隨著我國經濟的不斷發展,高壓直流輸電線路不斷增加,高壓直流接地極與管道臨近的情況越來越多,高壓直流接地極放電對在役管道影響的時間也越來越長。高壓直流輸電系統的運行方式主要有雙極運行和單極運行。單極大地回線運行時,輸電系統的運行電流達到上千安培,這些電流通過直流接地極流入或流出大地,對接地極附近管道造成很大程度的干擾[1-2]。 

國內專家就埋地管道受高壓直流輸電系統接地極放電干擾問題進行了較多研究,并提出了諸如犧牲陽極、強制排流和分段絕緣等多種緩解措施[2-9]。其中,關于管道分段絕緣緩解措施的研究多采用模擬計算或試驗的方式進行,而對在役管道實施分段絕緣后的效果評價涉及較少。孟曉波等[10]研究發現,對于受從化接地極放電影響的管道,大部分位置電位顯著降低,但個別位置電位反而增大,出現新的干擾點。白鋒等[11]研究發現管道分段絕緣措施可有效降低管地電位差和泄漏電流密度,但絕緣接頭端部可能成為管道腐蝕或氫脆的風險點。分段絕緣后,管道縱向接地電阻變大,吸收的直流接地極放電電流減少,從而減小管地電位差和泄放的直流電流；分段絕緣后,只有兩個絕緣接頭之間的管道才會受到干擾,這說明分段絕緣可顯著減少受干擾管道的長度。 

作者對某在役輸氣管道安裝3處絕緣接頭,當同一高壓直流接地極以近似相等的電流放電時,監測管道電位,通過管道電位變化對埋地管道分段絕緣效果進行評價,并對檢測過程中發現的腐蝕風險進行分析。 

1.   項目背景

該輸氣管道位于華南區域,周圍有多個直流接地極,其中有2個接地極（接地極A和B）距離管道較近,對其干擾較為嚴重。由圖1可見,接地極A與干線管道距離6.4 km,與最近的2號閥室距離為13.6 km。接地極B與干線管道直線距離9 km,與最近的2號站場距離為10 km。 

圖  1  接地極、管道、站場和閥室位置圖

Figure  1.  Location map of grounding electrodes, pipeline, stations and valve rooms

為監控和減緩直流接地極放電對管道的干擾影響,管道單位在1號站場至2號站場之間增加了多處智能測試樁,并于2018年7月至2018年12月為干線管道增加了3處絕緣接頭（分別位于1號閥室、2號閥室和6號閥室）。新增的3處絕緣接頭與原有的2個絕緣接頭（1號站場出站絕緣接頭和2號站場進站絕緣接頭）,將整條干線管道劃分為4段相互絕緣的管道。 

2.   高壓直流接地極放電時管道電位

根據南方電網提供的數據,對2017年1月至2019年11月15日,接地極A和接地極B的放電數據進行匯總,如表1所示。接地極A有3次放電,合計2.1 h；接地極B有53次放電,合計89.98 h。 

高壓直流接地極放電具有放電不規律、放電時間短和放電電流大等特點,導致附近管道電位檢測較為困難。國內多采用智能測試樁（電位遠傳監測系統）對接地極放電時管道電位進行監測[12]。由于高壓直流接地極單次故障放電時間較短,因此智能測試樁的監檢測時間不能小于10 min,同時適當擴大測試電位的范圍（甚至達到-300~+350 V）。為保障監檢測數據的連貫性和穩定性,智能測試樁的電池電量至少滿足連續測試1 a的需求。 

對多個智能測試樁自安裝以來的通電電位和斷電電位進行了統計和分析。在所收集的智能測試樁數據中,通電電位最正值為241.6 V（vs CSE,下同）,出現在接地極A放電電流為3 200 A且距離接地極A最近的704號樁,如圖2所示；通電電位最負值為-201.732 V,出現在接地極B放電電流為3 300 A且距離接地極B最近的825號樁,如圖3所示。很顯然,管道通電電位極值與高壓直流接地極放電電流、接地極與管道的距離相關。 

圖  2  管道704號樁通電/斷電電位

Figure  2.  On/off potentials of pipeline near pile No.704

圖  3  管道825號智能樁通電/斷電電位

Figure  3.  On/off potentials of pipeline near pile No.825

接地極A距離管道最近,因此采用全線智能樁測試數據。圖4為接地極A在3 200 A放電工況下1號站場到2號站場全線通電電位的分布情況。該次放電發生在2018年8月28日19：46至20：31,當時1號站場至2號站場之間僅有2個絕緣接頭。結果表明,靠近接地極A的管道通電電位為正值,表示電流從管道流出,存在腐蝕風險的管道長度約為50 km；而兩端管道通電電位偏負,表示電流流入管道,距離接地極A最遠的831號樁（接近2號站場絕緣接頭）電位仍為-75.76 V。因此,該直流接地極放電可影響到112 km外的管道。 

圖  4  接地極A放電電流3 200 A條件下1號站場至2號站場管道通電電位

Figure  4.  On potentials of pipeline from station No.1 to station No.2 with discharge current of 3 200 A from grounding electrode A

3.   分段絕緣措施實施前后接地極B放電時電位變化

根據相關資料,分段絕緣防護用絕緣接頭于2018年7月至2018年12月施工安裝。由于接地極A放電次數較少,因此作者選取分段絕緣措施實施前（2017年10月至2018年6月）與分段絕緣措施實施后（2019年1月至2019年9月）,接地極B放電電流為1 000 A時,管段的部分電位數據進行對比,分析分段絕緣措施對高壓直流干擾的防護效果。 

由圖5和圖6可見,當接地極B陽極放電時,防護措施實施前,1號站場至1號閥室段管道通電電位為5.327~11.497 V,斷電電位為0.203~1.475 V,電流流出,存在腐蝕風險；防護措施實施后,當接地極B陽極放電時,該段管道通電電位和斷電電位均變為正常的陰極保護電位（-1.787~-0.968 V）,腐蝕風險較小。1號閥室至2號閥室之間的691號樁數據顯示,當接地極B陽極放電時,防護措施實施可顯著降低691號樁附近管道的腐蝕風險。當接地極B陽極放電時,2號閥室至6號閥室之間704號至779號樁數據顯示,防護措施實施對該段管道影響不明顯,僅部分智能測試樁處斷電電位負向偏移,但仍為正值,存在腐蝕風險。 

圖  5  接地極B陽極放電時1號站場至2號站場管道通電電位

Figure  5.  On potentials of pipeline from station No.1 to station No.2 during anode discharging of grounding electrode B

圖  6  接地極B陽極放電時1號站場至2號站場管道斷電電位

Figure  6.  Off potentials of pipeline from station No.1 to station No.2 during anode discharging of grounding electrode B

分段絕緣措施實施后,相對于原來1號站場至2號站場之間的管道接地電阻,6號閥室至2號站場之間的管道接地電阻變大了,因此推測汲取的接地極放電電流會變小。防護措施實施后,825號至833號樁管道通電電位明顯正于防護措施實施前的通電電位,這驗證了上述推論。 

由圖7和圖8可知,當接地極B陰極放電時,1號閥室至2號閥室之間的648號至691號樁數據顯示,防護措施實施后,該段管道通電電位正移,這說明防護措施實施可使該段管道受到較小的干擾影響。當接地極B陰極放電時,2號閥室至6號閥室之間704號至779號樁電位顯示,防護措施實施前后,該段管道通電電位變化不明顯,僅部分測試樁通電電位負向偏移。當接地極B陰極放電時,6號閥室至2號站場之間的794號至833號智能樁電位顯示,防護措施實施前,該段管道通電電位均為正值,存在腐蝕風險；防護措施實施后,6號閥室至814號樁之間的管道通電電位和斷電電位負移,減小了6號閥室至2號站場之間管道的腐蝕風險。 

圖  7  接地極B陰極放電時1號站場至2號站場管道通電電位

Figure  7.  On potentials of pipeline from station No.1 to station No.2 during cathode discharging of grounding electrode B

圖  8  接地極B陰極放電時1號站場至2號站場管道斷電電電位

Figure  8.  Off potentials of pipeline from station No.1 to station No.2 during cathode discharging of grounding electrode B

綜述所述,防護措施實施可顯著緩解1號站場至1號閥室之間管道受到的干擾,降低其腐蝕風險,降低691號樁附近管道的腐蝕風險。分段絕緣措施實施后,6號閥室至2號站場之間的管道接地電阻變大了,接地極陽極放電時,該段管道汲取的接地極放電電流變小；接地極陰極放電時,6號閥室至814號樁之間管道通電電位和斷電電位負移,降低了6號閥室至2號站場之間管道的腐蝕風險。但分段絕緣措施實施對2號閥室至6號閥室之間的管道影響不明顯。 

4.   風險分析

4.1   放電結束后管道腐蝕風險

考察接地極B陰極放電時825號樁管道電位變化。接地極B陰極放電開始時間為2019年9月15日3：03,放電持續時間為135 min,入地電流為1 125 A,結束時間為2019年9月15日5：18。從圖9和圖10數據分析,斷電電位沒有在放電結束之后立即恢復到放電前（負于-1.0 V）,而在管道極化9~10 h之后,斷電電位才負于-0.85 V,極化大約17 h之后即2019年9月15日22點之后,斷電電位才負于-1.0 V。這表明當管道受高壓直流接地極放電影響,電位正向偏移至大于0 V（本次放電時斷電電位正移到0.5 V）時,管道極化需要花費很長的時間,才能使其電位達到-0.85 V,而在這段時間內,管道存在腐蝕風險。 

圖  9  接地極B陰極放電前后825號樁管道電位

Figure  9.  Pipeline potentials near pile No.825 before and after cathode discharging of grounding electrode B

圖  10  接地極B陰極放電前后825號樁管道斷電電位

Figure  10.  Off potentials of pipeline near pile No.825 before and after cathode discharging of grounding electrode B

當接地極泄放直流雜散電流時,該段管道可能會發生如下反應： 

隨著泄放電流密度的增加,水更易發生電解反應,產生氧氣。反應將導致管道附近的pH變小。而當放電停止后,管道吸收陰保電流,變為陰極,發生陰極反應。大量H+和O2的存在導致極化所需要的時間延長,因此管道恢復到原始極化電位的時間很長,管道腐蝕風險大大增加。 

4.2   新增絕緣接頭后管道腐蝕風險

直流接地極放電時,遠端管道汲取/泄放電流,電流可通過新增絕緣接頭兩側流入/流出管道,返回至距離接地極最近的管道并產生泄放/汲取電流現象,最終返回接地極。因此,當直流接地極放電時,可能在新增絕緣接頭兩側產生電流的流入或流出,在流出側電位正移,使管道存在腐蝕風險。 

采用數據記錄儀同步監測高壓直流接地極B放電時,1號閥室和6號閥室新增絕緣接頭兩側的斷電電位。由圖11可見,正常工況下,1號閥室新增絕緣接頭上游管道斷電電位在-1.2~0 V波動,下游管道斷電電位在-2.5~-1 V波動；但直流接地極B放電時,1號閥室新增絕緣接頭上游管道斷電電位負移至-11 V左右,下游管道斷電電位正移至+3 V左右,顯然下游管道存在較大的腐蝕風險。由圖12可見,6號閥室新增絕緣接頭兩側的斷電電位與1號閥室新增絕緣接頭兩側斷電電位類似,當直流接地極放電時,上游管道存在較大的腐蝕風險。 

圖  11  接地極B放電時1號閥室絕緣接頭上下游管道斷電電位

Figure  11.  Off potentials of pipeline upstream and downstream of insulation joint in valve room No. 1 during discharging of grounding electrode B

圖  12  接地極B放電時6號閥室絕緣接頭上下游管道斷電電位

Figure  12.  Off potentials of pipeline upstream and downstream of insulation joint in valve room No. 6 during discharging of grounding electrode B

5.   結論

（1）考慮到高壓直流接地極放電時具有放電不規律、放電時間短、放電電流大等特點,在受干擾管段安裝智能測試樁監測接地極放電時管道電位,但其采集電位的間隔時間不能大于10 min。 

（2）對2017年1月至2019年11月15日期間接地極B的放電數據進行匯總,獲得該接地極年放電時間為30 h。 

（3）采用分段絕緣措施改善直流接地極放電對管道的干擾。防護措施實施可顯著緩解遠端管道的受干擾程度,使受干擾的管道長度變短,腐蝕風險集中在距離接地極較近的管道和絕緣接頭兩側,因此僅需對腐蝕風險集中的管段繼續采取諸如敷設鋅帶等干擾緩解措施,使風險可控并減少投資。

文章來源——材料與測試網