2016年8月第19卷第8期 2016,Vol,19,No.8 贵州电力技术 GUIZHoU ELECTRIC P0WER TECHNoLoGY 专题研讨 SpeciM Repots 高压直流输电系统接地极对油气管道影响分析 何衍和,肖磊石 (广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州,510080) 摘要:分析了接地极入地电流对油气管道腐蚀机理,防止管道杂散电流腐蚀措施、以及下一步可研方向,指出重点 需解决接地极极址与周边油气管道安全距离的核算,单极大地回线方式下直流杂散电流对周边油气管道影响程度 以及直流杂散电流大小、土壤电阻率、接地极与管道距离等参数对腐蚀影响的贡献权重问题,以建立直流接地极的 多维度安全性评价体系。 关键词:接地极;管道;高压直流输电 文章编号:1008—083X(2016)8—0042—05中图分类号:TM721 文献标志码:B 随着国家西电东送战略实施,截止2014年底, 南方电网已投运天广直流、贵广I回直流、贵广II回 直流、云广直流、牛从直流、普侨直流以及三广直流 随着南方电网±500 kV金中直流、±500 kV观 音岩直流、±800 kV滇西北送广东等直流工程的相 继开工建设以及征地问题的Et趋紧张,存在在同一 走廊中同时有直流接地极和油气管道等多个系统的 问题。 共8回特(超)高压直流输电线路,且受端落点均为 广东。广东境内共有广州换流站、肇庆换流站等7 座换流站,5个直流接地极。具体分布见表1所示。 表1 广东境内换流站和接地极分布情况 Tab.1 Guangdong territory convener station and distribution of grounding 随着南方电网±500 kV金中直流、±500 kV观 反应,导致金属管道的电化学腐蚀。高压直流输电 系统接地极对金属管道安全运行的主要影响为腐 蚀。另外,接地极对管道附属设施的影响主要是对 阴极保护设施的干扰和对管道阀门内部接头的绝缘 损坏。 音岩直流、±800 kV滇西北送广东等直流工程的相 继开工建设以及征地问题的日趋紧张,存在在同一 走廊中同时有直流接地极和油气管道等多个系统的 问题。当特(超)高压直流输电系统直流工作电流 (如:单极大地回线方式下)或不平衡电流通过直流 接地极泄人大地时,将引起附近土壤中各点电位变 据统计在我国东北2 000余公里原油管线 中,受到直流杂散电流影响的管段约5%,在穿越 化,埋地金属管道若处于不同电位的土壤介质中,将 在管道上形成纵向电流,影响管道阴极保护系统的 电力线路、电气化铁路走廊的油气管道发生直流 杂散电流腐蚀穿孔的事故尤为突出 。直流杂 正常运行,并在电流离开金属的地方发生阳极腐蚀 ·散电流引起的油气管道穿孔腐蚀是威胁地下管 42· 第8期 何衍和,等:高压直流输电系统接地极对油气管道影响分析 道安全运行的重要潜在隐患,随着南方电网多回 高压直流线路的陆续投产运行,直流接地极入地 电流对沿线油气管道的影响日益显现,必须予以 充分重视。 l 高压直流输电系统接地极入地电流的 产生 传统高压直流输电系统主要有单极大地回路、 单极金属回路和双极运行共3种运行方式。其中, 在单极大地回线方式和双极两端接地方式下,接地 极不仅起钳制中性点电位作用,同时为直流电流提 供通路 J。 1.1双极运行 正常工况下,直流输电系统一般采用双极两端 接地方式运行,由于换流变阻抗和触发角等偏差,两 极的电流不绝对相等,有不平衡电流流过接地极,通 过控制系统调节,一般将接地极入地电流控制在额 定直流电流的1%之内。如图1所示。 ,橙I 送蟥换泷姑 ,撮I受蝤抉溉站 ,G= I一,韫Ⅱ 图1 高压直流输电系统双极运行 Fig.1 HVDC bipolar operation 1.2单极大地回线运行 直流输电系统投入双极运行后,当一极故障退 出运行时,为稳定系统,系统需从双极切换到单极大 地回线运行,此时通过接地极人地电流即为直流输 电系统的运行电流,如图2所示。 l I 送蝤换流站lo。,曩l 受鲻授煎站 图2高压直流输电系统单极大地回线运行 Fig.2 HVDC monopolar ground loop operation 当直流系统处于单极大地运行方式下时,入 地的大电流易带来很大的问题。例如在天广直流 输电工程中直流接地极的设计额定电流是 1800A,三峡电站向华东送电直流接地极的设计额 定电流为3000A。当强大的直流电流经接地极注 入大地时,在极址土壤中形成一个恒定的直流电 流场,并伴随着出现地电位升高、直流杂散电流累 积等问题 。 2接地极入地电流对油气管道腐蚀影响 2.1 埋地油气管道的腐蚀类型 埋地油气管道在土壤中主要存在三种腐蚀类 型:土壤腐蚀、微生物腐蚀和杂散电流腐蚀。这三种 腐蚀中,前两种腐蚀类型是土壤中的自然腐蚀,其腐 蚀电流的数量级较小,一般在几毫安或微安级。而 杂散电流腐蚀遵从电解腐蚀机理,按法拉第电解定 律,电腐蚀影响的电腐蚀量可用下式表示: m= m “ ㈩d’L t 式中:m为在t ~t 时间内电腐蚀的金属质量, kg;V为金属材料的化合价;K =9.65 x 107为法拉 第常数,c/(kg·too1);ma为金属材料的原子量;i (t)为流过电极的电流,A;tl、t2为时间,S。 从上式中可知,金属的腐蚀量和电流强度呈 正相关性,当高压直流输电系统在单极大地回线 方式下运行时,经接地极人地电流为系统额定电 流,达到数千安培,远超过土壤自然腐蚀电流数量 级。因此,杂散电流腐蚀在油气管道中不如土壤 腐蚀普遍,但其造成的管道腐蚀穿孔的速度和次 数更严重。经计算,1 A的杂散电流可在1年内腐 蚀掉9.13 kg的钢铁。杂散电流腐蚀具有局部集 中特征,当杂散电流通过油气管道防腐层的缺陷 点或漏铁点流出时,在该部位管道将产生激烈的 电化学腐蚀,短期内就可以造成油气管道的穿孔 事故。防腐层的缺陷点或漏铁点愈小,相应的电 流密度愈大,杂散电流的局部集中效应愈突出,腐 蚀速度愈快 。 2.2接地极直流杂散电流腐蚀机理 当高压直流输电系统单极大地返回运行时,接 地极的人地电流通过土壤中的电解质实现导电,由 于埋地管道为地电流传导提供了比周围土壤导电性 能更强的导电特性,人地电流可使接地极附近的埋 地管道产生电腐蚀,如图3所示。由于埋地管道的 集流效应,埋地管道的一侧汇集了土壤中的杂散电 流,因此管道上的电流密度更大,埋地管道的另一侧 又将电流释放到土壤中,此过程将对金属构件形成 电腐蚀 。 直流杂散电流从管道上流出位置为阳极区,能 ·43· 贵州电力技术 第19卷 够发生腐蚀;而杂散电流流人管道的区域为阴极区, 虽不会发生腐蚀,但常伴随着出现管/地电位负偏移 过大,有超出管道防腐层析氢电位,产生过保护的可 能,如图4所示。 图3直流接地极入地电流散流示意图 昏3 DC grounding into the ground current flow diagram loose 地面 被腐蚀区 流入的杂散电流 流出的杂散电流 图4直流杂散电流引起的电腐蚀 Fig.4 DC stray current corrosion caused by electrical 通过上述分析知,当金属管道附近有直流接地 极时,都会有部分直流电流通过该金属导体分流,造 成电流流出金属导体的部位电化腐蚀,本质上这是 一种电解反应中的阳极金属溶解损耗,流过导体的 电流决定了管道的腐蚀程度,而流过导体的电流则 是由导体上的电位以及导体本身的材质决定的。综 上可知:若在一个运行模式确定的直流接地极附近 有一根大小、材质等参数固定的金属管道,则金属管 道上的电场强度决定了管道的腐蚀程度。而接地极 的型式、金属管道的埋设深度、管道所在土层的电阻 率等因素会影响管道上的电场强度 “ 。 3油气管道防止入地电流腐蚀措施 目前油气管道杂散电流腐蚀的防护工作,石油 天然气单位作为管道业主单位,主要由其组织开展。 在技术上一般采取“以防为主,以排为辅,防排结 合,加强监测”的综合防护措施 。具体来讲主要 有以下几项措施: .44· 3.1避开杂散电流干扰源 管道布线时选择合理的走向,避开地铁、电气 化铁路、输变线路、城市、工厂等杂散电流干扰源, 是减少杂散电流腐蚀的最有效措施E13]。国内外很 多标准对避开杂散电流干扰源的安全距离进行了 规定。德国《关于三相高压电力系统和单线铁道 牵引系统附近的管道设备和运行标准》规定,并行 10 km以上的绝对安全间距为1 km;我国石油行 业标准SY/T0032—2000《埋地钢制管道交流排流 保护技术标准》规定,管道与10 kV或35 kV高压 线排流点的距离为2.5 m,管道与110 kV高压线 排流点的距离为15m,管道与220 kV高压线排流 点的距离为30m。此外,GB50253—2003《输油管 道设计规范》中规定,输油管道应敷设在距离铁路 用地3m以外 。 在电力行业标准DL/T 437—2012<<高压直流接 地极技术导则》和DL/T 5224((高压直流输电大地返 回运行系统设计技术规范》中提出:如果接地极与 地下金属管道、地下电缆、非电气化铁路等地下金属 构件的最小距离(d)小于10 km,或者地下金属管 道、地下电缆、非电气化铁路等地下金属构件的长度 大于d,应计算接地极电流对这些设施产生的不良 影响 一 。 3。2增大管地电阻,提高管道防腐绝缘 根据杂散电流腐蚀的电路模型,增大管地问电 阻是减小杂散电流行之有效的方法之一l1 。管道 杂散电流腐蚀作为电腐蚀的基本属性,理论上杂散 电流不在管道中流动就不会造成“牺牲阳极”的腐 蚀问题,通过采用等级高的管道防腐绝缘层可以同 时增大管地间电阻。 3.3排流保护 根据石油行业标准SY/T0017—2006((埋地钢质 管道直流排流保护技术标准》中要求,用电缆将被 保护的金属管道与排流设备连接,使杂散电流引回 电气设备或引至地极,使被保护的管道变为阴极性, 从而防止金属管道发生阳极腐蚀。根据电气连接回 路不同,分为直接、极性、强制和接地排流,因为各方 法都有其优缺点,所以要根据实际情况选择合适的 排流方法 。目前,国内外采用排流保护法来控 制地铁杂散电流腐蚀。 3.4阴极保护 从电化学腐蚀原理可知,电化学腐蚀主要发生 第8期 何衍和,等:高压直流输电系统接地极对油气管道影响分析 在阳极区域,阴极保护法就是根据该原理,采用电化 结合电力行业在该问题上的角色定位以及南方 电网在直流接地极选址、设计、运行等环节面临的实 学方法使被保护的金属物处于阴极电位¨ 川。阴 极保护法又可分为牺牲阳极保护法和强制电流保 护法。 际问题,下一步可从以下几点进一步开展研究工作: (1)对单极大地回线方式下接地极地中电流分 4直流接地极对油气管道影响下一步可研 方向 综上所述,高压直流输电系统接地极对油气管 道的影响主要是地下直流杂散电流的腐蚀问题。随 布展开基础性仿真研究,考虑土壤不同分层、分块条 件下的复合土壤模型。 (2)对设计阶段的直流接地极,关键解决接地 极极址与周边油气管道安全距离的问题。针对现有 标准中部分条款的模糊,完善研究当接地极与地下 着近几年高压直流输电的发展,该问题日益显现,相 关科研机构、设计院等单位开展了初步研究。总体 上来看,直流输电系统在单极大地回线运行方式下, 千安数量级的直流杂散电流对接地极周边地下金属 构筑物的腐蚀影响,从接地极选址与油气管道的安 全距离、直流杂散电流腐蚀影响程度的判定、各种防 腐措施的有效性和针对性等问题上缺乏一揽子的系 统性解决方案。 从已有的研究成果上看,研究主要针对金属 管道埋地深度、管道距接地极距离、电流密度等参 数,采用数值计算或商业计算软件仿真,得出常理 性结论,如管道距接地极距离与管道腐蚀程度呈 负相关性,管道埋设深度对腐蚀影响相关性小等 等。但如何将数值仿真结果,上升至工程应用上, 尚缺乏系统性研究和试验验证工作,参见工程上 面临的问题。 从工程应用上看,在DL/T 437—2012《高压直 流接地极技术导则》和DL/T 5224{高压直流输电大 地返回运行系统设计技术规范》中,均对杂散电流 对地下金属构件的影响提出了相应要求,但缺乏具 体技术实施步骤。比较典型的如DL/T 5224中要求 “9.1.1如果接地极与地下金属管道、地下电缆、非 电气化铁路等地下金属构件的最小距离(d)小于10 km,或者地下金属管道、地下电缆、非电气化铁路等 地下金属构件的长度大于d,应计算接地极电流对 这些设施产生的不良影响”。如何计算不良影响目 前标准均没有提及。在设计院层面,针对接地极的 设计目前更多的是考虑是接地极型式、跨步电压接 触电压等常规因素,对接地极的选址往往参照“原 则上极址10 km范围内不宜有地下金属管道、铁道 及有效接地的送变电设施”。随着征地问题日益严 峻,糯扎渡直流工程、滇西北送深圳直流工程均面临 接地极选址难题。 金属构件的最小距离(d)小于10 km,或地下金属构 件的长度大于d,分析接地极电流对这些设施产生 的不良影响,是否影响重要油气管道的安全运行。 (3)对投产运行的直流接地极,需评估单极大 地回线方式下直流杂散电流对周边油气管道影响程 度,重点分析地中直流杂散电流大小、土壤电阻率、 接地极与管道距离等参数对腐蚀影响的贡献权重, 进而形成具备针对性和有效性管道防腐措施体系。 (4)建立类似接地网安全性状态评估模式,形 成直流接地极的多维度安全性评价体系。 参考文献: [I]DL/T 5224—2005.高压直流输电大地返回运行系统设计技术 规定[s]. 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[3O] Wang Wentao,ete.High voltage AC and DC power facilities in一 (本文责任编辑:巫婵娟) Summary analysis of the impact of HVDC grounding electrode on oil and gas pipelines He Yanhe,Xiao Leishi (Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,,Guangzhou 5 10080 Guangdong,China) Abstract:This paper summarizes the corrosion mechanism of oi1 and gas pipeline for the earth current from grounding electrode,meas— ures to prevent the stray current COrrOsion of pipeline,and direction of the next feasibility research.This paper pointed out that next re— search should resolve the safe distance accounting of grounding electrode and surrounding oil and gas pipelines,influence degree of DC stray current on surrounding oil and gas pipelines in mono—pole ground return operation mode.and contribution weight of DC stray cur— rent,soil resistivity to pipelines corrosion,and establish multi—dimensional safety evaluation system of grounding electrode. Key words:grounding electrode;pipeline;HVDC ·46·