直流接地极对邻近埋地金属管道影响测试与分析

曹方圆 白 锋

（中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

直流输电系统接地极电流会对邻近的埋地金属管道造成腐蚀和危险影响，在直流接地极与埋地金属管道距离较近的地方，直流接地极入地电流对附近管道的影响会很大[1]，工程中出现过多例直流接地极电流造成的管道安全运行事故[2]。在此背景下，电力部门和管道部门对于直流接地极对油气管道的影响问题越来越重视，相继开展了相关的研究工作[3-5]。其中，现场测试是掌握直流接地极对管道影响水平最直接、最有效的手段。

电力行标DL/T 5224-2014《高压直流输电大地返回系统设计技术规程》[6]中规定，对于公众不可接触到的地上金属体，在单极额定电流下，接地极导体对导流构架（杆塔）间的电压不宜大于50V；
在过负荷电流情况下，通信系统最大转移电位不宜大于60V，该电压可作为管道受到直流干扰时人体安全的危险电压。现行标准中[7,8]的腐蚀速率指标值（0.0254mm/a、0.01mm/a）主要是用于判断阴保系统是否满足要求的控制值，都属于腐蚀可忽略的水平（基于当极化电位为-850mV或极化电位偏移100mV时所测得的金属腐蚀速率），其用于作为直流接地极电流干扰下的允许腐蚀量过于严格，需要双方共同协商提出一个适用于高压直流接地极对埋地油气管道直流腐蚀影响的评判指标值。GB/T 21448-2017规定，管道的阴极保护电位应为-850mV（CSE）或更负，但不能比-1200mV（CSE）更负[9]，也即管道的阴极保护电位应控制在-0.85V～-1.2V之间。

本文针对直流接地极对埋地金属管道的影响，在德阳-宝鸡±500kV直流输电工程运行期间，对千阳接地极邻近的兰郑长成品油管道进行了为期一年的现场测试，获得了千阳接地极对兰郑长成品油管道的影响水平和管道电压电流分布规律，相关测试结果可为兰郑长成品油管道的安全运行维护提供数据支撑，也可为后续直流工程接地极选址和埋地油气管道路径选择提供参考。

德阳-宝鸡±500kV直流输电工程已于2009年底正式投运，该工程额定输送容量3000MW，接地极额定电流3000A。兰郑长成品油管道使用的是三层结构的聚乙烯（3PE）防腐层，埋深2m，管径610mm，壁厚约为9.5mm。千阳接地极距兰郑长成品油管道最近距离约3.5km，管道上距接地极最近的测试桩为445号测试桩，最近的阀室为15号阀室，接地极与管道相对位置关系如图1所示。用大地电磁测深法测得的千阳接地极附近的深层土壤电阻率及对应厚度如表1所示。土壤在水平方向大致分为3层，第一层电阻率在30～55Ω.m，厚度约50m，第二层电阻率在10～30Ω.m，厚度约1000m；
最后一层电阻率较大，在500Ω.m以上。

表1 千阳接地极附近土壤参数

图1 接地极与管道相对位置

从2020年1月到12月，在兰郑长成品油管道上的27个位置安装了智能测试桩（测试桩编号从403#～545#不等间距取点，靠近接地极处取点间隔密集），进行了管道测试桩处通/断电电位测试和泄漏电流测试；
在距接地极最近的三个测试桩处（444、445、446）埋设ER腐蚀速率探头，进行管道腐蚀速率测试，其中444#探头未与管道连接，做自腐蚀监测。预先在管道一侧埋设钢质检查片，与管道同埋深，其中测量管道电位所用的试片表面积为1cm2，测量管道泄漏电流密度所用的试片表面积为10cm2，每5分钟测量一次通/断电电位和泄漏电流，如果通电电位正于-0.5V或负于-2.5V，设备记录异常信息，并将监测速率提升至每10秒测量一次通/断电电位和泄漏电流。接线示意图如图2所示，现场安装智能测试桩如图3所示。

图2 管道检查片通/断电位、泄漏电流测试方法示意图

图3 现场安装智能测试桩

测试期间，千阳接地极入地电流及对应时间如表2所示，入地电流为正表示接地极阳极运行，电流流出接地极，入地电流为负表示接地极阴极运行，电流流入接地极。分别以接地极不同运行方式下的最大电流为例说明对管道的影响。2020年8月20日下午14:00出现直流工程单极大地回路工况（接地极阳极运行，流出3014A电流）后，管道通/断电电位及泄漏电流分布如图4所示（图中通/断电电位及泄漏电流皆为稳定后的数据）。

表2 千阳接地极入地电流情况（2020.1～2020.12）

图4 兰郑长成品油管道通/断电电位及泄漏电流分布（2020.8.20）

从测试结果可以看出，距接地极较近的测试桩处管道通/断电电位负向偏移、泄漏电流流入管道，距接地极较远的测试桩处管道通/断电电位正向偏移、泄漏电流流出管道。管道上通电电位最负达-10.2V，断电电位最负达-8.51V，出现在距接地极较近的管道测试桩处。除个别点外（452#测试桩），管道泄漏电流分布曲线基本与通/断电电位分布曲线一致，泄漏电流范围为-67.61～0.57mA，对应的泄漏电流密度范围为-67.61～0.57A/m2，管道受到了严重的接地极电流干扰。根据管道的极化特性可以判断出，测量得到的管道断电电位只是消除了从管道流入/流出电流引起的IR降，但仍包含了有接地极电流在土壤中分布引起的IR降，不能准确的反映出管道本身的极化电位。

2020年12月31日上午10:00出现直流工程单极大地回路工况（接地极阴极运行，流入3012A电流）后，管道通/断电电位及泄漏电流分布如图5所示（图中通/断电电位及泄漏电流皆为稳定后的数据）。

图5 兰郑长成品油管道通/断电电位及泄漏电流分布（2020.12.31）

从测试结果可以看出，距接地极较近的测试桩处管道通/断电电位正向偏移、泄漏电流流出管道，距接地极较远的测试桩处管道通/断电电位负向偏移、泄漏电流流入管道。管道上通电电位正向偏移达9.07V，断电电位正向偏移达7.41V，出现在距接地极较近的管道测试桩处。除个别点外（452#测试桩），管道泄漏电流分布曲线也基本与通/断电电位分布曲线一致，泄漏电流范围为-6.99～55.61mA，对应的泄漏电流密度范围为-6.99～55.61A/m2，管道受到了严重的接地极电流干扰。根据管道的极化特性可以判断出，测量得到的管道断电电位只是消除了从管道流入/流出电流引起的IR降，但仍包含了有接地极电流在土壤中分布引起的IR降，不能准确的反映出管道本身的极化电位。

在444#、445#、446#测试桩处安装的ER腐蚀速率探头厚度变化如表3所示。

表3 兰郑长成品油管道ER腐蚀速率探头厚度变化

从ER腐蚀速率探头测试结果可知，从2020年4月～11月，未与管道连接的腐蚀速率测试试片腐蚀厚度约33um，与管道连接的腐蚀速率测试试片大部分时间受到了管道的阴极保护，小部分时间受到接地极的直流干扰而加速腐蚀，腐蚀厚度约3～4um。

德阳-宝鸡±500kV直流输电工程单极大地回路方式运行时，通过千阳接地极流入/流出的电流最高为3000A左右，管道上通/断电电位及泄漏电流密度有大幅波动。受接地极电流影响后，管道通电电位最大值（绝对值）约为10.2V左右，不超过电力行标DL/T 5224-2014中规定的人体安全电压限值，对人身、设备（主要包括阴极保护电源、绝缘卡套等）安全不会造成威胁，断电电位超出了管道阴极保护准则规定的管道极化电位范围（-0.85～-1.2V），不满足管道运行要求；
泄漏电流流出最大值为55.61mA，出现在443#测试桩处，对应泄漏电流密度为5.561mA/cm2，通过法拉第电解定律计算，等效的每小时腐蚀深度约为0.00744mm，若以0.0254mm/a作为年腐蚀深度控制值，每年允许腐蚀时长约为3.4h。

距接地极最近的3个测试桩处安装了ER腐蚀速率探头（其中444#探头未与管道连接，自腐蚀监测），2020年4月～11月的测试结果表明，与管道连接的腐蚀速率测试试片腐蚀厚度约3～4um，未与管道连接的腐蚀速率测试试片腐蚀厚度约33um。可以看出，兰郑长成品油管道阴极保护装置投入运行后，大幅削弱了管道的自腐蚀，也抵消了部分接地极电流对管道的腐蚀影响。

从影响水平来看，德阳-宝鸡±500kV直流输电工程单极大地回路运行时，对兰郑长成品油管道的影响很大，与几方面因素有关：一是接地极距管道较近（约3.5km），二是接地极附近底层土壤电阻率很大（5km深度范围外土壤电阻率超过了10000Ω·m）。

在测试中还发现，很小的接地极干扰带来的管道断电电位偏移，就会使得管道电位不满足阴极保护准则规定的电位范围，甚至在没有接地极电流干扰时，管道的断电电位有时也会超出这一范围。评估管道干扰的指标有很多，包括年腐蚀量、管道极化电位偏移量、管道阴极保护准则等，而直流接地极有短时入地电流大、方向固定，大部分时间入地电流小的特点，部分管道干扰评价指标并不适用于评估直流接地极对管道的干扰。

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