摘要：文中对直流杂散电流对埋地管道的干扰机理、检测方法、研究现状以及主要防护措施等进行了总结，对研究中存在的问题进行了分析，并针对问题提出了完善高压直流干扰评价标准、研究高压直流干扰机理和开发高压直流干扰区管道防护方法等相关防护建议，对防止直流杂散电流对埋地管道的干扰破坏具有参考意义。
关键词：高压直流接地极；埋地管道；干扰机理；防护措施
20世纪60年代起，苏联、美国、加拿大、意大利、日本等国家都对高压直流输电(HVDC)系统进行了研究和实践。HVDC技术具有输送容量大、输送距离远、线路走廊窄等特点[1]。西电东送等大型工程项目中，直流杂散电流干扰问题较突出，尤其是当高压直流输电系统在运行初期、发生故障或检修期间，采用单极运行方式，上千A的入地电流不仅会击穿埋地管道防腐层造成管道穿孔，并且会烧毁附近的阴保设备，对操作人员造成伤害[2-8]。P． Nicholson[8]通过实际测试发现HVDC故障电流流入埋地管道中，在流出管道之前会沿着管道流动很长一段距离，会在管道中持续存在几分钟甚至是几天的时间，在管道流出的位置会造成严重的腐蚀。
本文总结了直流杂散电流对埋地管道的干扰机理、检测方法、研究现状以及主要防护措施。
高压直流输电系统一般采取双极对称系统，当其正常工作时，入地杂散电流仅为额定运行电流(IN)的1%[9]，当其发生故障或检修时就会切换到单极运行模式，以大地或大地中的金属导线为一极构成回路，此时流过大地的电流为额定运行电流，会对附近埋地管道造成巨大危害。
如图1所示，当管道附近的接地极为阳极放电时，电流将在管道近接地极端由防腐层破损处流入管道，再由远端流出管道，远端流出点作为腐蚀原电池的阳极发生腐蚀；当管道附近的接地极为阴极放电时，电流将在管道远离接地极端由防腐层破损点流入管道，再由近端流出管道，导致近端流出点腐蚀[10]。
(a) 接地极为阳极放电时
(b)接地极为阴极放电时
图1 直流接地极干扰示意图
因此，管道在电流流出的地方发生腐蚀，根据法拉第定律，1 A的阳极电流将导致9.1 kg/a的金属损失。即，若阳极电流密度为1 A/m2时，裸钢管的平均减薄量为1.17 mm/a。对于直流杂散电流来说，管道传递的杂散电流大，而电流排出点集中在界面电阻小、易放电的局部位置，导致破坏性极强，在短时间内即可导致管线发生腐蚀穿孔；而在电流流入的地方会导致管地电位负向偏移，若负向偏移程度超出管道防腐层析氢电位会使得管道产生过保护，发生析氢反应，导致防腐层阴极剥离。
目前，直流杂散电流干扰的判断主要依靠对管地电位和直流地电位梯度的检测：当地电位梯度大于0.5 mV/m或管道任意点上的管地电位相对于自然电位正向或负向偏移超过20 mV时，应确认存在直流干扰；当地电位梯度大于2.5 mV/m或管地电位偏移超过100 mV时，应及时采取干扰防护措施[11]。
在金丝接地极3 000 A放电期间，衢州站、龙游站、奉化站恒电位仪在试验期间发生故障，管地电位显示达-3 V；在鱼龙岭接地极3 500 A放电测试中发现，距离接地极22 km的从化站内测得的电位偏移为5 V，而在站外的绝缘接头处测得的电位差可达50 V，如此高的管地电位足以引起触电的危险[12]。
除上述常规检测方法外，目前对直流干扰的长期监测采用下列方法：
(1)安装腐蚀试片，准确监测干扰状态下的极化电位；
(2)安装不同规格的ER腐蚀速率监测探头，多角度监测干扰腐蚀速率；
(3)安装不同规格的普通腐蚀试片，通过失重法计算腐蚀速率。
对于常规检测方法和长期监测方法，由于接地极单极运行时间不确定、运行时间短、运行极性的不确定，使得难以准确确定高压直流输电系统对埋地管道和站场的影响程度以及影响范围。
目前，国内外学者主要研究了不同形状的接地极周围的电场分布以及其他不同因素对埋地管道的影响。
3.1 研究方法
传统的研究方法主要是通过求解不同边界条件下的拉普拉斯方程和格林公式来分析简单的土壤结构模型。
P. J. Lagace等[13]提出了一种计算n层土壤中电位分布的分析方法，计算了单圆环接地极在4层以下土壤中的电势分布、地电位梯度以及接地极溢流情况，并通过模拟两层土壤中的电位分布情况验证了其正确性。
陈水明等[14]计算了三圆环接地极与单圆环接地极不同埋深的不同土壤类型对接地极接地电阻和表面电位的影响，并分析了两者的区别。
D. Kovarsky等[15]给出了计算电表电位升的方法，并给出了包含每个接地极土壤电阻率在内的数学计算模型：对于其中一个接地极，考虑了埋深方向上两层土壤界面的影响，并从经验的角度考虑了三层甚至更深的土壤影响；而对于另外一个接地极，则考虑的是水平方向上四层土壤分布模型，该模型可以扩展到多层土壤的交流干扰计算。
上述传统方法只适用于简单土壤结构的计算，而对于复杂土壤结构，由于模型的复杂性以及计算的繁琐并不适用，数值模拟计算为解决复杂情况提供了有效途径。
徐韬等[16]提出了基于电阻网络模型的高压直流输电圆环型接地极电流场的有效方法，通过求解电阻网络得到节点电压，并根据节点电压计算跨步电压、溢流密度等电流场相关参数。
陆继明等[17]采用有限元法分析了直流输电单极运行时接地极附近的地表电位分布特征，并通过简化的大地电阻率数学模型，定性分析了地形、大地各层电阻率、接地极设计和多个接地极共同作用等对地表电位分布的影响。
ANSYS、CDEGS和BEASY等软件在计算HVDC的影响时也起到重要的作用。
3.2 影响因素
影响接地极周围电场分布以及管道的因素主要包括接地极和管道的参数、土壤结构以及接地极与管道的距离。从以上的分析可知，土壤结构是非常重要的因素。
接地极的类型主要有直线型、星型、圆环型和跑道型等[18-19]，房媛媛应用CDEGS模拟了不同接地极形式对埋地管道腐蚀的影响，通过对比表面电位峰值得出结论：双圆环接地极附近金属管道腐蚀最轻，直线形接地极附近金属管道腐蚀最严重；并发现当埋地金属管道埋设深度增加时，金属管道上表面的电位值略微减小，电位差也较小[20]。而A. L. Verhiel等[21]通过改变临时正负极间距，得到管道受干扰程度会随着两极间距的增大而增大的结论。
李丹丹[1]利用ANSYS-CFX软件对埋地管道在HVDC影响下的几何模型进行数值模拟，定量化研究涂层面电阻、土壤电阻率、换流站到被干扰管道距离、换流站电流、被干扰管道纵向电阻影响因素下，高压直流输电线路对附近埋地管道的干扰规律：干扰强度随管道涂层面电阻的增大呈指数形式增加，随接地极入地电流和土壤电阻率的增大呈线性增加，随换流站接地极与管道距离的增加呈指数形式降低，随管道纵向电阻的增加呈二次函数形式降低。
而对于土壤模型来说，在管道埋深方向上，当下层土壤电阻率较大时，地中直流杂散电流会更多地在表层土壤流动，从而对管道和其他金属构件造成更大的腐蚀；当距离接地极较远时，深层土壤会显著影响地电位梯度，且距离越远，影响越大[22]；因此，A. T. Hopper等[23]提出合适土壤模型的三维尺度应该相当，深度不应过小。而在水平方向上，由于管道与接地极之间地形复杂，可能会穿越河流山川，因此在数值计算时，处理水平方向上的土壤结构也很重要。
目前，对于直流干扰一般采取直接排流、接地排流、极性排流和强制排流的方法，而对于高压直流干扰来说，由于其接地极性和单极运行时间的不确定性，以及干扰时间短、干扰强度大的特点，上述传统方法不适用，甚至会影响管道中原有阴保电流的保护。因此，应建立连续监测和自动排流系统，将对管地电位结果反馈并自动调节电流输出，将其控制在合理范围内。
(1)完善高压直流干扰评价标准。传统的检测方法对于高压直流来说，无法准确地评价其干扰程度，而相关参比电极、仪器设备等是否是会受到强电流的干扰导致其工作原理和标准电位的改变也不确定，因此开发相关的特高压直流干扰检测设备，提出相关的评价标准是管道防护的前提。
(2)研究高压直流干扰机理。对于上千A的强电流干扰来说，其干扰机理与小的杂散电流是否一致需研究，而其对牺牲阳极极性的改变，导致管道瞬间穿孔等作用机理也需研究，并且土壤作为电流传递介质，非常复杂，需深入研究。
(3)开发高压直流干扰区管道防护方法。目前，采用分段隔离与排流以及阴极保护相结合的方法对其防护，但是在实际过程中的作用仍需研究，因此开发管道防护方法对管道的安全运行等都有十分重要的意义。
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Interference and Protection on Buried Pipeline of High Voltage Direct Current Grounding Electrode
LI Zhao-ling
(Zhejiang Jinquli Natural Gas Co., Ltd., Hangzhou 310016, China)
Abstract:Interference mechanism, test methods, research status and main protective measures were summarized,the problems existing in the research were analyzed. In order to solve the problems, suggestions for the improvement of HVDC interference evaluation standard, exploration of HVDC interference mechanism and the development of pipeline protection methods of HVDC interference area were put forward, which is of reference significance to prevent the interference and destruction of direct stray current on buried pipeline.
Keywords:high voltage direct current grounding electrode; buried pipeline; interference mechanism; protective measures
收稿日期：2016-11-04
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