胡上茂,劉剛,廖民傳,劉青松,賈磊,吳泳聰,屈路,張義,蔡漢生
(1. 直流輸電技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院),廣州 510663;2. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心,廣州 510663)
隨著能源經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,高壓直流輸電工程和埋地油氣管網(wǎng)在中國(guó)的覆蓋程度越來(lái)越高[1-2]。未來(lái),隨著“雙碳”目標(biāo)的落實(shí),還會(huì)有許多已規(guī)劃的直流輸電工程[3]。由于地理?xiàng)l件的限制,直流輸電和油氣管網(wǎng)“公共走廊”而引起的相互干擾問(wèn)題更加突出[4-5]。高壓直流輸電一般采用雙極運(yùn)行,在故障或者設(shè)備檢修時(shí),會(huì)轉(zhuǎn)化為單極大地運(yùn)行。此時(shí),會(huì)有數(shù)千安培的電流流入大地,引起的地電位升高會(huì)使接地極周?chē)耐寥喇a(chǎn)生電壓差,若埋地管道位于這一電壓差中,管道的不同段可以吸收、傳導(dǎo)或釋放接地極的入地電流[6-7]。在管道電流流出的位置,將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕和危害[8-9],使得接地極對(duì)油氣管道的影響問(wèn)題越來(lái)越引起研究者的廣泛關(guān)注。
面對(duì)高壓直流干擾問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算開(kāi)展了大量的研究,取得了很多研究成果[10-11]。如顧清林[12]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得出華南地區(qū)接地極干擾較華東、華中及西北地區(qū)的干擾程度大的結(jié)論;秦潤(rùn)之[13]等通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)提出了實(shí)際高壓直流干擾下參數(shù)監(jiān)測(cè)與腐蝕速率的預(yù)測(cè)方法。此外,由于我國(guó)地域遼闊,長(zhǎng)輸管道沿線土壤環(huán)境比較復(fù)雜,研究者大都采用仿真[14-15]計(jì)算研究高壓直流接地極對(duì)埋地管道的干擾規(guī)律和應(yīng)采取的防護(hù)措施。如房媛媛[16]等認(rèn)為在相同的入地電流條件下雙圓環(huán)接地極散流最均勻,附近管道干擾最小;曹?chē)?guó)飛[17]等研究了管線長(zhǎng)度、防腐層類(lèi)型對(duì)埋地管道的干擾程度,進(jìn)而進(jìn)行了人身安全距離預(yù)測(cè);也有研究者[18-20]等通過(guò)仿真計(jì)算研究了土壤厚度與土壤電阻率對(duì)管道的干擾程度,同時(shí)也得出高壓直流接地極和管道附近的局部土壤環(huán)境對(duì)管道受高壓直流接地極的干擾影響最大的結(jié)論。然而,當(dāng)前的高壓直流接地極對(duì)埋地管道的干擾程度和干擾規(guī)律均未考慮管道的極化效應(yīng);對(duì)于埋地長(zhǎng)輸管道會(huì)施加陰極保護(hù)系統(tǒng),管道受高壓直流接地極干擾時(shí),埋地管道的真實(shí)保護(hù)電位(即考慮極化效應(yīng)的斷電電位)、干擾規(guī)律和陰極保護(hù)系統(tǒng)中的陰極保護(hù)電流是否能減弱高壓直流干擾程度尚不清楚。
本文首先通過(guò)取回廣東某管道位置實(shí)際土壤,在實(shí)驗(yàn)室模擬該土壤在高壓直流干擾下的極化曲線,即電流密度與極化電位的關(guān)系。然后,采用Beasy 仿真軟件,以某接地極的實(shí)際土壤分層結(jié)構(gòu)和某管道的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行建模,分別研究了高壓直流接地極入地電流、接地極與管道的位置關(guān)系對(duì)管道極化電位的干擾程度。最后通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到了高壓直流干擾期間管道的極化電位、自然電位和接地極入地電流的關(guān)系,并提出了在陰極保護(hù)系統(tǒng)存在條件下高壓直流干擾埋地管道的電路模型,可為后續(xù)接地極的選址和管道沿線的陰極保護(hù)電位干擾規(guī)律提供參考。
廣東地區(qū)某接地極和管道的實(shí)際位置關(guān)系如圖1 所示,某管道長(zhǎng)度約為150 km,管道沿線全部電連接,共5 個(gè)陰極保護(hù)站場(chǎng),分別位于第11.6 km、44.6 km、75 km、107 km 和137 km 里程,某接地極與管道最近距離約18 km,位于管道第90 km位置。
圖1 接地極與管道間相對(duì)位置關(guān)系Fig. 1 Relative position relationship between grounding electrode and pipeline
計(jì)算參數(shù)選取如下:接地極為同心雙圓環(huán)水平鋪設(shè)布置,內(nèi)外環(huán)直徑分別為?700 m 和?940 m;內(nèi)環(huán)電極埋深為3.5 m,外環(huán)電極埋深為4 m,內(nèi)環(huán)焦炭斷面尺寸為1.1 m×1.1 m,外環(huán)焦炭斷面為0.7 m×0.7 m,入地電流為3 000 A; 管道外徑為813 mm,壁厚12.7 mm,X65 鋼,3PE 防腐層,自然電位為-0.68~-0.73 V(相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極,簡(jiǎn)稱cse);5個(gè)陰極保護(hù)站場(chǎng)陰極保護(hù)恒電位儀輸出電流分別為3 A、1 A、2 A、1 A和1.5 A。
土壤情況會(huì)影響接地極電流的分布,接地極側(cè)的土壤選用貴廣二回直流和云廣特高壓直流共用接地極工程本體部分施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)提供的現(xiàn)場(chǎng)某接地極的實(shí)際土層分布,土壤分層結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的土壤電阻率如表1所示。
表1 接地極位置土壤結(jié)構(gòu)Tab. 1 Soil structure at the locations of grounding electrode
由于本文主要研究管道的極化電位(也即真實(shí)的陰極保護(hù)電位)受高壓直流接地極單極運(yùn)行的影響規(guī)律。為此,取回某管道埋深位置的土壤,在實(shí)驗(yàn)室采用直流電源、UDL2、萬(wàn)用表、參比電極和與管道同材質(zhì)的X65管道試片并采用三電極體系模擬該條管道在所屬土壤環(huán)境中的極化曲線,即管道的斷電電位與電流密度的關(guān)系,并將其賦予到仿真模型的管道參數(shù)中。圖2為極化曲線示意圖,1 cm2的X65 管線鋼試片為工作電極,MMO 陽(yáng)極管為輔助電極,飽和硫酸銅為參比電極。工作電極埋設(shè)在土樣以下20 cm 位置,參比電極靠近工作電極,輔助電極澆入足夠的水以保持良好接觸。連接好電路后,將土壤壓實(shí),待試樣的開(kāi)路電位穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)試。根據(jù)圖2 的測(cè)試裝置,采用Fluke 記錄外回路中電阻兩端的電壓,以得到外回路中的電流,使用UDL2 測(cè)試并記錄試樣電位。對(duì)于陰極極化曲線,電源負(fù)極輸出端連接試樣,打開(kāi)電源,設(shè)置Fluke為毫伏檔并記錄。手動(dòng)調(diào)節(jié)電源輸出為0.1 V、0.2 V、…、1 V、3 V 至30 V,每個(gè)輸出值停留1 min, 記錄每一電位值下的通、斷電電位與電流,進(jìn)而繪制電位和電流密度曲線。
圖2 極化測(cè)試電路示意圖Fig. 2 Sketch diagram of polarization test circuit
圖3 為測(cè)試的極化曲線,圖3(a)曲線顯示,管道在該土壤環(huán)境受高壓直流干擾期間,通斷電電位差值較大,即使管道通電電位為幾十伏,斷電電位依然在很小范圍內(nèi)變化;此外,圖3(b)的斷電電位極化曲線結(jié)果表明,斷電電位最正值為-0.38 Vcse,偏移自腐蝕電位370 mV;斷電電位最負(fù)值為-1.26 Vcse,偏移自腐蝕電位510 mV。
圖3 管道所在土壤環(huán)境的極化曲線Fig. 3 Polarization curves of soil environment where pipeline is located
電網(wǎng)方大都從接地極與管道的距離評(píng)價(jià)管道的干擾程度。如我國(guó)電力行業(yè)DL/T437《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》[21]提出接地極址設(shè)計(jì)前要評(píng)估接地極址對(duì)周?chē)h(huán)境的影響,在預(yù)選地址10 km 范圍內(nèi)原則上不應(yīng)有埋地金屬管道、鐵道及有效的接地送變電設(shè)施,若不能避開(kāi),應(yīng)對(duì)接地極電流對(duì)這些構(gòu)件產(chǎn)生的腐蝕等不良影響的程度進(jìn)行評(píng)估。此外,DL/T 5224—2004《高壓直流輸電大地返回運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[22]也提出,在接地極極址選擇中,對(duì)可能的每個(gè)接地極址方案應(yīng)進(jìn)行不小于10 km 范圍內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查,同時(shí)應(yīng)收集不小于50 km 范圍內(nèi)地下金屬管線等設(shè)計(jì)資料。然而,在實(shí)際工況中,不同地區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)對(duì)接地極的干擾影響較大,僅從距離遠(yuǎn)近區(qū)分管道是否會(huì)受到接地極的干擾并不科學(xué),還需要結(jié)合管道方的相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
目前,管道方無(wú)專門(mén)針對(duì)高壓直流干擾的判斷指標(biāo),考慮到高壓直流接地極屬于直流干擾,可參考相關(guān)的直流干擾評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[23]提出,對(duì)于處于設(shè)計(jì)階段的管道,管道附近20 m 范圍內(nèi)地電位梯度大于0.5 mV/m 時(shí),確定存在直流干擾;對(duì)于沒(méi)有施加陰極保護(hù)的管道,當(dāng)管地電位相對(duì)于自然電位正向或者負(fù)向偏移大于20 mV 時(shí),確認(rèn)存在直流干擾,當(dāng)任意點(diǎn)的管地電位正向偏移不小于100 mV 時(shí),應(yīng)采取干擾防護(hù)措施;對(duì)于施加陰極保護(hù)的管道,當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求時(shí),應(yīng)采取干擾防護(hù)措施;此外,歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50162[24]也提出了對(duì)于有陰極保護(hù)的結(jié)構(gòu),當(dāng)干擾導(dǎo)致管道消除IR 降電位超出保護(hù)電位范圍之外時(shí),干擾不可接受,然而,對(duì)于陰極保護(hù)準(zhǔn)則,GB/T 21447—2018[25]指出,對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)在一般土壤中的最小保護(hù)電位(無(wú)IR 降)為-0.85 Vcse,最負(fù)不宜超過(guò)-1.2 Vcse; 對(duì)于無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的陰極保護(hù)準(zhǔn)則時(shí),也可采用100 mV 準(zhǔn)則,即當(dāng)陰極保護(hù)電位負(fù)向偏移自然電位100 mV時(shí),也認(rèn)為陰極保護(hù)滿足標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于本文的仿真評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),由于仿真模型中考慮了管道的陰極保護(hù)系統(tǒng),以-0.85 Vcse作為干擾時(shí)的陰極保護(hù)指標(biāo)。
圖4 為仿真計(jì)算了接地極陰極、陽(yáng)極入地電流分別為3 000 A 和管道不受接地極干擾(僅在正常陰極保護(hù))3種工況條件下管道的電位分布情況;在不受接地極干擾時(shí),陰極保護(hù)站場(chǎng)附近的管道電位偏負(fù),但是管道全線電位均滿足-0.85 Vcse 的陰極保護(hù)指標(biāo);在陰極保護(hù)系統(tǒng)存在條件下,接地極陽(yáng)極為3 000 A 的入地電流時(shí),管道靠近接地極的部分吸收電流,陰極保護(hù)電位負(fù)向偏移,管道陰極保護(hù)電位位于-0.85 Vcse~-1.2 Vcse 的陰極保護(hù)區(qū)間內(nèi),管道遠(yuǎn)端釋放電流,電位較自然電位正向偏移,但是陰極保護(hù)站場(chǎng)附近的管道由于陰極保護(hù)電流的存在電位仍然有明顯偏負(fù)現(xiàn)象,整體電位不滿足-0.85 Vcse~-1.2 Vcse 的陰極保護(hù)指標(biāo);接地極陰極為3 000 A 入地電流時(shí),對(duì)管道的電位分布相反;此外,圖4 的電位分布結(jié)果顯示,干擾電位的最正、最負(fù)值均位于與接地極最近的位置,即可以確定接地極與管道的距離也會(huì)影響管道陰極保護(hù)電位的分布。
圖4 陰極、陽(yáng)極單極運(yùn)行下管道干擾電位分布Fig. 4 Interference potential distribution of pipeline under cathodic and anodic monopolar operation of HVDC grounding electrode
接地極單極運(yùn)行入地電流不同,對(duì)管道的干擾也不同。對(duì)此,仿真計(jì)算了接地極入地電流分別為600 A、1 200 A、1 800 A、2 400 A 和3 000 A 時(shí)對(duì)管道的干擾規(guī)律。圖5(a)的結(jié)果表明,陽(yáng)極入地電流越大對(duì)管道干擾越嚴(yán)重,但是不同入地電流對(duì)管道的干擾趨勢(shì)相同,因此可通過(guò)控制接地極的入地電流以降低管道的受干擾程度。此外,圖5(b)的干擾規(guī)律結(jié)果顯示,在受高壓直流干擾時(shí),不同里程位置的入地電流和管道電位均為近似線性關(guān)系,將圖5(b)的線性曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合統(tǒng)計(jì)如表2 所示,不同位置的入地電流與保護(hù)電位均符合式(1)。
表2 陽(yáng)極電流對(duì)管道干擾電位影響的線性特征參數(shù)Tab. 2 Linear charcteristic parameters of relationship between interference potential and pipeline milage
圖5 不同陽(yáng)極入地電流對(duì)管道的干擾Fig. 5 Pipeline interference under different anodic current levels
式中:u為受干擾時(shí)管道的斷電電位;I為接地極的入地電流;b為管道自然電位或者陰極保護(hù)電位;k為斜率。
由圖4 可見(jiàn),若不同接地極入地電流引起管道的斷電電位均在正常陰極保護(hù)電位基礎(chǔ)上負(fù)向偏移(如圖5(a)的位置三)或在自然電位基礎(chǔ)上有正有負(fù)偏移(如圖5(a)的位置一和位置二),則式(1)中的b為管道未受接地極干擾時(shí)的正常陰極保護(hù)電位;若接地極入地電流均導(dǎo)致管道電位在自然電位基礎(chǔ)上正向偏移(如圖5(a)的位置四),則式(1)中的b為管道未施加陰極保護(hù)時(shí)的自然電位。
為進(jìn)行對(duì)比,圖6為600 A、1 200 A、1 800 A、2 400 A 和3 000 A 的陰極電流對(duì)管道的干擾規(guī)律。相比陽(yáng)極入地電流對(duì)管道干擾的電位偏移趨勢(shì),接地極陰極入地電流對(duì)管道干擾電位的影響呈現(xiàn)相反的趨勢(shì),且依然在接地極距離最近的管道處干擾最為嚴(yán)重。與此同時(shí),圖6(b)4 個(gè)典型位置的入地電流與管道斷電電位也依然呈現(xiàn)出線性關(guān)系,即接地極入地電流越大,斷電電位偏移-0.85 V 的保護(hù)準(zhǔn)則越大。
圖6 不同陰極入地電流對(duì)管道的干擾Fig. 6 Pipeline Interference under different cathodic current levels
將圖6(b)不同入地電流和管道斷電電位的線性關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表3所示。
表3 陰極電流對(duì)管道干擾電位影響的線性特征參數(shù)Tab. 3 Linear charcteristic parameters of relationship between interference potential and pipeline milage
表3 仍然符合式(1),在受接地極入地電流干擾引起的管道電位均正向偏移-0.85 V 的保護(hù)指標(biāo)時(shí)(如圖6(a)的位置二和位置三),b為管道自然電位;當(dāng)斷電電位均負(fù)向偏移-0.85 V 的保護(hù)指標(biāo)時(shí)(如圖6(a)的位置一和位置四),b為陰極保護(hù)電位;綜合對(duì)比表2 和表3 可知,當(dāng)且僅當(dāng)不同接地極入地電流對(duì)管道的電位均負(fù)向偏移-0.85 V 的最小陰極保護(hù)指標(biāo)時(shí),k為負(fù)值,其他工況均為正值;當(dāng)不同入地電流對(duì)管道的干擾電位均正向偏移-0.85 V的最小陰極保護(hù)指標(biāo)時(shí),b為自然電位,其他工況b為陰極保護(hù)電位。為此,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際受高壓直流干擾期間的管道電位,可根據(jù)管道受接地極干擾時(shí)雜散電流的流入流出方向和式(1)進(jìn)行計(jì)算。
管道所受的直流干擾水平與土壤電阻率、入地電流、管道長(zhǎng)度和防腐層等很多參數(shù)有關(guān)。因此,采用統(tǒng)一的安全距離并不合適。為此,本論文仿真了入地電流為3 000 A 接地極與管道距離分別為5 km、20 km、35 km 和50 km 時(shí)管道的干擾電位,結(jié)果如圖7所示。
圖7 接地極與管道的間距對(duì)管道干擾電位分布的影響Fig. 7 Influence of distance between grounding electrode and pipeline on interference potential distribution
圖7 (a)的結(jié)果顯示,接地極與管道的距離越近,受干擾的近端管道越短,干擾電位越大。將圖7(a)的近端管道干擾范圍和干擾電位極值統(tǒng)計(jì)如圖7(b),隨著接地極與管道距離的增加,近端管道的干擾范圍和干擾電位極值呈負(fù)相關(guān)變化。接地極與管道距離5 km時(shí),受干擾的最大斷電電位為664 mV,約15 km 管道不滿足-0.85 V 的準(zhǔn)則;當(dāng)接地極與管道距離為35 km 和50 km 時(shí),受干擾的近端管道范圍分別為67 km 和76 km,受干擾管道最大斷電電位均約為-570 mV,仍不滿足-0.85 V 的陰極保護(hù)準(zhǔn)則??梢?jiàn),對(duì)于實(shí)際工況,不能采用統(tǒng)一的“安全距離”評(píng)價(jià)管道受干擾程度。對(duì)于該類(lèi)問(wèn)題,建議應(yīng)該及時(shí)調(diào)整接地極選址方案,或者采取相應(yīng)的措施,以避免管道的干擾問(wèn)題。同時(shí)建議行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不同土壤結(jié)構(gòu)接地極址應(yīng)收集不同范圍內(nèi)的地下金屬結(jié)構(gòu)管線,建議對(duì)于深層土壤電阻率較高的地區(qū)應(yīng)收集接地極址至少70 km 范圍內(nèi)埋地管道的設(shè)計(jì)資料等。
從仿真計(jì)算結(jié)果看,管道受高壓直流的干擾水平與接地極的入地電流、接地極與管道的位置和管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)均有關(guān)。對(duì)此,圖8 以接地極陽(yáng)極單極運(yùn)行為例,提出了在陰極保護(hù)系統(tǒng)存在下管道受高壓直流雜散電流干擾時(shí)的電流流入流出示意圖。接地極陽(yáng)極單極運(yùn)行時(shí),大量電流從接地極流入大地,靠近接地極的管段流入雜散電流,電位負(fù)向偏移,遠(yuǎn)離接地極的管段流出電流,電位正向偏移。由于長(zhǎng)輸管道均存在陰極保護(hù)系統(tǒng),遠(yuǎn)端管道在接地極雜散電流iHVDC流出的同時(shí),在陰極保護(hù)站場(chǎng)較近的管段也會(huì)吸收由陽(yáng)極地床流入到土壤的陰極保護(hù)電流i陰極保護(hù)。然而,在實(shí)際工況中,i陰極保護(hù)遠(yuǎn)小于iHVDC,因此,在受高壓直流干擾時(shí),陰極保護(hù)站場(chǎng)臨近的管道i陰極保護(hù)電流會(huì)抑制部分iHVDC,呈現(xiàn)出如圖3 所示的靠近陰極保護(hù)站場(chǎng)附近的管段電位會(huì)負(fù)向偏移。若接地極的入地電流低于1 800 A 時(shí),在陰極保護(hù)站場(chǎng)附近的管道受陰極保護(hù)電流的影響電位仍會(huì)滿足-0.85 V 的保護(hù)指標(biāo),如圖5(a)中,第一個(gè)陰保站附近管道在1 800 A 電流時(shí),保護(hù)電位仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)??梢?jiàn),為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)管道受高壓直流干擾時(shí)的真實(shí)保護(hù)效果,還需要考慮管道陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)雜散電流的影響。
圖8 高壓直流和陰極保護(hù)電流對(duì)管道干擾示意圖Fig. 8 Sketch diagram interference model of HVDC and cathodic current on the pipeline
本文采用Beasy 仿真軟件考慮了管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)和管道極化效應(yīng),以某接地極的實(shí)際土壤分層結(jié)構(gòu)和某管道的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行建模,分別研究了高壓直流接地極入地電流、接地極與管道的位置關(guān)系對(duì)管道極化電位的干擾程度,得到如下結(jié)論。
1) 管道的極化電位受接地極入地電流的增加呈線性增加,并符合式(1)的線性關(guān)系,若不同入地電流均導(dǎo)致管道電流流出,且電流流出段極化電位均不滿足-0.85 V 的陰極保護(hù)準(zhǔn)則,b為管道自然電位,其他工況b為陰極保護(hù)電位。
2) 接地極與管道的垂直距離越短,靠近接地極端的近端管道越短,管道受干擾的極化電位越大;接地極與管道的距離由35 km 增加至50 km 時(shí),管道受接地極干擾時(shí)極化電位變化不顯著。以上結(jié)論可為新建工程選址提供參考依據(jù)。
3) 管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的陰極保護(hù)電流會(huì)抑制部分接地極的雜散電流,在接地極入地電流1 800 A 時(shí),靠近陰極保護(hù)站場(chǎng)附近的電流流出管段極化電位仍滿足-0.85 V 的陰極保護(hù)指標(biāo);為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)管道受高壓直流干擾時(shí)的真實(shí)保護(hù)效果,建議考慮管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)管道雜散電流干擾的影響。