)鍵部位，消除電位差，防止出現(xiàn)擊穿風(fēng)險。因此，改造后閥室接地網(wǎng)與犧牲陽極相連,可減緩接地網(wǎng)的腐蝕，降低接地網(wǎng)接地電阻，增強(qiáng)接地網(wǎng)排流效果。

表3 閥室接地網(wǎng)固態(tài)去耦合器連接前后管道電位

3.3 閥室安全設(shè)備

西二線干線接地極干擾區(qū)域內(nèi)的恒電位儀，配備了斷路保護(hù)裝置，當(dāng)與管道電氣連通端(包括輸出陰極、零位接陰)超過耐受電流、電壓時，斷路保護(hù)裝置能瞬間斷開設(shè)備與管道的電氣連接，實現(xiàn)物理電隔離，使接地極放電形成的高壓大電流失去進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的通道。待強(qiáng)干擾停止后，斷路保護(hù)裝置自動重新連接，恢復(fù)恒電位儀的工作狀態(tài)。

西二線干線配備了斷路保護(hù)裝置的恒電位儀，未發(fā)生因接地極放電引起設(shè)備本體損毀的狀況。

4 管線防干擾措施的緩解效果

管線的防干擾措施包括線路分段絕緣，陰極保護(hù)系統(tǒng)更換和增設(shè)大功率抗干擾恒電位儀、陽極地床改造，鋅帶鋪設(shè)等。在實施以上措施后，對管線防干擾措施的緩解效果進(jìn)行了評價。

4.1 管道電位分布

4.1.1 魚龍嶺接地極放電時

在2020年1月22日，魚龍嶺接地極發(fā)生故障性放電，放電極性為陰極放電，放電電流達(dá)1 100 A，持續(xù)90 min。

防干擾措施對魚龍嶺接地極放電時管道通電電位分布的影響見圖3。由圖3可見，采取防干擾措施前，監(jiān)測到魚龍嶺接地極陰極放電1 125 A時，管道最正通電電位為77.161 V，出現(xiàn)在KP4829測試樁處，最負(fù)通電電位為-12.455 V，出現(xiàn)在KP4760測試樁處；采取防干擾措施后，監(jiān)測到魚龍嶺接地極陰極放電1 100 A時，管道最正通電電位為7.88 V，出現(xiàn)在KP4833測試樁處，最負(fù)通電電位為-17.837 V，出現(xiàn)在KP4814測試樁處，滿足緩解目標(biāo)±35 V的要求。按相同放電等比例換算，采取防干擾措施后，最正通電電位下降89.8%，出現(xiàn)最負(fù)通電電位的KP4814測試樁處為管道受干擾最嚴(yán)重的位置。盡管接地極附近的鋅帶降低了其附近管道雜散電流的流出，但增加了整體雜散電流的流出，進(jìn)而增大了158號閥室絕緣接頭下游電流流入，使此處成為受干擾程度最大的位置。

圖3 防干擾措施對魚龍嶺接地極放電時管道通電電位分布的影響

采取防干擾措施前，魚龍嶺接地極對此段管道的干擾規(guī)律呈現(xiàn)為一個流入段和一個流出段，靠近接地極的管段受干擾程度遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離接地極管段的；采取防干擾措施后，干擾規(guī)律呈現(xiàn)為多個流入段和流出段，靠近接地極的管段受干擾程度趨于平緩，干擾水平與遠(yuǎn)離接地極管段相當(dāng)。

防干擾措施對魚龍嶺接地極放電時管道斷電電位分布的影響見圖4。由圖4可知，采取防干擾措施前，魚龍嶺接地極陰極1 125 A放電時，此段管道斷電電位為-1.369～1.906 V，斷電電位的波動幅度為3.275 V，欠保護(hù)管段59 km，過保護(hù)管段70.5 km，正常保護(hù)管段55.5 km；采取防干擾措施后，魚龍嶺接地極陰極1 100 A放電時，此段管道斷電電位為-1.603～0.567 V，其波動幅度為2.17 V，欠保護(hù)管段55 km，過保護(hù)管段79 km，正常保護(hù)管段51 km。由采取防干擾措施前后斷電電位分布可見，分段絕緣、閥室接地網(wǎng)改造及加裝鋅帶使管段斷電電位波動幅度明顯減小，由3.275 V減小為2.17 V，且斷電電位正向偏移得到有效抑制，可有效降低管道腐蝕速率。防干擾措施并未延長正常保護(hù)管段的長度。這是因為分段絕緣后西二線干線變化為多個流入流出段，而已安裝排流設(shè)施未能將新增流入流出位置的斷電電位有效限制在-0.85～-1.2 V的正常保護(hù)區(qū)間。但管道斷電電位峰值實現(xiàn)了大幅降低。若要實現(xiàn)西二線干線正常保護(hù)，仍需在現(xiàn)有措施基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加防干擾措施。

圖4 防干擾措施對魚龍嶺接地極放電時管道斷電電位分布的影響

4.1.2 翁源接地極放電時

2020年1月6日，翁源接地極發(fā)生故障性放電，放電極性為陽極放電，放電電流達(dá)1 100 A，持續(xù)60 min。

防干擾措施對翁源接地極放電時管道通電電位分布的影響見圖5。采取防干擾措施前，翁源接地極陰極1 600 A放電時，管道最正通電電位為139.96 V，出現(xiàn)在KP4709測試樁處，最負(fù)通電電位為-32.42 V，出現(xiàn)在KP4833測試樁位置；采取防干擾措施后，翁源接地極陽極1 100 A放電時，最正通電電位為11.658 V，出現(xiàn)在KP4675測試樁位置，最負(fù)通電電位為-15.70 V，出現(xiàn)在KP4691測試樁位置，全段管道通電電位均得到有效降低，并滿足緩解目標(biāo)±35 V的要求。按相同放電等比例換算，最大通電電位下降83.7%，受干擾程度最大的位置向韶關(guān)方向偏移，出現(xiàn)在KP4691測試樁處。采取防干擾措施前，翁源接地極對此段管道的干擾規(guī)律呈現(xiàn)為一個流入段和兩個流出段，靠近接地極管段受到的干擾遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離接地極管段的；采取防干擾措施后，干擾規(guī)律呈現(xiàn)為多個流入段和流出段，靠近接地極管段受到的干擾趨于平緩，受干擾程度與遠(yuǎn)離接地極管段的相當(dāng)。

圖5 防干擾措施對翁源接地極放電時管道通電電位分布的影響

防干擾措施對翁源接地極放電時管道斷電電位分布的影響見圖6。在翁源接地極陽極放電1 100 A時，采取防干擾措施的此段管道的斷電電位為-1.286～1.124 V，正常保護(hù)管段48.5 km，欠保護(hù)管段97.5 km，過保護(hù)管段39 km。

圖6 防干擾措施對翁源接地極放電時管道斷電電位分布的影響

4.2 腐蝕速率

根據(jù)管道沿線布設(shè)的電阻式探頭采集的腐蝕速率數(shù)據(jù)，對管道沿線防干擾措施的有效性進(jìn)行評價。由表4可見，采取防干擾措施后，腐蝕速率比采取措施前的出現(xiàn)明顯下降，說明防干擾措施取到一定的緩解效果。

表4 采取防干擾措施前后管道的腐蝕速率

5 結(jié)論

(1)采取閥室自動接地合閘裝置后，閥室絕緣卡套兩側(cè)電位差過大問題得到一定程度的緩解，可降低引壓管打火放電的風(fēng)險。

(2)在閥室安裝了非對稱型固態(tài)去耦合器(+0.5 V/-3.5 V)并對閥室接地網(wǎng)進(jìn)行改造，可減緩接地網(wǎng)的腐蝕，降低接地網(wǎng)接地電阻，增強(qiáng)接地網(wǎng)排流效果，當(dāng)出現(xiàn)高壓直流大電流干擾時，固態(tài)去耦合器自動短接閥室、管道等關(guān)鍵部位，消除電位差，減少擊穿風(fēng)險。

(3)在受干擾區(qū)域內(nèi)的恒電位儀上配備斷路保護(hù)裝置，可以防止因接地極放電引起設(shè)備損毀的情況。

(4)在干線管道實施分段絕緣措施使受干擾管道由一個流入段和流出段，變?yōu)槎鄠€流入段和流出段，使最大通電電位降低。

(5)對受干擾管段采取鋪設(shè)鋅帶、分段絕緣、閥室接地網(wǎng)改造等防干擾措施后，最大通電電位可有效降低。

(6)采取防干擾措施后，受干擾管段的腐蝕速率明顯降低，管道的腐蝕情況得到一定程度緩解，長期防護(hù)效果尚待持續(xù)觀察。

(7)管道方所采取的防干擾措施都是被動的防護(hù)，投資大、防護(hù)效果難以保障。保證接地極與管道之間的安全距離、減少接地極的放電次數(shù)和放電電流，以及控制接地極放電時長，才能從根源上解決高壓直流輸電接地極對埋地鋼質(zhì)管道的干擾影響。