分享：分段绝缘措施对高压直流干扰防护效果的测试与评价

随着我国经济的不断发展,高压直流输电线路不断增加,高压直流接地极与管道临近的情况越来越多,高压直流接地极放电对在役管道影响的时间也越来越长。高压直流输电系统的运行方式主要有双极运行和单极运行。单极大地回线运行时,输电系统的运行电流达到上千安培,这些电流通过直流接地极流入或流出大地,对接地极附近管道造成很大程度的干扰[1-2]。 

国内专家就埋地管道受高压直流输电系统接地极放电干扰问题进行了较多研究,并提出了诸如牺牲阳极、强制排流和分段绝缘等多种缓解措施[2-9]。其中,关于管道分段绝缘缓解措施的研究多采用模拟计算或试验的方式进行,而对在役管道实施分段绝缘后的效果评价涉及较少。孟晓波等[10]研究发现,对于受从化接地极放电影响的管道,大部分位置电位显著降低,但个别位置电位反而增大,出现新的干扰点。白锋等[11]研究发现管道分段绝缘措施可有效降低管地电位差和泄漏电流密度,但绝缘接头端部可能成为管道腐蚀或氢脆的风险点。分段绝缘后,管道纵向接地电阻变大,吸收的直流接地极放电电流减少,从而减小管地电位差和泄放的直流电流；分段绝缘后,只有两个绝缘接头之间的管道才会受到干扰,这说明分段绝缘可显著减少受干扰管道的长度。 

作者对某在役输气管道安装3处绝缘接头,当同一高压直流接地极以近似相等的电流放电时,监测管道电位,通过管道电位变化对埋地管道分段绝缘效果进行评价,并对检测过程中发现的腐蚀风险进行分析。 

1.   项目背景

该输气管道位于华南区域,周围有多个直流接地极,其中有2个接地极（接地极A和B）距离管道较近,对其干扰较为严重。由图1可见,接地极A与干线管道距离6.4 km,与最近的2号阀室距离为13.6 km。接地极B与干线管道直线距离9 km,与最近的2号站场距离为10 km。 

图  1  接地极、管道、站场和阀室位置图

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

为监控和减缓直流接地极放电对管道的干扰影响,管道单位在1号站场至2号站场之间增加了多处智能测试桩,并于2018年7月至2018年12月为干线管道增加了3处绝缘接头（分别位于1号阀室、2号阀室和6号阀室）。新增的3处绝缘接头与原有的2个绝缘接头（1号站场出站绝缘接头和2号站场进站绝缘接头）,将整条干线管道划分为4段相互绝缘的管道。 

2.   高压直流接地极放电时管道电位

根据南方电网提供的数据,对2017年1月至2019年11月15日,接地极A和接地极B的放电数据进行汇总,如表1所示。接地极A有3次放电,合计2.1 h；接地极B有53次放电,合计89.98 h。 

高压直流接地极放电具有放电不规律、放电时间短和放电电流大等特点,导致附近管道电位检测较为困难。国内多采用智能测试桩（电位远传监测系统）对接地极放电时管道电位进行监测[12]。由于高压直流接地极单次故障放电时间较短,因此智能测试桩的监检测时间不能小于10 min,同时适当扩大测试电位的范围（甚至达到-300~+350 V）。为保障监检测数据的连贯性和稳定性,智能测试桩的电池电量至少满足连续测试1 a的需求。 

对多个智能测试桩自安装以来的通电电位和断电电位进行了统计和分析。在所收集的智能测试桩数据中,通电电位最正值为241.6 V（vs CSE,下同）,出现在接地极A放电电流为3 200 A且距离接地极A最近的704号桩,如图2所示；通电电位最负值为-201.732 V,出现在接地极B放电电流为3 300 A且距离接地极B最近的825号桩,如图3所示。很显然,管道通电电位极值与高压直流接地极放电电流、接地极与管道的距离相关。 

图  2  管道704号桩通电/断电电位

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

图  3  管道825号智能桩通电/断电电位

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

接地极A距离管道最近,因此采用全线智能桩测试数据。图4为接地极A在3 200 A放电工况下1号站场到2号站场全线通电电位的分布情况。该次放电发生在2018年8月28日19：46至20：31,当时1号站场至2号站场之间仅有2个绝缘接头。结果表明,靠近接地极A的管道通电电位为正值,表示电流从管道流出,存在腐蚀风险的管道长度约为50 km；而两端管道通电电位偏负,表示电流流入管道,距离接地极A最远的831号桩（接近2号站场绝缘接头）电位仍为-75.76 V。因此,该直流接地极放电可影响到112 km外的管道。 

图  4  接地极A放电电流3 200 A条件下1号站场至2号站场管道通电电位

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.   分段绝缘措施实施前后接地极B放电时电位变化

根据相关资料,分段绝缘防护用绝缘接头于2018年7月至2018年12月施工安装。由于接地极A放电次数较少,因此作者选取分段绝缘措施实施前（2017年10月至2018年6月）与分段绝缘措施实施后（2019年1月至2019年9月）,接地极B放电电流为1 000 A时,管段的部分电位数据进行对比,分析分段绝缘措施对高压直流干扰的防护效果。 

由图5和图6可见,当接地极B阳极放电时,防护措施实施前,1号站场至1号阀室段管道通电电位为5.327~11.497 V,断电电位为0.203~1.475 V,电流流出,存在腐蚀风险；防护措施实施后,当接地极B阳极放电时,该段管道通电电位和断电电位均变为正常的阴极保护电位（-1.787~-0.968 V）,腐蚀风险较小。1号阀室至2号阀室之间的691号桩数据显示,当接地极B阳极放电时,防护措施实施可显著降低691号桩附近管道的腐蚀风险。当接地极B阳极放电时,2号阀室至6号阀室之间704号至779号桩数据显示,防护措施实施对该段管道影响不明显,仅部分智能测试桩处断电电位负向偏移,但仍为正值,存在腐蚀风险。 

图  5  接地极B阳极放电时1号站场至2号站场管道通电电位

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

图  6  接地极B阳极放电时1号站场至2号站场管道断电电位

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

分段绝缘措施实施后,相对于原来1号站场至2号站场之间的管道接地电阻,6号阀室至2号站场之间的管道接地电阻变大了,因此推测汲取的接地极放电电流会变小。防护措施实施后,825号至833号桩管道通电电位明显正于防护措施实施前的通电电位,这验证了上述推论。 

由图7和图8可知,当接地极B阴极放电时,1号阀室至2号阀室之间的648号至691号桩数据显示,防护措施实施后,该段管道通电电位正移,这说明防护措施实施可使该段管道受到较小的干扰影响。当接地极B阴极放电时,2号阀室至6号阀室之间704号至779号桩电位显示,防护措施实施前后,该段管道通电电位变化不明显,仅部分测试桩通电电位负向偏移。当接地极B阴极放电时,6号阀室至2号站场之间的794号至833号智能桩电位显示,防护措施实施前,该段管道通电电位均为正值,存在腐蚀风险；防护措施实施后,6号阀室至814号桩之间的管道通电电位和断电电位负移,减小了6号阀室至2号站场之间管道的腐蚀风险。 

图  7  接地极B阴极放电时1号站场至2号站场管道通电电位

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

图  8  接地极B阴极放电时1号站场至2号站场管道断电电电位

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

综述所述,防护措施实施可显著缓解1号站场至1号阀室之间管道受到的干扰,降低其腐蚀风险,降低691号桩附近管道的腐蚀风险。分段绝缘措施实施后,6号阀室至2号站场之间的管道接地电阻变大了,接地极阳极放电时,该段管道汲取的接地极放电电流变小；接地极阴极放电时,6号阀室至814号桩之间管道通电电位和断电电位负移,降低了6号阀室至2号站场之间管道的腐蚀风险。但分段绝缘措施实施对2号阀室至6号阀室之间的管道影响不明显。 

4.   风险分析

4.1   放电结束后管道腐蚀风险

考察接地极B阴极放电时825号桩管道电位变化。接地极B阴极放电开始时间为2019年9月15日3：03,放电持续时间为135 min,入地电流为1 125 A,结束时间为2019年9月15日5：18。从图9和图10数据分析,断电电位没有在放电结束之后立即恢复到放电前（负于-1.0 V）,而在管道极化9~10 h之后,断电电位才负于-0.85 V,极化大约17 h之后即2019年9月15日22点之后,断电电位才负于-1.0 V。这表明当管道受高压直流接地极放电影响,电位正向偏移至大于0 V（本次放电时断电电位正移到0.5 V）时,管道极化需要花费很长的时间,才能使其电位达到-0.85 V,而在这段时间内,管道存在腐蚀风险。 

图  9  接地极B阴极放电前后825号桩管道电位

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

图  10  接地极B阴极放电前后825号桩管道断电电位

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

当接地极泄放直流杂散电流时,该段管道可能会发生如下反应： 

随着泄放电流密度的增加,水更易发生电解反应,产生氧气。反应将导致管道附近的pH变小。而当放电停止后,管道吸收阴保电流,变为阴极,发生阴极反应。大量H+和O2的存在导致极化所需要的时间延长,因此管道恢复到原始极化电位的时间很长,管道腐蚀风险大大增加。 

4.2   新增绝缘接头后管道腐蚀风险

直流接地极放电时,远端管道汲取/泄放电流,电流可通过新增绝缘接头两侧流入/流出管道,返回至距离接地极最近的管道并产生泄放/汲取电流现象,最终返回接地极。因此,当直流接地极放电时,可能在新增绝缘接头两侧产生电流的流入或流出,在流出侧电位正移,使管道存在腐蚀风险。 

采用数据记录仪同步监测高压直流接地极B放电时,1号阀室和6号阀室新增绝缘接头两侧的断电电位。由图11可见,正常工况下,1号阀室新增绝缘接头上游管道断电电位在-1.2~0 V波动,下游管道断电电位在-2.5~-1 V波动；但直流接地极B放电时,1号阀室新增绝缘接头上游管道断电电位负移至-11 V左右,下游管道断电电位正移至+3 V左右,显然下游管道存在较大的腐蚀风险。由图12可见,6号阀室新增绝缘接头两侧的断电电位与1号阀室新增绝缘接头两侧断电电位类似,当直流接地极放电时,上游管道存在较大的腐蚀风险。 

图  11  接地极B放电时1号阀室绝缘接头上下游管道断电电位

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

图  12  接地极B放电时6号阀室绝缘接头上下游管道断电电位

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

5.   结论

（1）考虑到高压直流接地极放电时具有放电不规律、放电时间短、放电电流大等特点,在受干扰管段安装智能测试桩监测接地极放电时管道电位,但其采集电位的间隔时间不能大于10 min。 

（2）对2017年1月至2019年11月15日期间接地极B的放电数据进行汇总,获得该接地极年放电时间为30 h。 

（3）采用分段绝缘措施改善直流接地极放电对管道的干扰。防护措施实施可显著缓解远端管道的受干扰程度,使受干扰的管道长度变短,腐蚀风险集中在距离接地极较近的管道和绝缘接头两侧,因此仅需对腐蚀风险集中的管段继续采取诸如敷设锌带等干扰缓解措施,使风险可控并减少投资。

文章来源——材料与测试网