张朝晖

中原油田分公司油气储运中心

近年来，广东地区新建投运了一批直流超高压输电线路，在单极运行时将大地作为回路介质，对输气管道阴极保护系统造成了严重的影响。程明等人通过分析得出，贵广二回500kV高压直流输电系统、800kV云广特高压直流输电工程共用的鱼龙岭接地极的入地电流对西气东输二线埋地钢质管道产生影响，预测管道防腐层发生阴极剥离及管体重大腐蚀的可能性较低，管道阴极保护电位偏移较大，导致阴极保护电源设备运行异常[1]。接地极单极运行时，输气管道受到强干扰，只能将恒电位仪关机，待输电线路正常运行后再投运。

1 基本情况

1.1某输气管道防腐概况

管道全长466.66km，管径916mm，采用3PE防腐层+强电流阴极保护措施，沿线设线路阴极保护站8个，其中在鳌头站、广州站、三水站、石角阀室等处设置了线路绝缘，清远分输阀室、潼湖阀室设置了干线与支线间的绝缘（见图1）。站场内区域阴保均采用强电流保护。

1.2直流输电系统接地极概况

广东地区在役直流输电线路共7条，接地极共5个。距广东天然气管网输气管道较近、影响较大的有如下三个，其与管网的位置如图1。

翁源接地极。牛从±500kV直流输电，总容量单回320万千瓦，双回共计640万千瓦，故障状态下最大入地电流6400A。

鱼龙岭接地极。是云广±800kV和贵广II回±500kV直流输电线路增城穗东换流站和深圳宝安换流站共用接地极，故障状态下最大入地电流3425A。

大塘接地极。故障状态下最大入地电流1800A。

 

图1 高压直流输电接地极与广东管网管道相对位置图

  2 干扰影响及特征

  2.1接地极干扰对输气管道及设备的影响

  在管道运行中，多次发生鳌-广线管道、从化分输站站内管道及设备阴极保护恒电位仪在未开机情况下被烧毁的情况（图2）；鳌头站、广州分输站等四座输气站场的进出站管道绝缘接头两端的5个等电位连接器也受到强电流的干扰被烧毁（图3）；从化分输站、三水分输站的越站阀及线路截断阀的引压管绝缘接头被烧毁（图4）；同时也发现BV阀个别引压管之间有电弧灼烧痕迹，甚至在BV阀和埋地钢质护管套管之间也存在打火、金属附属设施被电弧熔接到一起的情况（图5）。据分析，发生恒电位仪烧毁的原因，是大地内流入电流超过恒电位仪元器件额定参数，使元器件产生过热现象。发生打火、熔接现象，是接地极放电时，输气管道的电位升高（或者降低），由于绝缘接头的存在，绝缘接头两端管道或者管道与本地设备之间形成高的电压差，在两者距离接近的情况下产生电弧。

   

图2 恒电位仪被烧毁      图3 等电位连接器被烧毁

   

图4  BV阀引压管绝缘接头被烧毁      图5  BV阀与信号线套管之间放电熔接

  2.2 干扰源分析

直流输电系统可以采用双极和单极两种运行方式。在双极运行方式中, 利用正负两极导线和两端换流站的正负极相连, 构成直流侧的闭环回路。在双极对称运行时，接地极入地电流在额定电流的1%以内；当双极不对称运行时, 流过接地极的电流为两级运行电流之差。在单极大地返回运行方式中, 流过接地极的电流即为直流输电运行电流。以鱼龙岭接地极为例，其入地电流见表1。

从上表看出，接地极运行时的入地电流很强。

2.3干扰特征

以下为部分站场和阀室在鱼龙岭接地极阴极运行电流为145A～3002A时的监测记录（图6—图11）。

      

图6 鳌头去清远方向出站电位         图7 鳌头去从化方向出站电位

    

图8 从化站站内外电位          图9 广州站进站处站内外电位

  

图10 清远分输阀室支干线绝缘接头处电位         图11 三水站上下游电位

 

 

 

图14 鱼龙岭接地极放电2400A时各站（阀室）电位情况图

可以看出，鱼龙岭接地极单极运行3000A时，鳌头首站出站往清远方向至石角阀室，鳌头首站出站往从化方向至广州站段管道的站场及阀室受到干扰影响较大。其中，鳌头往清远方向管道电位偏移最大，达到+49V。对其他段管道和阀室影响较小，但在石角阀室绝缘接头处下游、三水站绝缘接头上下游位置电位有一定的偏移。

为综合确定干扰程度，分别对站场绝缘接头跨接处的电流进行检测，表3为鱼龙岭接地极阴极放电3000A时的检测结果。

 

图15 鱼龙岭接地极干扰影响范围示意图（红色为干扰严重区）

综合以上测试结果，鱼龙岭接地极对广东管网管道干扰主要有以下几个方面（图15、16）：

（1）鱼龙岭接地极放电时，受干扰最严重的管段为鳌头首站至石角阀室段管道和鳌头首站至广州站段管道。

（2）鱼龙岭接地极放电对石角阀室下游至三水站至永安阀室段管道和广州站至朱村阀室段管道的影响，主要表现在：使得石角阀室干线绝缘接头、三水站干线绝缘接头和广州出站绝缘接头两端的电压差增大，电流流入和流出的位置主要在绝缘接头处。

（3）鱼龙岭接地极阴极运行正极放电时，靠近接地极位置的管道流出电流，管道电位向正方向偏移；远离接地极位置管道流入电流，管道电位往负方向偏移。随着接地极流出电流增加，靠近接地极位置管道正向偏移增大，远离接地极位置管道负向偏移增大，同时各站场绝缘接头两端的电压差也增大。

 

图16 鱼龙岭接地极阴极放电时干扰严重管段电流流入流出分界点示意图

（4）阴极放电时，受干扰严重两个管段的电流流入和流出的分界点分别为离清城阀室3-4km公里处和离鳌头站15-16km处。图中黑色线代表的管道为电流流入管段，红色线代表的管道为电流流出管段。

（5）站场接地与管道跨接断开实验表明，管道与接地网直接连接时，部分从防腐层流入和流出的电流会转移到接地网上，通过接地网流入和流出，能降低管道的电位和绝缘接头的电压差，但是仍有大量的电流通过防腐层流入和流出。由于接地网接地电阻较小，整体流出的电流增加，造成远端吸收的电流也增加，使得管道电位负向偏移量增加。

（6）鱼龙岭接地极放电电流在2400A以内时，对石角阀室下游至永安阀室段管道和广州出站至朱村阀室段管道的影响不大。

总体上来看，直流输电系统接地极运行时的影响范围大，干扰可达到50公里以上，有的甚至可达上百公里，跟接地极周围的土壤电阻率和各地层电阻率都有很大关系，在土壤电阻率大，接地极接地电阻比较大的时候，影响距离会更远。也与输气管道绝缘接头的设置有一定关系，在管道绝缘接头之间距离短时，范围会减小。在干扰强度较大的情况下，输气管道电位偏移剧烈，且随接地极入地电流大小变化而变化。同时，干扰方向随接地极入地电流极性变化而变化。

3  应对措施及效果

3.1研制并应用强干扰保护器

针对强干扰烧毁恒电位仪的问题，研制了恒电位仪强干扰保护器，通过切断恒电位仪与管道等外部的电气联系，达到保护恒电位仪的目的。该设备在恒电位仪运行过程中能及时检测到阴极输出/输入电流、阴极和阳极之间电压以及参比电极和零位之间的电压，能及时直观的判断外界干扰强度的大小；强直流干扰时，切断恒电位仪与被保护设备的电气连接，保护了恒电位仪不被损坏。操作人员通过观测干扰电压来判断外界干扰是否消除，从而能够及时恢复启用恒电位仪，提高了阴极保护系统运行效率。

经现场使用，该设备在干扰产生时能自动报警并切断电源，有效保护了恒电位仪，降低了工人的劳动强度，提高了恒电位仪的运行时间和输气管道的阴极保护运行率。

在发现越站BV阀引压管绝缘接头和等电位连接器被烧毁后，为防止发生安全事故，当时采取了将阀体接地的临时措施，以防止引压管两端产生电压。同时将出入站绝缘接头的等电位连接器短接，使干扰电流直接导入站内地网。

3.2应用去耦合器替代等电位连接器

为保证输气管道安全运行，保护绝缘接头不被电压差击穿烧毁，防止出现绝缘接头两端的高电压差对操作人员可能造成的危险，根据前期研究确定的管道电位偏移量、电流流入流出分界点等数据综合分析，采用去耦合器作为绝缘接头的等电位连接。使用后对恒电位仪的日常运行没有影响。在直流输电系统接地极放电时，站场未出现大的干扰，说明去耦合器已经导通，起到了等电位的作用。放电后，检查去耦合器，外观完好，功能正常。

4  结论与建议

研究结果表明，直流输电系统接地极单极放电时，干扰可达到50公里以上，有的甚至可达上百公里（视接地极周边土壤及地层情况而定）。鳌头首站出站往清远方向至石角阀室和鳌头首站出站往从化方向至广州站段管道的站场及阀室受到干扰影响较大。同时，在干扰强度较大的情况下，管道电位偏移剧烈，且随接地极入地电流大小变化而变化。干扰方向随接地极入地电流极性变化而变化。应用强电流干扰保护器、去耦合器等措施，能有效消除接地极放电时输气管道恒电位仪烧毁、BV阀绝缘接头打火、设备间熔接等安全问题和隐患。

但以上措施只是解决了安全问题。在强电流干扰时，管道的其他部位还是有较高的对地电位，管道受到正向干扰的部分是被强制腐蚀的，因此仍需采取下列措施：

（1）扩大去耦合器的使用范围。为防止其他站场和阀室发生类似事故，建议将受干扰比较严重的阀室站场的等电位连接器全部更换为去耦合器。

（2）为防止干线阴保电流的流失，建议所有阀室的仪表均通过去耦合器接地。

（3）制定更加严格的排流措施，比如沿管道铺设更长的锌带，从而对管道形成屏蔽，保证接地极放电时，管道各处依然受到阴极保护。

（4）研制能双向输出的恒电位仪，并能输出更大电流，在干扰发生时进行强力抑制。

（5）采取分段隔离的方法，在设计前做好充分的调查，设计时缩短干线阴保距离，可以有效降低干扰强度，为治理打下较好的基础。 

参考文献：

[1]程明，张平.鱼龙岭接地极入地电流对西气东输二线埋地钢质管道的影响分析[J].天然气与石油,2010,28(5):22-26. 

作者：张朝晖（1965.11），男，工程师，毕业于石油大学（华东），现主要从事天然气输气管道阴极保护管理。 

《管道保护》2016年第6期（总第31期）