利用大地作為回流電路是直流輸電的一個特點，但是采用大地回路也會帶來一些問題，特別是附近區(qū)域內(nèi)存在地下伸長型金屬設(shè)施（如輸油輸氣管道、帶金屬護(hù)層的電纜等），部分直流電流就會通過該金屬導(dǎo)體分流，引起電流流出部位金屬導(dǎo)體的電腐蝕。

電腐蝕影響與接地極入地電流大小、工作時間長短和土壤電阻率、大地電特性參數(shù)及被影響設(shè)施的材質(zhì)、布置方式、工作特性及絕緣性能等諸多因素相關(guān)。

近年來，我國直流特高壓和輸油輸氣管道發(fā)展迅猛，加之土地資源日趨緊張，使得換流站接地極在選址的時候難免會接近輸油輸氣管道，因此需要綜合比較不同接地極址對周圍輸油輸氣管道的影響，從而確定較優(yōu)的接地極選址方案。

1 研究方法

目前直流輸電的研究成果與運行經(jīng)驗表明，在直流系統(tǒng)正常與單極運行時，位于直流接地極附近的管道可以測到較大的直流管地電位及管道涂層電流密度，該電壓電流使管道的正常運行及壽命（腐蝕）受到嚴(yán)重影響。

本文結(jié)合南京換流站接地極選址過程，分析石油管線對換流站接地極選址的影響。南京換流站初步擬定極址分別為大向莊極址和塔河極址。

1.1 直流干擾機(jī)理

直流產(chǎn)生靜態(tài)電場，在高壓直流接地極正常運行時，不平衡電流入地。直流接地極單極運行時，有更強(qiáng)大的額定電流入地，該入地電流通過土壤擴(kuò)散，引起附近土壤的電位升高。假如通過該區(qū)域的油氣管線的涂層電阻率很高并且沒有良好的分布接地，管線的電位會由于管線長度的平均效應(yīng)保持在一個較低的水平，這樣管線和直流接地極附近的大地之間就存在電位差，這種電位差稱作傳導(dǎo)耦合干擾（如圖1所示）。

傳導(dǎo)耦合的大小受土壤電阻率的影響很大，傳導(dǎo)耦合的幅值隨著離開干擾源（這里為直流接地極）結(jié)構(gòu)距離的增加而衰減，但是衰減的速度取決于土壤的結(jié)構(gòu)。通常，油氣管線會受到周邊直流系統(tǒng)（尤其接地極）的傳導(dǎo)性耦合干擾。

在很多情況下，可能在臨近管道附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的傳導(dǎo)干擾或雜散電流，對周圍的金屬物體、甚至站在附近觸摸金屬的人員造成電擊傷害。而過高雜散電流，管地電壓會使管道涂層性能劣化甚至擊穿，結(jié)果加快管道的腐蝕或損壞絕緣法蘭和整流設(shè)備。

圖1 直流傳導(dǎo)干擾機(jī)理

1.2 研究方法

本文基于當(dāng)前國際最先進(jìn)的設(shè)計軟件CDEGS軟件包，通過建立直流干擾源與管道相對位置的模型，輸入干擾源與管道參數(shù)，進(jìn)行模擬計算分析從而得出所需結(jié)果。

對于直流接地極的電磁干擾和防護(hù)分析采用了CDEGS里的MALZ模塊，建立的分析模型具有以下特點：

• 1）模型中準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)土壤。
• 2）計算中考慮導(dǎo)體（管道等）的內(nèi)電阻，即管道電位沿管道不等。
• 3）精確地模擬管道系統(tǒng)涂層特性（即涂層電阻率及厚度等）。
• 4）三維網(wǎng)絡(luò)模型準(zhǔn)確模擬直流極與管道系統(tǒng)。

在直流條件下，通過求解Maxwell方程，準(zhǔn)確計算出泄漏電流、地電位和埋設(shè)的單個導(dǎo)體系統(tǒng)或?qū)w系統(tǒng)群的電磁場，從而可以分析直流極對金屬管道的影響，并且獲得轉(zhuǎn)移電位和轉(zhuǎn)移地電流值。

2 直流干擾計算模型的建立

2.1 土壤模型

一般而言，直流接地極接地系統(tǒng)的接地電阻和地電位升主要決定于深層土壤；而對于管道的管地電壓、電流密度、接觸和跨步電壓為地電位升的百分比而言，大地表層土壤特性起重要作用。南京換流站接地極極址位置的土壤電阻率平均分層情況見表1。

表1 土壤電阻率平均分層情況

2.2 直流接地極模型

接地極為雙環(huán)形布置，內(nèi)環(huán)半徑165m，外環(huán)半徑225m，埋設(shè)深度3.5m。極體布置如圖2所示。根據(jù)表1土壤電阻率的分層情況，利用CDEGS中MALZ計算機(jī)程序，對接地體進(jìn)行模擬計算，兩個直流極地址的接地電阻值分別為35m◆（大向莊極址）和31m◆（塔河極址）。

圖2 直流接地極模型

2.3 直流激勵參數(shù)

南京換流站接地極額定入地電流為5kA，雙極不平衡電流為50A，因此在計算分析中直流激勵參數(shù)采用以下兩種：1）直流接地極正常運行時，不平衡入地電流50A；2）直流接地極單極運行時，額定入地電流5kA。

2.4 金屬管線模型

管道參數(shù)模擬如下：

• 1）管道金屬相對電阻率（相對退火銅：電阻率◆=1.732×10-8◆?m）為5.7；相對磁導(dǎo)率（相對空氣）為300。
• 2）管道埋深為1.5m，即管道中心位于地下1.5m。
• 3）管道涂層厚度為1mm。
• 4）管道涂層電阻。管道采用3層PE外防腐層防腐，分別考慮以下兩種情況：①新建管道，涂層無破損或老化，涂層電阻為10k◆?m；②涂層存在缺陷（損傷或老化），嚴(yán)格起見，認(rèn)為涂層破損率為1%。
• 5）管道與直流接地極相對位置如圖3所示。
• 6）管道自然電位為◆0.55V。
• 7）其他。為計算嚴(yán)格起見，不考慮管道閥室與分輸站接地系統(tǒng)，不考慮沿管道絕緣法蘭、認(rèn)為管道無陰極保護(hù)措施。

圖3 管道與直流接地極相對位置

3 直流干擾計算結(jié)果與分析

3.1 評價指標(biāo)

目前，直流接地極對鄰近埋地油氣管道直流腐蝕影響的限值主要采用以下標(biāo)準(zhǔn)：

1）GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》

處于設(shè)計階段時，當(dāng)?shù)仉娢惶荻却笥诨虻扔?.5mV/m時，應(yīng)評估管道敷設(shè)后可能受到的直流干擾影響，并應(yīng)根據(jù)評估結(jié)果預(yù)設(shè)干擾防護(hù)措施。

沒有實施陰極保護(hù)的管道，宜采用管地電位相對于自然電位的偏移值進(jìn)行判斷。當(dāng)任意點上的管地電位相對于自然電位正向或負(fù)向偏移超過0.02V時，應(yīng)確認(rèn)存在直流干擾；當(dāng)任意點上的管地電位相對于自然電位正向偏移大于或等于0.10V時，應(yīng)及時采取防護(hù)措施干擾。

2）DL/T 5224—2014《高壓直流大地返回系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》

在接地極與地下金屬管道、地下電纜及非電氣化鐵路等地下金屬構(gòu)件的最小距離d小于10km，或者地下金屬管道、地下電纜及非電氣化鐵路等地下金屬構(gòu)件長度大于d，應(yīng)計算接地極地電流對這些設(shè)施產(chǎn)生的不良影響。

對非絕緣的地下金屬管道、鎧裝電纜，在等效入地電流Ieq下，如果泄露電流密度大于1◆A/cm2或者累計腐蝕量（厚度）影響到期安全運行，應(yīng)采取保護(hù)措施。

對用水泥或瀝青包裹絕緣的地下金屬管道，在等效入地電流Ieq下，如管道對其周邊土壤（相對于Cu-CuSO4電池）的電壓超出-1.5～+0.85V范圍，應(yīng)采取保護(hù)措施。

3.2 南京換流站兩極址計算結(jié)果

兩極址在兩種運行方式下對管道的干擾水平計算結(jié)果見表2。

表2 兩極址在兩種運行方式下對管道的干擾水平

由以上計算結(jié)果可以得知，兩極址在直流系統(tǒng)單極運行時在石油金屬管道處產(chǎn)生的管地地位均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范中要求的限值0.10V，需采取安全保護(hù)措施緩解其直流干擾的影響。其最大土壤電位梯度均在安全范圍2.5mV/m以內(nèi)，滿足新設(shè)計的管道或管道施工時的安全標(biāo)準(zhǔn)。

4 緩解措施

由3.2節(jié)可以看出，在直流極單極運行額定入地電流5kA情況下，在管道沒有實施陰極保護(hù)條件下，部分管道管地電位較自然電位正向偏移大于0.10V，不滿足參考安全指標(biāo)，必須設(shè)計防護(hù)措施。

目前常見的防護(hù)措施有：1）增加直流極與金屬管道距離；2）沿管道需要地方鋪設(shè)帶狀鎂合金；3）使用絕緣法蘭分段隔離管道；4）鋅陽極結(jié)合強(qiáng)制排流措施；5）強(qiáng)制排流措施。

由于前期石油管線已敷設(shè)好，并且接地極址更換困難，本文考慮采用沿管道需要地方鋪設(shè)帶狀鎂合金措施。

4.1 大向莊極址的帶狀鎂合金鋪設(shè)長度

考慮管道自然電位，圖4和圖5分別顯示直流極址干擾源在管道所在位置的地電場以及管地電壓。如果管道自然電位按◆0.55V考慮，正向偏移0.10V，距管道離直流極最近點前后約10km（往北8.22km，往南11.75km）范圍內(nèi)，管地電位較自然電位正向偏移大于或等于0.10V，地電位高于管道電位，受直流干擾嚴(yán)重，需要采取緩解措施。因此，如接地極放置在大向莊位置，石油金屬管道需在離其最近點以北9km、以南12km范圍內(nèi)沿管線鋪設(shè)帶狀鎂合金，可望降低直流干擾的影響至安全水平內(nèi)。

圖4 管道處地電場

圖5 管地電位

4.2 塔河極址的帶狀鎂鋁合金鋪設(shè)長度

考慮管道自然電位，圖6和圖7分別顯示直流極址干擾源在管道所在位置的地電場以及管地電壓。如果管道自然電位按◆0.55V考慮，正向偏移0.10V，距管道離直流極最近點往北15km，往南7.2km范圍內(nèi)，地電位高于管道電位，管地電位較自然電位正向偏移大于或等于0.10V，受直流干擾嚴(yán)重，需要采取緩解措施。因此，如接地極放置在塔河位置，石油金屬管道需在離其最近點以北15km、以南7.2km范圍內(nèi)沿管線鋪設(shè)帶狀鎂合金，可望降低直流干擾的影響至安全水平內(nèi)。

圖6 管道處地電場

圖7 管地電位

5 結(jié)論

基于現(xiàn)有計算方法和評價指標(biāo)，分析了換流站接地極選址對周圍石油管線的影響。

1）如接地極放置在大向莊，石油金屬管道需在離其最近點以北9km、以南12km范圍內(nèi)沿管線鋪設(shè)帶狀鎂合金，可望降低直流干擾的影響至安全水平內(nèi)。

2）如接地極放置在塔河，石油金屬管道需在離其最近點以北15km、以南7.2km范圍內(nèi)沿管線鋪設(shè)帶狀鎂合金，可望降低直流干擾的影響至安全水平內(nèi)。

可以看到，從換流站接地極對周圍石油管道影響來說，塔河極址較大向莊極址需敷設(shè)更長的帶狀鎂合金，緩解措施費用也較貴。當(dāng)然，在工程中還需結(jié)合接地極線路和極址對當(dāng)?shù)仄渌O(shè)施影響進(jìn)一步考慮，綜合比選出較優(yōu)的選址方案。