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特高壓直流入地電流對埋地鋼管陰極保護的干擾影響

2023-01-10 14:00:04 作者：鐘雪1，張文艷1，但濤2 來源：1.西南油氣田分公司集輸工程技術研究所；2.西南油氣田分公司蜀南氣礦分享至：

隨著高壓/特高壓直流輸電線路、電氣化鐵路的大規模建設，油氣管道沿線的交直流干擾越來越嚴重。在接地極單極運行或故障檢測時，通過接地極的瞬間入地電流可高達上千安培，對周圍埋地管道造成嚴重直流干擾，使管地電位大幅正向或負向偏移，導致防腐蝕層剝離、管道腐蝕加速，甚至會造成人員傷亡、設備損害等事故，嚴重威脅管道安全平穩的運行。

在特高壓輸電系統單極放電情況下，因直流電壓、放電時間、接地極放電電流等因素的影響，接地極入地電流對附近埋地鋼管和陰極保護系統造成的干擾程度、影響范圍、腐蝕風險會有所不同。近些年來，國內關于高壓/特高壓直流輸電系統對埋地鋼質管道干擾的研究較多。

本工作以川渝地區某集輸管道和共樂接地極為研究對象，通過監測特高壓直流接地極單極放電過程中管道陰極保護參數，分析了入地電流對管道陰極保護的干擾范圍及影響程度。

1、管道情況

川渝某集輸管道全長110.4 km，采用L485M螺旋縫埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管，外防腐蝕層采用工作溫度不超過50 ℃的常溫型三層PE。管道沿線耕地以山坡旱地和坡地梯水田為主，區內土壤電阻率在11.31～251.2 Ω·m，土壤腐蝕性等級以中等腐蝕性為主，強腐蝕性次之，少量基巖地區為弱腐蝕性。

集輸管道沿線設置5座截斷閥室，管道陰極保護系統包括2#、3#和5#閥室處的3座陰極保護站，120個普通測試樁，18個智能測試樁，47處直流排流設施（遠端排流點2處、局部接地鋅帶排流點45處）；在首站、末站以及距首站38.6 km（35#樁）和86 km（84#樁）處設置有絕緣接頭；同時在進、出閥室兩側管道的合適位置（距離閥室50~100 m）各設置一處過電位保護點，各過電位保護點安裝了防浪涌保護裝置對閥室進行排流保護，防止管道線路上的電涌對閥室內設備的沖擊和干擾。

2、接地極情況

該管道途經共樂接地極。該接地極為向家壩-上海800 kV特高壓直流輸電線復龍換流站和宜賓-金華800 kV特高壓直流輸電線宜賓換流站共用，管道與接地極的最近距離約14.8 km，其位置關系如圖1所示。共樂接地極極環采用同心雙圓環布置：內環半徑為240 m，埋深為3.5 m，焦碳填充截面為0.6 m×0.6 m；外環半徑為315 m，埋深為4 m，焦碳填充截面為0.6 m×0.6 m。共樂接地極設計性能如下：額定電流4540 A，暫態電流6045 A（3 s），最大電流8500 A（20 min）。

圖1 管道與接地極位置關系示意圖

3管道陰極保護有效性

共樂接地極放電期間（電流2900 A），對管道沿線通電電位/斷電電位進行監測，結果如圖2所示。由圖2可知：在共樂接地極放電期間，管道87#樁斷電電位最正，為-0.556 V，35#樁上游位置斷電電位最負，為-1.168 V；管道斷電電位正于-0.85 V即極化電位不達標的測試樁共有11處，分別為20#、50#、52#、62#、65#、78#、82#、83#、84#上游、84#下游、87#；靠近接地極最近的測試樁電位正向移動，入地電流由近端流出管道，判斷此次接地極放電為陰極放電。

圖2 共樂接地極放電期間管道沿線電位分布

4管道電位偏移

兩處絕緣接頭將管道分成3段，共樂接地極放電期間每段絕緣管道都存在電流流入、流出管段。在共樂接地極放電期間（電流2900 A），在各測試樁處對管道通電電位/斷電電位進行連續監測，管道沿線電位偏移量及不同時刻管道通電電位分布如圖3和圖4所示。

圖3 共樂接地極放電期間管道沿線電位偏移量

圖4 共樂接地極放電期間不同時刻管道通電電位分布

結果表明：在首站至35#樁、35#樁至48#樁、72#樁至84#樁、87#樁至末站，管道電位負向偏移，這些管段為本次放電期間的陰極區，接地極放電形成的雜散電流由此區域流入管道，管道表面無腐蝕風險；在50#樁至72#樁、84#樁至87#樁，管道電位正向偏移，這些管段為本次放電期間的陽極區，雜散電流由此區域流出管道，管道表面漏損點位置有腐蝕風險；在管道陰極區，管道通電電位最負達到-3347 mV，負向偏移量為2332 mV；在管道陽極區，管道通電電位最正達到+189 mV，正向偏移量為1381 mV；電位負向偏移管段長度約79 km，電位正向偏移管段長度約28 km，接地極放電對管道全線均造成了干擾影響。

5絕緣接頭兩側電位

絕緣接頭作為線路陰極保護系統的防護措施，實現線路分段絕緣：在首站至35#樁，35#樁至84#樁，84#樁至末站。對35#樁處絕緣接頭上下游管道電位進行分析，如圖5所示。由圖5可知：在1:17左右，絕緣接頭兩側電位出現分化，呈相反趨勢，1:25-1:57兩側電位差值達到極值，巨大的電位差導致此處絕緣接頭腐蝕風險較高；此次接地極放電干擾影響時間為1:17-1:57，管道受到約40 min持續放電干擾，放電結束后管道電位基本恢復至干擾前水平。

圖5 不同時刻35號樁上下游管道通電電位

6鋅帶排流量

線路上共設置28處鋅帶，其中21處鋅帶與管道未連接，放電前通過管道陰極保護測試發現41#和61#測試樁處鋅帶開路電位分別為-0.99 V和-0.94 V；放電期間對5處鋅帶進行了排流量監測，分析鋅帶排流效果，監測結果見表1。結果表明：共樂接地極放電時，通過鋅帶流入流出的電流量明顯增大，鋅帶能起到良好的排流作用；但接地極放電量較大時，由于鋅帶自身排流的局限性，無法完全抑制干擾。

表1 共樂接地極放電期間鋅帶排流量

7恒電位儀輸出電流

圖6 不同恒電位儀輸出電流曲線

由圖6可見：共樂接地極放電前，3臺恒電位儀輸出電流平穩；此次接地極為陰極放電，干擾電流從管道遠端流入近端流出，為抑制雜散電流干擾，靠近接地極的2#和3#閥室處陰極保護站的恒電位儀輸出電流增大，2#閥室處恒電位儀輸出電流由0.8 A增大至5.2 A；3#閥室處恒電位儀輸出電流由3.2 A增大至7.3 A后，由于無法抵抗外部干擾，電位儀出現故障，自動啟動保護功能，無法正常工作，接地極放電結束后，依舊處于故障狀態；5#閥室處管道兩端電位負向偏移，恒電位儀輸出降低，由1.2 A降低至0.1 A；在接地極放電結束后，2#和5#閥室處恒電位儀輸出電流瞬間恢復至正常狀態，對雜散電流干擾響應迅速，自動調整時間基本無遲滯現象。

8結論與建議

通過連續監測共樂接地極放電期間管道電位，分析了接地極放電對該管道電位的偏移、干擾范圍及影響程度，得到了以下結論：

(1) 共樂接地極陰極放電時（電流2900 A），管道全線共有11處極化電位不達標。(2) 50#樁至72#樁、84#樁至87#樁是本次放電期間的陽極區，管道表面漏損點位置有腐蝕風險。(3) 電位負向偏移管段長度約79 km，電位正向偏移管段長度約28 km，接地極放電對管道全線均造成了干擾影響。(4) 管道受到約40 min持續放電干擾，絕緣接頭兩側電位差值大，腐蝕風險較高。(5) 在接地極放電期間，恒電位儀和鋅帶能起到良好的干擾緩解和抑制作用，但由于鋅帶自身排流的局限性以及恒電位儀工作狀態，當接地極入地電流較大時，現有設施無法完全排除干擾將電位控制在標準許可范圍內。結合管道陰極保護情況及測試結果，提出以下幾點建議：(1) 為掌握全年接地極的放電情況及放電對管道的干擾影響，建議在管線陰極保護末端、干擾嚴重段、干擾分界點等位置安裝陰極保護智能測試樁，定期監測管線各項參數。(2) 接地極放電時絕緣接頭兩側電位呈相反趨勢，電位差大，絕緣接頭腐蝕風險高。建議在絕緣接頭內外側安設腐蝕監測點，定期監測絕緣接頭內外側腐蝕情況。(3) 對全線陰極保護系統進行輸出調試，適當提高恒電位儀輸出，在接地極未放電情況下保證管道全線陰極保護電位達到標準要求；同時在陰極保護系統末端、干擾嚴重區域等保護薄弱位置增加犧牲陽極補充保護。(4) 定期檢查管線上排流鋅帶與管道的連接狀態，確保連接有效；定期測試排流鋅帶的相關參數，包括鋅帶開路電位、鋅帶接地電阻等，確保鋅帶的有效性。

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