强电线路下的阴极保护管道交流干扰防护措施

        随着经济建设的迅速发展,能源､电力､电气化铁路运输系统等行业也随之都得到极大的发展｡各线路管道本身遵循路由择优的原则,同时受到土地资源等外部因素的制约,出现了大量埋地钢质管道与架空的高压交流输电线路､交流电气化铁路等强电线路平行或交叉的情况,甚至在局部地区集中在一个“公共走廊”中[1]｡管道防腐蚀层和阴极保护联合保护是被公认的最有效的管道防腐蚀措施,但当实施了阴极保护的埋地钢质管道紧挨着强电线路敷设时,管道防腐蚀层和阴极保护系统都可能遭受到交流干扰腐蚀的破坏,从而威胁埋地管道的长期安全可靠运行｡缓解交流干扰影响的措施有很多,大部分都在实践中获得了成功应用｡但是对于实施阴极保护的埋地钢质管道而言,应重点考虑防护措施不能与管道的阴极保护相冲突,以免影响到阴极保护系统的保护范围和效果｡

1 交流干扰防护设计

        对于已建管道需应进行管道交流干扰电压､交流电流密度和土壤电阻率等参数的现场测量｡对于处于设计阶段的管道在可能遇到强电线路交流干扰(包括干扰源未运行)的情况时,在管道阴极保护设计的同时应考虑交流干扰的防护设计,对干扰源正常和故障条件下管道可能受到的交流干扰进行计算｡交流干扰防护系统设计可按国际大电网委员会 (CIGRE) 报告《高压电力系统对金属管线的影响导则-1995》进行计算或采用一些专用软件进行建模计算分析,如 CDEGS 软件等[ 2]｡同时,对于已建管道也可以采用软件进行计算分析｡对已实施阴极保护管道的交流干扰防护理论公式和软件排流设计流程如下｡

1. 理论设计公式:基础资料收集及现场测量→确定接地地床安装位置→根据交流干扰缓减目标值､结合强电线路相序､现场测试参数计算地床目标接地电阻→根据现场环境确定地床安装方式→结合阴极保护系统,选择地床材料→结合阴极保护系统,选择地床材料→根据地床目标接地电阻､安装方式,确定地床材料规格→出施工图和技术规格书｡

2. 软件设计:基础资料收集及现场测量→管道交流干扰模型的建立→管道交流干扰缓解地床设计计算→管道交流干扰缓解地床形式对比→确定管道交流干扰缓解方案→出施工图和技术规格书｡

2 交流干扰防护措施

        根据调查和测试计算结果,对处于严重交流扰影响下的埋地管道,必须采取一定的防护措施,对于埋地管道的交流干扰防护主要可以从设计上远离干扰源､接地排流､电屏蔽､隔离等这几个方面进行考虑｡

2. 1 增加埋地管道与强电线路的间距

        《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》(GB/T50698-2011)第 4.1.1 和 5.1.5 条款分别规定了埋地管道与强电线路需进行干扰调查测试的距离要求及管道与高压交流输电线路的最小距离要求｡增加埋地管道与强电线路的间距,可有效减小管道上的交流干扰电压｡从图1可见,通过增加管道和平行高压线最外侧相线的距离,平行间距由 20m 增加至 100m,交流干扰电压最大值(位于管道与高压输电线路拐点处)下降约 62.5%｡管道设计人员在路由的选择时都考虑到了尽可能避免或远离强电线路干扰源,但在很多情况下,地管道不得不与高压输电线路､电气化铁路共用同一“公共走廊”,实际工程应用中该方案还是很难实现｡对于在已建管道沿线后建设的强电线路或管道与强电线路同步建设的情况,可以考虑从干扰源侧采取一定的防护措施尽可能减少对我方管道的交流干扰｡文献[ 3]介绍了强电线路一侧可以采取的措施,具体包括:交流电气化铁路可采用回流变压器或自耦变压器的供电方式;对称高压输电线可减少中心点接地数目,限制短路电流或经电阻､电抗接地,增加屏蔽和导线换位等;220kV 高压线为减少几何不对称形成的干扰电压,建议采用猫形铁塔;电气化铁路存在阻性耦合的地段,建议加强铁轨与枕木间的绝缘,以减少入地电流｡

图1 增加管道和平行高压线最外侧相线的距离对干扰电压的影响

Fig.1  The effect of increasing the distance between pipeline and parallel outermost phase lines 

2. 2 管道接地排流

        在管道持续干扰的防护措施中,接地排流是被广泛采用并行之有效的措施｡但是对于实施阴极保护的埋地钢质管道而言,应特别考虑的是接地系统不能与管道的阴极保护相冲突,从而影响到阴极保护系统的保护范围和效果｡管道排流方式根据不同的接地方式分为直接排流､负电位排流和隔直排流三种(注:隔直接地在 GB/T50698-2011 写法为固态去耦合器接地,为避免和后面隔直装置名称混淆,沿用隔直接地表述)｡

        直接排流接地极通过排流导线与管道直接连接｡接地极接地电阻必须显著小于管道接地电阻,否则会影响排流效果｡接地材料通常为钢质,适用于阴极保护站保护范围小的被干扰管道｡这种排流装置具有简单､经济,减轻干扰效果好等特点｡但是对于采用阴极保护系统的长距离管线来说并不适合,同时采用直接接地会造成阴极保护电流的流失,加快牺牲阳极的消耗或增大外加阴极保护电源的输出功率｡因此,工程实践中很少采用｡

        负电位排流即采用牺牲阳极作为接地极,适用于受干扰区域管道与强制电流保护段电隔离,且土壤环境适宜于采用牺牲阳极阴极保护的干扰管道｡具有减轻干扰效果好､向管道提供阴极保护的优点;缺点是接地极与管道直接连接时进行瞬间断电测量与评价阴极保护有效性实施困难｡同时需要注意的是,强电交流干扰情况下如果造成牺牲阳极极性逆转,反而加速管道的腐蚀｡同时,试验表明[ 4]用于缓解交流干扰的牺牲阳极的效率(失重和理论值比值)随交流干扰增加而明显降低,当交流电流密度高于 7A/m2 时,镁阳极的消耗速率增加大约 10 倍｡

        隔直排流是指在埋地管道和接地极之间安装隔离直流电装置的措施,防止阴极保护电流的流失｡因为对于实施阴极保护的埋地管道,通过接地虽然可以直接将感应产生的交流电流排出管道,但它同时会对阴极保护系统产生导致直流保护电流流失的重要影响｡隔离直流电装置包括极化电池､钳位式排流器､固态去耦合器等｡目前国内交流排流用的较多的是固态去耦合器和钳位式排流器｡表 1 为固态去耦合器和钳位式排流器优缺点比较｡

表1 固态去耦合器和钳位式排流器优缺点比较

Tab.1 The advantages and disadvantagesof solid - s tate decoupler and clamping electric drainage

        固态去耦合器接地是 NACE SP0177-2007[ 6] 中给出的方法,在国外减缓交流干扰工程中应用普遍,同时近年来在国内大型长输管道工程也得到了成功应用｡固态去耦合器具有较好的抗雷电与故障电流冲击性能,常用于管道､绝缘装置等故障电流和雷电干扰的防护,但是实践中仍存在一些问题｡

        目前国内外对于固态去耦合器,包括钳位式排流器等设备仍缺少相应的检验手段和检测标准｡国内外产品质量参差不齐,同时又缺乏对相关产品性能长期的跟踪测试和评价,无法或不会对产品性能质量进行判断｡出现故障情况时,也很难做到及时维修｡因此,关于排流设备的检测检验的相关标准应尽快制定并出台｡

        排流点位置很大程度上决定了排流效果｡实践中对于固态去耦合器的作用距离的初步研究发现,单一的固态去耦合器虽然能降低排流点附近的交流干扰电压,但却能使得排流点远处附近的交流干扰电压升高,部分管段甚至升高较大[ 7]｡因此,在管道的交流排流中,应综合现场的干扰情况,有原则地采用固态去耦合器,才能达到交流减缓的要求｡建议排流实施有条件时应采取分步设计与施工,辅以同步测试的方法,根据排流后确定下一个排流点的施加位置｡

        固态去耦合器排流对接地材料的要求较低,只要接地电阻满足相关要求即可,不过国外的经验告诉我们去耦合器的故障为短路状态,所以要考虑接地极材料的选用[ 5]｡但需要注意的是,接地极施工时不能碰到高压输电线路的杆塔､变电站或通信铁塔､大型建筑的接地体上,因为在雷电或者高压输电故障时,容易将故障电流引至管道｡

2. 3 电屏蔽

        屏蔽往往用于电力故障或雷电情况下减轻强电冲击对管道防腐层和管道本体的影响｡通常在管道邻近架空输电线路杆塔､变电站或通讯铁塔､大型建筑的接地体的局部位置处,可沿管道平行敷设一根或多根浅埋接地线作屏蔽体｡强电冲击防护措施有多种,目前在国内外应用最广泛也是最有效的措施就是对管道实施电屏蔽防护｡目前,国内外最常采用的屏蔽措施是在管道与铁塔接地之间沿管道平行敷设1根屏蔽线(推荐采用锌带),同时屏蔽线与管道最好通过接地电池或固态去耦合器连接｡

        屏蔽线的效果与土壤电阻有很大关系,特别是北方地区,屏蔽线埋设在冰冻线以上,常因冻土中水体､湿地障碍造成屏蔽线间断使得屏蔽线效果大打折扣｡Ruan 等[ 8]研究后发现,当冻土电阻随深度呈指数降低时,屏蔽线的防护效果相对较好,屏蔽线间断距离越长,防护效果越差,但总体影响不大｡因此,屏蔽线敷设时应对埋设地段土壤电阻随深度的变化情况及障碍情况进行调查分析,从而确定最佳 的铺设方式和路线｡

2. 4 安装绝缘接头分段隔离

        绝缘接头在阴极保护中往往用于实现被保护结构物或保护区段与非保护区段的电绝缘｡然而在减缓交流干扰,在受到交流干扰的管段上安装绝缘接头,可中断管线电连续性､减小受干扰管段的长度,从而减小管线上的交流感应电压最大值｡特别对于外加电流阴极保护管段来说,要求管道全线具有电连续性,这与安装绝缘接头中断电连续性获得较短的导电区段又是相悖的｡同时增加绝缘接头特别在干线上也会给管道本身的运行､管理带来不便,绝缘接头本身还需采用接地电池或避雷器等保护装置｡因此,对于外加电流阴极保护管道应谨慎采用安装绝缘接头分段隔离措施｡

        除上述提到的交流干扰防护措施外,文献[ 9]还提出了外加交流电源的交流感应电压补偿法､更换土壤法以及安装平行极等措施｡但这些措施不是实施难度大､成本高,就是长期使用效果不理想而没有得到广泛的应用｡因此,从目前实践来看,强电线路下阴极保护管道采取固态去耦合器接地排流和屏蔽保护分别是缓减管道持续交流干扰和强电冲击的有效措施｡

3 交流干扰防护实践 

3. 1 工程概况

        浙江宁波境内某天然气输气管道管线在 2 条 500kV 架空高压交流输电线线路中间平行敷设约 5.2km;与 1 条 220kV 高压线平行敷设约 2km｡高压线塔接地与管道距离较近,交流输电线路对管线造成干扰｡设计采用理论公式方法进行,确定钳位式排流器/固态去耦合器+地床相结合的交流干扰排流措施｡

3. 2 检测结果

        工程实施完成后,对管道 1~18 号测试桩排流前和排流后的交流干扰电压和排流后的交流电流密度进行测试,测试结果见表 2｡

表２　管道交流干扰测试结果

Tab.2 The pipeline AC interference test results

        由表 2 可见,排流前管道的最高交流电压能达到 47.65V,其中有 7 处的交流干扰电压高于15V (管线操作人员操作安全电压),在 1~10 号桩及 14 号桩安装排流后(其余桩未安装排流设),交流 电压均下降较多,管道最高的交流电压只有 7.9V,表明交流排流效果较好｡在全线排流器连通时,测试的 18 处排流后交流干扰电压中有 5 处高于 4V,分别为 1 号､2 号､7 号､8 号和9 号处,这 5 处的土壤电阻率均小于 25Ω·m,根据 GB/T50698-2011 标准中 4.1.2 交流干扰防护效果要求,土壤电阻率小于 25Ω·m 处的管道交流干扰电压应低于 4V,表明以上 5 处交流干扰防护效果均未达到标准 的要求,且这 5 处的交流电流密度均高于 30A/m2,根据标准要求,这 5 处应采取进一步的排流措施｡

        对 11 处的排流器性能进行测试,测试结果见表 3｡

表 3 排流器的交流排流量和直流漏流量测试结果

Tab.3 the test results of ac drainage flow And dc leakage flow

        由表 3 可见,在所有排流器都接通时,每个排流器的排流量均在 45A 电流范围内,排流器的交流排流能力良好,但是 8 号和 9 号的排流量较大,接近了去耦合器参数规定的 45A｡将所有排流器都断开时,分别测试每个位置的排流电流时,其中 8 号桩的排流量为 45.6A,超过了去耦合器的规定的稳态电流,9 号桩和 1 号桩的排流量也接近 45A｡测试结果表明,去耦合器两端的电位差均在 ±2V 之间,其中只有 2 台耦合器(4 号和8 号)的直流漏流量小于等于 1mA,其他位置排流器的直流漏流量大于 1mA,不符合排流器参数要求,其中 7 号和 9 号的内阻小,接近于直流短路,没有隔离直流电流的能力｡测试 3 处的钳位式排流器的交流排流效果良好,但是直流漏流量较大,这可能与测量时间相关联｡

3. 3 改进措施

        根据检测结果,后对该方案采取了相关的改进措施:

        ( 1)根据检测结果,管道交流排流后,有 5 处土壤电阻率小于 25Ω·m,交流电压高于 4V (实测排 流后 5 处交流电压为 4~8V),不满足 GB/T50698-2011 要求｡因此,结合现场实际,在 1 号与 2 号之间､8 号与 9 号之间分别增加一处排流点｡

        (2)对之前检测存在问题的 6 台去耦合器进行了更换,此次全部采用进口产品,同时耦合器产品发热量大的问题基本解决｡

        从改进措施后现场检测的结果看全线阴极保护电位均在 -850~-1200mV 之间,阴极保护效果良好,强电干扰段交流感应电压也均低于规范的 4V 要求｡

4 结论及建议

        ( 1)对于处于设计阶段的管道在可能遇到强电线路交流干扰(包括干扰源未运行)的情况时,在管道阴极保护设计的同时应考虑交流干扰的防护设计,可采用理论公式或专业软件进行设计｡

        ( 2)从目前实践来看,强电线路下阴极保护管道采取固态去耦合器接地排流是缓减管道持续交流干扰和强电冲击的有效措施｡但实践中各种排流设备因检验手段和检测标准的缺失存在的风险也是不容忽视的问题｡因此,建议关于排流设备的检测检验的相关标准应尽快制定并出台｡

        ( 3)建议排流实施有条件时应采取分步设计与施工,辅以同步测试的方法,根据排流后确定下一个排流点的施加位置｡