1 高壓直流輸電系統接地極干擾問題的發現

    2013年12月24日，廣東省天然氣管網有限公司從化分輸站氣液聯動球閥LineGuard控制箱引壓管和絕緣卡套部分被高溫熔化，引壓管絕緣卡套顏色發黑，上方引壓管也有發黑的印記，且離絕緣卡套左側約5cm位置的塑料管卡下端被完全熔化，離絕緣卡套右端約18cm處的塑料管卡下端也有熔化的現象（見圖1）。調查發現從化分輸站的氣液聯動閥有兩個位置的絕緣卡套（見圖2的1#和2#絕緣卡套）發生了高溫熔化。1#絕緣卡套兩端熔化粘結在一起，卡套內聚酰胺—酰亞胺絕緣件已熔化；兩個絕緣卡套切割開后，發現內部均有明顯的燒蝕現象（見圖3、圖4）。

    圖1 從化分輸站發生燒蝕現場圖片

    圖 2燒蝕的絕緣卡套位置示意圖

    圖3 1#絕緣卡套燒蝕圖片

    圖4 2#絕緣卡套燒蝕圖片

    通過調取該閥門附近的監控視頻發現，從化分輸站越站氣液聯動球閥執行機構12月24日晚上18:30分開始出現亮點，亮度在5分鐘內逐步達到最亮（見圖5），直至該晚22:00，亮點逐漸熄滅。

    圖5 從化分輸站監控視頻發現氣液聯動閥有發光點圖片

    調查發現此時間點與南方電網的貴廣Ⅱ回直流輸電系統（魚龍嶺接地極）12月24日出現故障，采取單極大地返回方式運行時間點一致。直流輸電系統一般采用雙極運行模式，利用正負兩極導線和兩端換流站的正負極相連，構成直流側的閉環回路，見圖6。當輸電線路故障或檢修時，會采取單極運行模式，利用導線和大地構成直流側的單極回路，見圖7。此時通過接地極入地的電流會對埋地管道造成干擾。此次貴廣Ⅱ回直流輸電系統采用單極大地回路運行時，魚龍嶺接地極將3125A直流電流泄放，省管網公司的管道距離魚龍嶺接地極垂直距離較近，接地極放電從化分輸站位置管道電位正向偏移（見圖8），從化分輸站的絕緣卡套一端與管道電連接，另一端與接地網電連接，造成絕緣卡套兩端存在很大電壓差，同時由于這兩個絕緣卡套絕緣性能下降，造成了絕緣卡套的發生了放電燒蝕熔化事件。

    圖6 高壓直流輸電系統雙極運行狀態

    圖7 高壓直流輸電系統單極運行狀態

    圖8 直流輸電線路單極運行時造成的管道干擾示意圖

    2 高壓直流輸電系統接地極干擾問題的研究

    在發現管道受到高壓直流輸電系統影響后，公司進一步排查發現高壓直流輸電系統放電對廣東管網造成了以下危害：（1）高壓直流輸電系統接地極放電時，線路恒電位儀無法正常運行，并且造成恒電位儀部分元件發生了燒毀（見圖9）。（2）有犧牲陽極位置的干線測試樁燒毀（見圖10）。（3）多個站場絕緣接頭位置的等電位連接器燒毀（見圖11）。（4）部分閥室的引壓管之間及指示器信號線接地套管與閥體接觸放電燒蝕（見圖12）。（5）管道防腐層破損點處發生腐蝕（見圖13）。

    圖9 恒電位儀元件燒毀圖片

    圖10 干線測試樁燒毀圖片

    圖11等電位連接器燒毀圖片

    圖12接地套管與閥體接觸放電燒蝕

    圖13 管道防腐層破損點處腐蝕圖片

    目前廣東省境內有5個高壓直流輸電系統接地極，分別為：魚龍嶺接地極、大塘接地極、翁源接地極、天堂接地極和觀音閣接地極。研究結果顯示，影響最大的接地極為魚龍嶺接地極。魚龍嶺接地極邊緣距離管道垂直距離為2.3公里（如圖14）。接地極放電時會對管道造成陰極和陽極干擾，干擾規律見圖15。接地極陽極干擾時，靠近接地極段的管道吸收雜散電流，管道電位負向偏移，遠離接地極段的管道排放電流，管道電位正向偏移；接地極陰極干擾時，靠近接地極的管道排放電流，管道電位正向偏移，遠離接地極段的管道吸收雜散電流，管道電位負向偏移。

    圖14 魚龍嶺接地極與管道相對位置示意圖

    圖15 高壓直流輸電系統接地極干擾規律示意圖

    通過安裝HVDC電位遠程監測系統和采用數值模擬軟件對高壓直流干擾進行模擬計算，受干擾最嚴重的管段為省管網一期管道的鰲頭首站至石角閥室段和鰲頭首站至廣州分輸站段。管道受干擾時的電位能達到100V以上（見圖16），遠超過人體和設備的安全電壓。閥室引壓管之間、絕緣卡套兩端和站場絕緣接頭位置存在幾十伏的電壓差，引壓管之間和絕緣卡套存在重大的放電燒蝕的風險。

    圖16 管道受高壓直流輸電系統接地極干擾電位分布圖

    總結高壓直流輸電系統接地極對管道干擾造成的危害主要表現在以下幾個方面：（1）造成管道電位嚴重偏移，存在人身和設備安全風險；（2）雜散電流流入管道位置，存在防腐層剝離和管道氫脆開裂的風險；（3）雜散電流流出管道位置，存在管道防腐層破損點處管體腐蝕風險。（4）雜散電流在管道中流動，影響設備的可靠性和天然氣站場及閥室防爆安全。

    經查詢，此類型的雜散電流干擾的緩解措施，國內外還沒有可參考的案例。研究結果顯示，如果將電流干擾影響緩解至目前標準要求的范圍，采取的緩解措施的經濟代價高，實施難度大。雖然通過本次研究初步提出了多個緩解目標和緩解措施，但由于目前認識和技術水平的限制，還沒有一種緩解措施能夠完全消除高壓直流干擾對管道造成的風險。

    3 高壓直流輸電系統接地極干擾的應急防護措施

    為降低設備燒蝕安全風險、加強電位監測和防止人員觸電，采取了以下應急防護措施：（1）將處于干線陰保系統保護的氣液聯動球閥進行接地，使閥體與Line Guard控制箱和閥位指示器之間形成等電位。（2）將站場絕緣接頭位置的等電位連接器更換為固態去耦合器，將站內外跨接，防止大電流排放時產生電位差。（3）對鰲廣干線犧牲陽極和靠近魚龍嶺接地極附近的鋅帶地床進行開挖，查看犧牲陽極腐蝕情況，對檢測發現的防腐層破損點及時進行修復。（4）加強恒電位儀的操作培訓及管理，優化恒電位儀操作流程，對現場人員進行相關處理步驟進行指導。在南方電網接地極泄流期間，嚴密監視恒電位儀輸出，當出現電位故障報警時，切換至恒流狀態，恒電流狀態下輸出電流超過額定輸出時，拆除零位接陰及陰極電纜。（5）實施陰保數據智能化采集，沿線安裝電位采集儀，對于管段受干擾情況進行實時監控。（6）與南方電網建立聯絡機制，計劃檢修及故障放電時及時通知公司采取安全防范措施，同時相應減少接地極泄流次數、降低接地極泄流大小和縮短接地極泄流時間。（7）現場增加安全警示標識，對管道測試樁噴涂“有電危險”安全標識，防止公眾誤觸管道測試樁觸電。（8）進一步研究高壓直流干擾緩解措施。

    4 高壓直流輸電系統接地極干擾緩解措施的深入研究

    為準確掌握高壓直流輸電系統接地極對管道腐蝕的情況和有效緩解造成的影響，在受干擾嚴重區域設置ER腐蝕速率探頭監測管道腐蝕程度，并將受干擾嚴重的鰲頭首站至廣州分輸站作為試驗段，研究不同緩解措施的緩解效果。

    鰲頭首站至廣州分輸站試驗段的緩解目標確定為：（1）受干擾時的管道電位控制在人體安全電壓±35V以內。（2）管道的腐蝕速率控制在NACE RP0775-2005要求的0.0254mm/y以下。（3）消除站場絕緣接頭兩端的電壓差。

    試驗段研究了3種高壓直流干擾的緩解措施：（1）在鰲頭首站和廣州分輸站分別安裝大功率智能雙向強制排流系統。（2）絕緣接頭位置安裝±4V直流排流器。（3）在線路敷設9處共計1.8公里鋅帶。通過試驗段研究表明，綜合采取多種緩解措施后，可以將該段管道受高壓直流干擾電位控制在±35V（見圖17），管道的腐蝕速率控制在0.0254mm/y（見圖18）。

    圖17 采取措施前后鰲頭首站至廣州分輸站段管道電位（黑色為緩解前，紅色為緩解后）

    圖18 采取措施前后鰲頭首站至廣州分輸站段管道的腐蝕速率

    2016年-2017年，試驗段研究成果應用于受接地極干擾的鰲頭首站至石角閥室管段的緩解，采取水平敷設3.93公里鋅帶和25口深井陽極（每口井安裝20米鋅帶）。通過整改效果測試發現，受高壓直流干擾電位控制在在±35V內，管道腐蝕速率小于0.0254mm/y，緩解效果達到預期目標。

    5 結束語

    從化分輸站絕緣卡套放電燒蝕事件，為國內首次發現高壓直流輸電系統接地極的對埋地輸氣管道的嚴重干擾。通過此次事件的調查和研究，掌握了高壓直流輸電系統接地極對管網干擾造成的危害。通過采取應急措施，消除高壓直流輸電系統接地極干擾對管道造成的安全風險。在國內首次進行高壓直流干擾緩解措施的實施，成功緩解了高壓直流輸電系統接地極對管道的干擾，達到了預期的緩解目標。

    作者：王革，男，1968年生，現任廣東省天然氣管網有限公司總經理。

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