程  明，张  平

（中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都 ）

摘要高压直流接地极放电时对管道带来的剧烈干扰影响，已引起石油天然气和电力两大行业的高度关注。CPE西南分公司从2010年即长期关注和研究此问题，并在工程设计中，针对高压直流大塘接地极干扰，采用的分段绝缘隔离、锌带接地排流、强制电流纠偏、监测与检验等综合防护技术，是国内首次实施应用。本文在对现场大量实测数据进行总结的基础上介绍了应用情况，对尚存的需进一步研究辨明的风险提出建议，为类似工程提供了借鉴和指导作用，以保障油气管道长期运行安全。

关键词高压直流  接地极  干扰影响  埋地钢质管道   绝缘隔离   强制排流

  Comprehensive mitigation of interference from Datang HVDC transmission line grounding poles

Cheng Ming  Zhang Ping

(CPE Southwest Company, Chengdu, Sichuan)

Abstract: When HVDC transmission line grounding poles are discharged, it will interfere with pipelines severely. This problem has been highly concerned by both petroleum and electrical power industries. CNPC CPE Southwest Company has paid attention and studied this problem since 2010. For Datang HVDC transmission line grounding pole interference problem, the comprehensive mitigation technology has been applied by CPE Southwest in the engineering design such as sectional insulation and isolation, zinc ribbon grounding drainage, forced current rectification, monitoring and inspection. It is the first time in China to implement such comprehensive mitigation technology. This paper summarizes amount of field measurement data and introduces the application in detail. Further study is suggested for the risks to be investigated and identified. It could be used as a good reference and guidance for other similar projects to ensure a safe operation of oil and gas pipelines for a long time.

Key words: HVDC, grounding pole, interference impact, buried steel pipeline, insulation and isolation, forced current drainage

1 高压直流接地极对管道安全的影响

1.1干扰的分布现状

近年来，我国能源需求快速发展，高压直流输电和油气管道项目快速推进。我国经济发达地区（尤其是长三角、珠三角等）能源需求旺盛，土地空间有限，油气管道的局部管段将不可避免地进入高压直流输电干扰影响区。

国内目前已建和拟建的±500kV～±800kV超高压、特高压直流输电工程有30余条，在其送端和受端换流站分别设有接地极。当高压直流系统调试或故障时，通常会采取单极大地回流模式，高压直流接地极会有高达数千安培的短时入地电流，每个接地极都将在一个较大的区域范围内形成干扰影响区。据初步统计，国内正在运行的西气东输一线上海段、西气东输二线广北干线及南宁支干线、中缅管道云贵段、胶州东黄复线、广东省管网、川气东送宜昌段、四川兴文燃气管道均有管道受到高压直流输电干扰影响的案例；正在建设中的浙江金丽温输气管道、陕京四线内蒙段也处于干扰影响区内，需要进行直流干扰防护。

1.2干扰影响的范围和程度

目前几例高压直流接地极对管道干扰影响实测数据见表1。

表1干扰影响的范围和程度实测数据

1.3安全影响综述

（1）从在建和已建的众多管道与高压直流接地极的分布情况，我国埋地钢质管道正面临着越来越多的高压直流接地极干扰影响的风险。

（2）已知的安全影响归纳起来包括：操作人员人身安全风险、设备和SPD损毁、阀室引压管绝缘接头烧毁密封失效、管道腐蚀漏泄；然而由于干扰造成管道上存在高的正电位偏移和负电位偏移，以及较长时间大电流的流动，所引发的管道上的电危害风险，包括：设备可靠运行（ESD阀控制单元误操作）、阀室站场防爆风险、管道本体（氢脆及氢损伤）等尚需进一步研究。

（3）高压直流接地极放电时对管道干扰影响的剧烈程度和影响范围，已引起石油天然气和电力两大行业的高度关注。

2 干扰研究现状及尚需进一步研究的内容

2.1干扰研究现状

国外地广人稀，管道与高压直流接地极在相对位置距离上的受限程度远不及国内，高压直流输电干扰影响研究的相关案例不多，干扰程度与国内相比更不在一个数量级上，无论是安全影响的边界条件，还是消减防护技术没有太多可借鉴的成果和经验。

目前在国内电力和石油行业的一些单位均在进行先导性研究，如：西气东输分公司、CPE西南分公司、北京安科、中国电力科学院、中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司、浙江省能源集团有限公司等。但鉴于长距离范围内大地土壤结构的复杂性，以及直流系统故障状态测试时机捕捉困难，国内排流设备产品研发水平不足等众多因素的影响，系统地研究尚需整合资源合力开展完成。

2.2尚需进一步研究的内容

高压直流接地极对管道的影响及消减防护，是一个跨行业、跨专业，复杂的新的技术难题，需进一步研究解决的问题尚有很多。

（1）影响方面包括：管道系统（线路、阀室和站场）全方位各设施风险的识别、设施耐受能力和安全边界条件；

（2）实时监测和检测技术。由于高压直流接地极放电具有影响程度剧烈、故障时间和极性是随机发生的特点，常规管道电参数的测试方法不适用于此种特点，因此无论是为掌握放电时对管道的实际影响程度和作用时间，还是评价缓解效果，以及长期运行管理中紧密跟踪动态情况，均需有一套能实时监测相应电参数的技术。

（3）消减防护技术方面包括：主动防护措施方面的合理距离控制，以及接地极入地电流大小和时间限制；被动防护措施方面的阀室站场防爆和设备可靠运行风险消减措施，线路各种排流和防护方式的适应性及效果研究；以及防护效果评价方法和要求等。

3 高压直流接地极干扰防护工程应用案例

3.1总体情况

广东省天然气管网一期工程广州-肇庆干线在三水区大塘镇境内沿广四高速公路伴行敷设，进入南方电网公司的天广线±500kV高压直流输电线路广州换流站所属的大塘接地极范围内。管道以距离接地极外环最小间距90m的路由绕行通过大塘接地极附近区域。管线与接地极的相对位置示意见图1。

图1接地极与管道的位置示意图

2011年2月，CPE西南分公司根据现场特殊情况，针对大塘接地极对埋地管网可能存在的影响进行分析，在国内首次完成了高压直流系统接地极综合防护设计。采用了提高防腐层完整性、分段隔离、锌带接地排流、强制电流阴极保护纠偏、干扰电位实时监测技术、ER腐蚀探头实时监测、管道运营与电力运行管理联动协调等综合防护措施。

2013年4月，广东省天然气管网一期工程大塘接地极影响段建成投运后，CPE西南分公司结合相应课题研究，对投运后管道沿线实时监测系统的数据进行了整理，并对大塘接地极正常运行时双极不平衡电流的干扰防护效果，以及单极大地回流方式运行放电期间的干扰防护效果，进行大量的详细的电参数监测和检测。根据两年多来的管道运行状况判断，防护措施后阀室站场引压管绝缘接头未发生烧蚀等安全风险，线路管道几乎没有产生腐蚀，说明综合防护技术对减缓大塘接地极干扰影响起到了有效作用。

3.2分段隔离

为大幅缩短直流干扰的影响范围，减轻累计流入电流量及电位波动幅度，采取绝缘接头分段电隔离是有效措施。现场监测的大塘接地极放电时，石角阀室绝缘接头两侧管道对地电位波形见图2。

图中数据表明绝缘接头两侧电位极性反向，分别显示杂散电流在管道上流入和流出，使得绝缘接头两端存在较大的电势差。同时，绝缘接头两侧的干线管道对地电位偏移量绝对值也有一个突变，由最大25V降低为最大13V，证明分段隔离措施是可有效减缓干扰程度的。

图2石角阀室绝缘接头两侧管道对地电位波形图

3.3锌带接地排流

3LPE防腐管防腐层电阻率高，使得管道电位对杂散电流敏感，采用锌带接地与管道并联可使防腐层电阻率大为降低，从而使管地电位偏移程度大幅降低，同时在正电位区域使管内杂散电流主要从锌带排出，取代从管道破损点流出。

图3是大塘接地极1800A放电时，干扰影响最严重的某接地排流点进行的锌带通/断测试的管地通电电位-时间曲线。结果数据显示：锌带连通时，管地通电电位4～5V，锌带排放电流为9～10A；锌带断开时，管地通电电位增大到10V。

图3某接地排流点的管/地通电电位-时间曲线

在本工程附近并行敷设了某输气管道，间距约为10m，该管道与广东省天然气管网一期管道采用同样的防腐层及线路阴极保护，但未采用杂散电流防护措施。在接地极中心附近均埋设了测试桩。高压直流输电系统单极大地回流时，经现场测试记录，管/地通电电位对比如图4。可见二者数值相差近1倍，减缓效果明显。

图4两条管道在单极大地回流状态下的对比测试

3.4 强制电流阴极保护纠偏

在受高压直流大塘接地极严重影响区内，设计中专门增设了石角阀室阴极保护站（水平浅埋式阳极地床）和三水分输站阴极保护站（深井阳极地床）两座强制电流阴极保护站，以充分利用强制电流阴极保护对的严重正向偏移的管地电位进行纠偏。

图5表现的是在大塘接地极入地电流1800A，正极性单极大地回流方式时，对三水站恒电位仪进行输出参数调整试验，以验证阴极保护对于干扰防护的有效性情况。

图5三水阴极保护站通电点电位-时间曲线

接地极放电后，通电点电位从-1.3V迅速正向偏移至10V左右，手动调节电流从0.4A至6.6A，通电点电位可纠偏至8.5V左右。试验表明，增大恒电位仪输出功率可以一定程度上抵消单极运行时的直流干扰影响。但由于HVDC接地极放电量等级较高，恒电位仪输出能力有限，纠偏程度有限。

3.5监测与检测技术

3.5.1 管地电位监测

由于高压直流接地极放电具有影响程度剧烈、故障时间和极性是随机发生的特点，常规管道电参数的测试方法不适用于此种特点，因此无论是为掌握放电时对管道的实际影响程度和作用时间，还是评价缓解效果，以及长期运行管理中紧密跟踪动态情况，均需有一套能实时监测相应电参数的技术。针对高压直流输电系统干扰源的特点，为实时监测、捕捉接地极放电的发生时间、次数、时长和影响程度，设计在管道沿线设置了22处触发式智能测试桩及7组腐蚀挂片，构成监测点。从应用的实际效果看，触发式智能采集仪成功地解决了及时监测采集存储及传输、低功耗、量程和精度满足要求、适应野外现场等需要。图6是单只测试桩在3月19日和3月20日两次接地极放电前后采集的管/地电位分布曲线。

图6单个触发式智能测试桩采集的管地电位分布曲线

3.5.2 腐蚀速率的监测（ER外腐蚀探针）

国际标准ISO 15589-1：2015[1]《管道输送系统的阴极保护 第1部分：陆上管道》中明确了使用ER探针，计算ER探针的实际腐蚀速率是直流干扰的测量方法之一。

2014年8月至11月，使用了ER探针对管地电位正偏移最严重的三水站进站管道，进行了3个月的持续腐蚀试验与检测。试验期间，大塘接地极于11月15日和17日进行两次故障放电，持续时间分别为56min和67min。试验采用两组探针进行对比，即一组与管道采用相同阴极保护的电阻探头和一组无阴极保护的自腐蚀探针。

实验结束后，对两个ER探针进行了开挖和数据采集。

电阻探头金属失重初始值0.936mil，现值1.014mil，3个月总失重为0.078mil，计算结果为0.008mm/a。电阻探头外观光亮，无腐蚀残留物，见图7。表明与管道电连通的探头和试片阴极保护充分，没有发生腐蚀。

埋设在相同环境的自腐蚀探针，则锈蚀严重，见图8。

图7埋设3个月后的电阻探头          图8埋设3个月后的自腐蚀探针

4 结论及建议

（1）根据长达3年的连续跟踪与测试，以及现场完成的多项试验实践表明，针对高压直流大塘接地极干扰而采取的综合防护技术，起到了消减与防护作用。

（2）对新建管道的干扰防护，多项技术（分段隔离、锌带接地排流、强制电流纠偏、智能监测）各有不同的功能与作用，均为高压直流接地极严重影响区内埋地管道防护的有效措施。

（3）鉴于高压直流接地极干扰的严重性，单一技术措施的减缓能力是有限的。对严重干扰区，单靠被动的防护措施要把管道减缓到干扰前水平或阴极保护准则允许范围甚至是不可行的。应从干扰源侧采取技术措施，如：保证管道与接地极的安全间距、限制高压直流系统接地极向大地排泄电流的数量与时间。

（4）由于尚有诸如管道受干扰程度与高压直流接地极间距、入地电流、深层土壤结构的关系等许多复杂的问题未解决，为更好地促进高压直流接地极干扰影响问题的解决，维护国家能源动脉的长期运行安全，建议开展重大专项课题研究，对高压直流系统对管道的安全影响进行全面的风险识别，以及对管道本体（氢脆、断裂控制）、设备可靠运行、阀室站场防爆、监测与检测技术、消减与防护等深入研究。

（5）制定跨行业的国家标准，修订行业规范，完善相关技术规定。

（6）在国内建立跨行业的干扰协调机构，推进相互协作。

（7）加快开展排流产品的研发，尤其是高耐压的防逆流装置和大功率双向强制排流器。

参考文献

[1] The International Organization for Standardization. Petroleum, petrochemical and natural gas industries — Cathodic protection of pipeline systems — Part 1: On-land pipelines [S]. ISO 15589-1,2015.