工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析 袁洵杜艳霞梁毅秦润之 Causes of high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference and influencing factors YUAN Xun,DU Yan-xia.LIANG Yi,QIN Run-zhi 引用本文： 袁洵，杜艳霞，梁毅，秦润之.高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析).工程科学学报，2021,43(11)：1560- 1568.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.06.02.002 YUAN Xun,DU Yan-xia,LIANG Yi,QIN Run-zhi.Causes of high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference and influencing factors[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(11):1560-1568.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.06.02.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.06.02.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 钙钛矿太阳能电池稳定性研究进展 Research progress on the stability of perovskite solar cells 工程科学学报.2020,42(1)：16htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.24.006 聚酰亚胺气凝胶材料的制备及其应用 Preparation and application of polyimide aerogel materials 工程科学学报.2020,42(1)：39 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.08.12.003 交流干扰下X100管线钢及其热影响区在库尔勒土壤模拟液中的腐蚀行为 Corrosion behavior of X100 pipeline steel and its heat-affected zones in simulated Korla soil solution under alternating current interference 工程科学学报.2020,42(7)：894htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.21.002 稀土金属脱除氧杂质的新技术及驱动机制研究进展 Research progress on novel technology and mechanisms for the removal of oxygen impurities in rare-earth metals 工程科学学报.2018,40(11：1300htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.003 浮选过程中颗粒-气泡黏附作用机理及研究进展 Mechanism and research progress of the bubble-particle attachment in flotation 工程科学学报.2018.40(12：1423 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.001 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology 工程科学学报.2020,42(12：1557htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.05.10.002
高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析 袁洵 杜艳霞 梁毅 秦润之 Causes of high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference and influencing factors YUAN Xun, DU Yan-xia, LIANG Yi, QIN Run-zhi 引用本文: 袁洵, 杜艳霞, 梁毅, 秦润之. 高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析[J]. 工程科学学报, 2021, 43(11): 1560- 1568. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.002 YUAN Xun, DU Yan-xia, LIANG Yi, QIN Run-zhi. Causes of high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference and influencing factors[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(11): 1560-1568. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.06.02.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 钙钛矿太阳能电池稳定性研究进展 Research progress on the stability of perovskite solar cells 工程科学学报. 2020, 42(1): 16 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.24.006 聚酰亚胺气凝胶材料的制备及其应用 Preparation and application of polyimide aerogel materials 工程科学学报. 2020, 42(1): 39 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.003 交流干扰下X100管线钢及其热影响区在库尔勒土壤模拟液中的腐蚀行为 Corrosion behavior of X100 pipeline steel and its heat-affected zones in simulated Korla soil solution under alternating current interference 工程科学学报. 2020, 42(7): 894 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.21.002 稀土金属脱除氧杂质的新技术及驱动机制研究进展 Research progress on novel technology and mechanisms for the removal of oxygen impurities in rare-earth metals 工程科学学报. 2018, 40(11): 1300 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.003 浮选过程中颗粒-气泡黏附作用机理及研究进展 Mechanism and research progress of the bubble-particle attachment in flotation 工程科学学报. 2018, 40(12): 1423 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.001 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology 工程科学学报. 2020, 42(12): 1557 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002
工程科学学报.第43卷.第11期：1560-1568.2021年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.11:1560-1568,November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.002;http://cje.ustb.edu.cn 高压直流干扰大幅值管地电位产生原因 及影响因素分析 袁洵，杜艳霞四，梁毅，秦润之 北京科技大学新材料技术研究院，北京100083 ☒通信作者.E-mail:duyanxia@ustb.edu.cn 摘要基于实际的工程参数建立了高压直流干扰电场计算模型，利用数值模拟计算技术对高压直流干扰大幅值管地电位 的产生原因进行探究.考察接地极与管道之间的间距、管道防腐层类型、管道长度及土壤结构等因素对高压直流干扰下管地 电位的影响规律，得到高压直流干扰大幅值管地电位是在接地极与管道距离较近、防腐层的绝缘性能较高、管道长度较大及 上低下高的土壤电阻率分层结构共同作用下产生的. 关键词高压直流干扰：大幅值管地电位：产生原因：影响因素：模拟计算 分类号TG142.71 Causes of high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference and influencing factors YUAN Xun..DU Yan-xia°，LIANG Yi,QNRn-zhi Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:duyanxia@ustb.edu.cn ABSTRACT Since the 1950s,international studies have confirmed the technical advantages of high-voltage direct current(HVDC) transmission projects,such as large capacity,low loss,and high stability.In recent years,due to the reverse distribution of energy demand and resources in China,large-scale long-distance transportation of energy is inevitable.HVDC is especially suitable for large- scale transmission projects such as "west to east power transmission"and "north to south power transmission."Therefore,a number of HVDC projects have been built in China since the 1980s.However,with the large-scale construction of HVDC transmission projects,the interference effect of HVDC grounding electrode on metal facilities is increasingly prominent,in which the buried pipeline will produce high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference.As a result,HVDC interference can cause damage to pipelines, personnel,and related equipment.However,there is no systematic analysis of the causes of high amplitude of pipe-to-soil potential at home and at abroad.Based on the actual engineering parameters,this paper established a calculation model of the high-voltage direct current interference electric field on the buried pipeline and a numerical simulation technology was used to explore the causes of the high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference.Moreover,the influence of the distance between the grounding electrode and the pipeline,the type of anti-corrosion coating,the length of the pipeline,and the soil structure on the pipe ground potential under HVDC interference was investigated.Results reveal that the high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference is under the joint action of the short distance between the grounding electrode and the pipeline,the high insulation performance of the anti- corrosion layer,the large length of the pipeline,and the soil layered structure with low resistivity at upper and high resistivity at lower. KEY WORDS HVDC;high amplitude of pipe-to-soil potential;causes;influencing factors;simulation calculation 收稿日期：2020-06-02 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0802101)
高压直流干扰大幅值管地电位产生原因 及影响因素分析 袁 洵，杜艳霞苣，梁 毅，秦润之 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083 苣通信作者， E-mail：duyanxia@ustb.edu.cn 摘 要 基于实际的工程参数建立了高压直流干扰电场计算模型，利用数值模拟计算技术对高压直流干扰大幅值管地电位 的产生原因进行探究. 考察接地极与管道之间的间距、管道防腐层类型、管道长度及土壤结构等因素对高压直流干扰下管地 电位的影响规律，得到高压直流干扰大幅值管地电位是在接地极与管道距离较近、防腐层的绝缘性能较高、管道长度较大及 上低下高的土壤电阻率分层结构共同作用下产生的. 关键词 高压直流干扰；大幅值管地电位；产生原因；影响因素；模拟计算 分类号 TG142.71 Causes of high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference and influencing factors YUAN Xun，DU Yan-xia苣 ，LIANG Yi，QIN Run-zhi Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: duyanxia@ustb.edu.cn ABSTRACT Since the 1950s, international studies have confirmed the technical advantages of high-voltage direct current (HVDC) transmission projects, such as large capacity, low loss, and high stability. In recent years, due to the reverse distribution of energy demand and resources in China, large-scale long-distance transportation of energy is inevitable. HVDC is especially suitable for largescale transmission projects such as “west to east power transmission” and “north to south power transmission.” Therefore, a number of HVDC projects have been built in China since the 1980s. However, with the large-scale construction of HVDC transmission projects, the interference effect of HVDC grounding electrode on metal facilities is increasingly prominent, in which the buried pipeline will produce high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference. As a result, HVDC interference can cause damage to pipelines, personnel, and related equipment. However, there is no systematic analysis of the causes of high amplitude of pipe-to-soil potential at home and at abroad. Based on the actual engineering parameters, this paper established a calculation model of the high-voltage direct current interference electric field on the buried pipeline and a numerical simulation technology was used to explore the causes of the high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference. Moreover, the influence of the distance between the grounding electrode and the pipeline, the type of anti-corrosion coating, the length of the pipeline, and the soil structure on the pipe ground potential under HVDC interference was investigated. Results reveal that the high amplitude of pipe-to-soil potential under HVDC interference is under the joint action of the short distance between the grounding electrode and the pipeline, the high insulation performance of the anticorrosion layer, the large length of the pipeline, and the soil layered structure with low resistivity at upper and high resistivity at lower. KEY WORDS HVDC；high amplitude of pipe-to-soil potential；causes；influencing factors；simulation calculation 收稿日期: 2020−06−02 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2016YFC0802101） 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期：1560−1568，2021 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 11: 1560−1568, November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.002; http://cje.ustb.edu.cn
袁洵等：高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析 ·1561 高压直流输电是一种用于远距离传输的高效 试和实验室模拟实验的手段无法有效的进行，因此 率输电方式，具有容量大、损耗小、稳定度高等优 国内外通常采用数值模拟的方法进行探索与研究 点列.目前，我国已有多条大型高压直流输电工 本文基于实际的工程参数建立了高压直流干 程投产运行，例如西电东送工程、北电南送工程、向 扰电场计算模型，利用数值模拟计算技术对高压 家坝-上海和哈密-郑州等高压直流输电工程，并 直流干扰大幅值管地电位的产生原因进行探究， 且还有多条高压直流输电系统正在规划建设中刀 并考察影响大幅值管地电位产生的影响因素，以 通常高压直流输电系统接地极有双极模式和 期为后续的高压直流工程建设提供参考和借鉴 单极模式两种运行模式&叨，我国高压直流输电系 1研究方法及参数选取 统运行过程中多采用双极大地方式，但在建设投 运初期、检修以及出现故障排查时，常采用单极大 本文建立模型所使用的CDEGS软件是加拿大SES 地返回运行方式，单极模式相对于双极而言，接地 公司开发的一种专业工程软件，其中软件中的HIFREQ 极放电影响范围大，干扰强度高0，这是因为在 模块考虑了导体网络中的感应、电容和传导干扰效 单极模式运行中多采用以大地为回路的运行方 应24可以用于计算地下和架空导线网络中的电流 式，此时通过接地极可向大地注入高达数千安培 分布和电场、磁场等，分析由任意方向的地上和地 的电流，这些注入土壤中的电流会产生电场，从而 下导体组成的网络，以及由于输电线路等的存在而 在附近的金属设施（如管道）中引入过大的电流和 在管道和其他地下物体中产生的感应电流和电压. 电压3，这些瞬间产生的大电流可能会加速管 从上世纪六十年代起，国内外已经开始针对高 道腐蚀，产生打火放电现象，甚至烧毁附近的阴极 压直流输电系统对埋地管道的影响进行模拟计算研 保护设备2161目前，我国已经出现多起高压直 究，其中CDEGS软件作为国际权威认证的数值模 流输电系统接地极单极放电引起的干扰问题，如 拟计算软件已经被广泛认可.Bi等通过CDEGS 广东省天然气管网有限公司鳌广干线受南方电网 软件分析了5000A单极电流对哈密南部接地运行 云广输电系统干扰时，多台恒电位仪烧坏，甚至发 的影响，并通过现场实际监测结果与模拟结果作对 生机柜着火等事故6：鱼龙岭接地极放电导致在 比发现两者吻合较好；Gong等l]通过CDEGS软件 广东某天然气管道测试得到管道上的干扰电压高 建立了在复杂土壤结构下的干扰模型，并结合现场 达140.5V(sCSE)(相对于铜-硫酸铜电极的电 测量和计算结果的比较，验证了模型的合理性 位)：在翁源接地极测试得到的距离接地极最近的 本文基于CDEGS软件建立模型，利用±500kV 管道位置通电电位正向偏移至100V(sCSE)左 某高压直流接地极以及附近埋地金属管道实际参 右例.上述案例的出现使得高压直流输电系统接 数作为数据基础，通过对比现场实际监测数据与 地极对埋地管道的干扰问题引起了国内管道及电 数值模拟结果验证模型的合理可行性，最后利用 力行业的广泛关注.尽管在国外有一些关于高压 验证后的模型通过改变不同参数，考察了接地极 直流千扰研究的报道20-2)，如早在1971年，美国学 与管道之间的垂直间距、管道防腐层、管道长度、 者就开始研究高压直流接地极对周围铸铁管道的 土壤结构四个因素对管地电位的影响规律.图1 干扰和危害2.但是由于国内的电压等级不断提 为本次论文研究中接地极与管道模型示意图，表1 高，放电电流大，并且接地极与管道之间的间距远 为模型验证所用参数及后续规律研究时的参数 小于国外的案例，因此产生的干扰幅值远高于国 表，表2和表3为接地极和土壤结构相关参数 外.如Qin等2]在牛从接地极测试得到的最高管 地通电电位甚至高达304V(sCSE),这严重威胁 着人员的安全和管道防护设备的正常运行.上述 案例中出现的大幅值管地电位均表明高压直流接 Center of grounding Vertical distance electrode 地极对管道会造成很严重的干扰，但是目前国内 外学者针对其大幅值电位产生的原因没有深入的 分析，对产生大幅值电位的影响因素也没有系统 Pipe center 的探讨.而国内对于高压直流干扰这种新型干扰 图1接地极与管道相对位置示意图 的相关研究尚处于起步阶段，并且由于高压直流 Fig.I Diagram of relative position between the grounding electrode and 干扰时影响范围大、涉及面积广等因素P,现场测 pipeline
高压直流输电是一种用于远距离传输的高效 率输电方式，具有容量大、损耗小、稳定度高等优 点[1–5] . 目前，我国已有多条大型高压直流输电工 程投产运行，例如西电东送工程、北电南送工程、向 家坝–上海和哈密–郑州等高压直流输电工程，并 且还有多条高压直流输电系统正在规划建设中[5–7] . 通常高压直流输电系统接地极有双极模式和 单极模式两种运行模式[8–9] ，我国高压直流输电系 统运行过程中多采用双极大地方式，但在建设投 运初期、检修以及出现故障排查时，常采用单极大 地返回运行方式，单极模式相对于双极而言，接地 极放电影响范围大，干扰强度高[10–12] ，这是因为在 单极模式运行中多采用以大地为回路的运行方 式，此时通过接地极可向大地注入高达数千安培 的电流，这些注入土壤中的电流会产生电场，从而 在附近的金属设施（如管道）中引入过大的电流和 电压[13– 15] ，这些瞬间产生的大电流可能会加速管 道腐蚀，产生打火放电现象，甚至烧毁附近的阴极 保护设备[12, 16–19] . 目前，我国已经出现多起高压直 流输电系统接地极单极放电引起的干扰问题，如 广东省天然气管网有限公司鳌广干线受南方电网 云广输电系统干扰时，多台恒电位仪烧坏，甚至发 生机柜着火等事故[16] ；鱼龙岭接地极放电导致在 广东某天然气管道测试得到管道上的干扰电压高 达 140.5 V (vs CSE)[17] （相对于铜–硫酸铜电极的电 位）；在翁源接地极测试得到的距离接地极最近的 管道位置通电电位正向偏移至 100 V (vs CSE) 左 右[18] . 上述案例的出现使得高压直流输电系统接 地极对埋地管道的干扰问题引起了国内管道及电 力行业的广泛关注. 尽管在国外有一些关于高压 直流干扰研究的报道[20–21] ，如早在 1971 年，美国学 者就开始研究高压直流接地极对周围铸铁管道的 干扰和危害[21] . 但是由于国内的电压等级不断提 高，放电电流大，并且接地极与管道之间的间距远 小于国外的案例，因此产生的干扰幅值远高于国 外. 如 Qin 等[22] 在牛从接地极测试得到的最高管 地通电电位甚至高达 304 V (vs CSE)，这严重威胁 着人员的安全和管道防护设备的正常运行. 上述 案例中出现的大幅值管地电位均表明高压直流接 地极对管道会造成很严重的干扰，但是目前国内 外学者针对其大幅值电位产生的原因没有深入的 分析，对产生大幅值电位的影响因素也没有系统 的探讨. 而国内对于高压直流干扰这种新型干扰 的相关研究尚处于起步阶段，并且由于高压直流 干扰时影响范围大、涉及面积广等因素[23] ，现场测 试和实验室模拟实验的手段无法有效的进行，因此 国内外通常采用数值模拟的方法进行探索与研究. 本文基于实际的工程参数建立了高压直流干 扰电场计算模型，利用数值模拟计算技术对高压 直流干扰大幅值管地电位的产生原因进行探究， 并考察影响大幅值管地电位产生的影响因素，以 期为后续的高压直流工程建设提供参考和借鉴. 1 研究方法及参数选取 本文建立模型所使用的CDEGS 软件是加拿大SES 公司开发的一种专业工程软件，其中软件中的 HIFREQ 模块考虑了导体网络中的感应、电容和传导干扰效 应[24] . 可以用于计算地下和架空导线网络中的电流 分布和电场、磁场等，分析由任意方向的地上和地 下导体组成的网络，以及由于输电线路等的存在而 在管道和其他地下物体中产生的感应电流和电压. 从上世纪六十年代起，国内外已经开始针对高 压直流输电系统对埋地管道的影响进行模拟计算研 究，其中 CDEGS 软件作为国际权威认证的数值模 拟计算软件已经被广泛认可. Bi 等[6] 通过 CDEGS 软件分析了 5000 A 单极电流对哈密南部接地运行 的影响，并通过现场实际监测结果与模拟结果作对 比发现两者吻合较好；Gong 等[13] 通过 CDEGS 软件 建立了在复杂土壤结构下的干扰模型，并结合现场 测量和计算结果的比较，验证了模型的合理性. 本文基于 CDEGS 软件建立模型，利用±500 kV 某高压直流接地极以及附近埋地金属管道实际参 数作为数据基础，通过对比现场实际监测数据与 数值模拟结果验证模型的合理可行性，最后利用 验证后的模型通过改变不同参数，考察了接地极 与管道之间的垂直间距、管道防腐层、管道长度、 土壤结构四个因素对管地电位的影响规律. 图 1 为本次论文研究中接地极与管道模型示意图，表 1 为模型验证所用参数及后续规律研究时的参数 表，表 2 和表 3 为接地极和土壤结构相关参数. Center of grounding electrode Pipe center Vertical distance 图 1 接地极与管道相对位置示意图 Fig.1 Diagram of relative position between the grounding electrode and pipeline 袁 洵等： 高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析 · 1561 ·
1562 工程科学学报.第43卷，第11期 表1管道参数 Table 1 Pipe parameters Outer radius Vertical distance between Parameters Wall thickness/Depth the pipeline and grounding Resistivity of anticorrosive Pipe length/ of pipe/ mm m coating /(O-m2) km mm electrode/km Basic model 400 50 2 > 105 185 Vertical distance between the pipeline and grounding electrode 400 50 1/3/5/10 1035 100 Pipeline anticorrosive coating 400 50 5 0/10/105 100 Pipe length 400 50 2 5 105 1/510/30/50/100 Soil structure 400 50 105 100 3大幅值管地电位的产生原因及影响因素 表2高压直流接地极参数 Table 2 Parameters of high-voltage direct current(HVDC)grounding 分析 electrode Current in monopolar 利用第1节验证后的模型模拟了高压直流接 Radius of outer Radius of inner Depth/ mode/A Structure ring/m ring/m m 地极单极运行时对埋地管道干扰产生的管地电位 3200 Dual-loop 315 240 3.5 分布.由图2可知，管道在测试点1处的管地电位 structure 高达-304V,为了探究其高幅值的原因，首先结合 软件以无穷远处为电位零点，定义了三个参数： 表3土壤结构参数 Eso一土壤中的电位，即土壤相对于远地点（零点） Table 3 Soil structure parameters Layers Thickness/m Resistivity/(.m) 的电位；Ep即e一管道的电位，即管道钢金属相对于 远地点（零点）的电位；Eppeo0一管道对近地电 First layer 2.5 25 位，简称为管地电位 Second layer 8.1 60.5 由图3所示为三种电位的位置示意图，图4为 Third layer 6 790 基础模型计算得到的土壤电位E和管道电位 Epre电位图，而管地电位p-sol得到的结果即 2 模型验证 图2的结果.以管道受干扰程度最大点的电位为 例，模型计算得到的Eoi为478.3V,Ep为159.2V, 为了探究利用软件建立模型的可行性，本文 而管地电位即Epp-oil为-319.1V,可以看出他 基于某实际现场案例参数（表1中基础模型参数） 们之间的关系为p-soi=Epipe-Eo,这也与图3 建立模型，并利用现场监测数据与模拟结果作对 给出的关系相符.因为通常在地表测得的管道对 比，计算结果及现场数值匹配如图2所示.可以看 地电位，是由管道电位和附近土壤电位共同决定 出现场监测数据与数值模拟计算结果吻合较好， 的，而且管道电位和附近的土壤电位会因为管道 即模型是合理可行的 或接地极的某些参数发生改变而产生不同的结 果.比如由图5所示，从接地极中心处垂直延伸至 ·Field test data 100 管道外侧的测试点1处的垂直线上，随着管道离 Software simulation results Test point 3 接地极的距离越大，Eo不断下降.这是因为当接 0 地极放电时，会在土壤中产生一个地电场，接地极 2 -100 Test point 2 类似于一个电场源，其周边的土壤电位会变成一 种等电位线的梯度场，距离接地极越远，土壤电位 -200 越低.因此为了探究哪些参数改变时会影响管道 -300 Test point 1 电位和土壤电位，进而产生高幅值管地电位，本文 -400 将利用CDEGS软件建立模型，基于表1~3给出 0 50 100 150 200 Pipe length/km 的参数探究接地极与管道之间的垂直间距、管道 图2模型计算结果与现场数据匹配图 防腐层、管道长度和土壤结构四个因素对管地电 Fig.2 Matching diagram of model calculation results and field data 位的影响规律
表 1 管道参数 Table 1 Pipe parameters Parameters Outer radius of pipe / mm Wall thickness / mm Depth / m Vertical distance between the pipeline and grounding electrode / km Resistivity of anticorrosive coating / (Ω·m2 ) Pipe length / km Basic model 400 50 2 7 105 185 Vertical distance between the pipeline and grounding electrode 400 50 2 1/3/5/10 105 100 Pipeline anticorrosive coating 400 50 2 5 0/104 /105 100 Pipe length 400 50 2 5 105 1/5/10/30/50/100 Soil structure 400 50 2 5 105 100 表 2 高压直流接地极参数 Table 2 Parameters of high-voltage direct current (HVDC) grounding electrode Current in monopolar mode / A Structure Radius of outer ring / m Radius of inner ring / m Depth / m 3200 Dual-loop structure 315 240 3.5 表 3 土壤结构参数 Table 3 Soil structure parameters Layers Thickness/m Resistivity/(Ω·m) First layer 2.5 25 Second layer 8.1 60.5 Third layer ∞ 790 2 模型验证 为了探究利用软件建立模型的可行性，本文 基于某实际现场案例参数（表 1 中基础模型参数） 建立模型，并利用现场监测数据与模拟结果作对 比，计算结果及现场数值匹配如图 2 所示. 可以看 出现场监测数据与数值模拟计算结果吻合较好， 即模型是合理可行的. 0 50 100 150 200 −400 −300 −200 −100 0 100 Test point 3 Test point 1 Test point 2 Field test data Software simulation results Pipe length/km Epipe-to-soil/V 图 2 模型计算结果与现场数据匹配图 Fig.2 Matching diagram of model calculation results and field data 3 大幅值管地电位的产生原因及影响因素 分析 利用第 1 节验证后的模型模拟了高压直流接 地极单极运行时对埋地管道干扰产生的管地电位 分布. 由图 2 可知，管道在测试点 1 处的管地电位 高达−304 V，为了探究其高幅值的原因，首先结合 软件以无穷远处为电位零点，定义了三个参数： Esoil—土壤中的电位，即土壤相对于远地点（零点） 的电位；Epipe—管道的电位，即管道钢金属相对于 远地点（零点）的电位；Epipe-to-soil—管道对近地电 位，简称为管地电位. 由图 3 所示为三种电位的位置示意图，图 4 为 基础模型计算得到的土壤电位 Esoil 和管道电位 Epipe 电位图，而管地电位 Epipe-to-soil 得到的结果即 图 2 的结果. 以管道受干扰程度最大点的电位为 例，模型计算得到的 Esoil 为 478.3 V，Epipe 为 159.2 V， 而管地电位即 Epipe-to-soil 为–319.1 V，可以看出他 们之间的关系为 Epipe-to-soil=Epipe–Esoil，这也与图 3 给出的关系相符. 因为通常在地表测得的管道对 地电位，是由管道电位和附近土壤电位共同决定 的，而且管道电位和附近的土壤电位会因为管道 或接地极的某些参数发生改变而产生不同的结 果. 比如由图 5 所示，从接地极中心处垂直延伸至 管道外侧的测试点 1 处的垂直线上，随着管道离 接地极的距离越大，Esoil 不断下降. 这是因为当接 地极放电时，会在土壤中产生一个地电场，接地极 类似于一个电场源，其周边的土壤电位会变成一 种等电位线的梯度场，距离接地极越远，土壤电位 越低. 因此为了探究哪些参数改变时会影响管道 电位和土壤电位，进而产生高幅值管地电位，本文 将利用 CDEGS 软件建立模型，基于表 1～3 给出 的参数探究接地极与管道之间的垂直间距、管道 防腐层、管道长度和土壤结构四个因素对管地电 位的影响规律. · 1562 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期
袁洵等：高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析 1563· 31接地极与管道间的垂直间距对管地电位的影响 Soil 当管道与接地极之间的垂直间距发生变化 时，管道处于接地极电场的不同位置，因此其土壤 电位和管道电位会发生变化，为了对比不同间距 的效果，分别选取垂直间距为1、3、5和10km进 Zero 行计算，结果如图6所示 point 由图6可见，图6(a)中呈现的规律为距离接 Reference Pipe Coating electrode 地极越近，管道中心处的土壤电位Es越大，这也 图3高压直流干扰中Em、Epe和pipto三种计算电位示意图 与图6(b)给出的结果相符，并且随着接地极与管 Fig.3 Diagram of the three calculated potentials of Eppeand 道之间的间距越小时，管道电位Epp逐渐增大，管 E under HVDC interference 道中心处的管地电位ppeto-ol大幅减小，两端小 180 500(a) 170 (b) 400 160 10 200 130 100 120 110 0 100 250255075100125150175200 250255075100125150175200 Pipe length/km Pipe length/km 图4基础模型中管道沿线两种电位计算结果.(a)Eo(b)Eppc Fig.Calculation results of two potentials along the pipeline in the validation model:(a)E(b)Ep 3500 小时，管道周边的土壤电位骤增，而管道电位变化 3000 幅度不如土壤电位，因此土壤电位相对于管道电 2500 位在垂直间距发生改变时对管地电位的影响更为 之2000 关键 32管道防腐层类型对管地电位的影响 1500 当来自接地极的电流通过土壤注入管道时需 1000 要跨过管道外侧的防腐层，因此管道防腐层绝缘 500 性能变化可能对高压直流干扰管地电位产生影 0 2 4 6 响.为了对比不同防腐层的效果，分别选取3PE、 Distance from grounding electrode/km 煤焦油瓷漆和无防腐层（裸钢管道）三种管道外防 图5接地极周围土壤电位沿线分布图 Fig.5 Distribution of soil potential around the grounding electrode 腐层，三种防腐层的面电阻率分别为105、10和02m2 进行计算，结果如图7所示 幅增大，当管道与接地极之间的垂直间距从 由图7可见，随着防腐层面电阻率的增大，管 1km增大到10km时，管道中心处的土壤电位从 道中心处的土壤电位Eo增大，管道电位Eppe减 493.2V降低到49.6V,管道电位从47.1V降低到 小，管道两端的规律相反.以管道中心位置为例， 23.5V,可以看出随着接地极与管道之间的间距变 当防腐层面电阻率为102m2时(3PE防腐层)土 大时，管道电位的变化幅度不如土壤电位，由此造 壤电位Eoi为98.8V,管道电位Eppe为30.5V,管 成了两者之差即管地电位相差很大，当管道与接 地电位pp为-68.3V;当防腐层面电阻率为 地极之间的垂直间距为1km时，管地电位高达 102m2时（煤焦油瓷漆）土壤电位为86.0V,管道 -446.1V,而垂直间距为10km时，管地电位为 电位为32.6V,管地电位为-53.3V;而当防腐层面 26.1V.因此当接地极与管道之间的垂直间距变 电阻率为02m2时（裸钢管道）土壤电位为39.3V
Zero point Soil Reference Pipe Coating electrode Esoil Epipe Epipe-to-soil 图 3 高压直流干扰中 Esoil、Epipe 和 Epipe-to-soil 三种计算电位示意图 Fig.3 Diagram of the three calculated potentials of Esoil, Epipe, and Epipe-to-soil under HVDC interference 3.1 接地极与管道间的垂直间距对管地电位的影响 当管道与接地极之间的垂直间距发生变化 时，管道处于接地极电场的不同位置，因此其土壤 电位和管道电位会发生变化，为了对比不同间距 的效果，分别选取垂直间距为 1、3、5 和 10 km 进 行计算，结果如图 6 所示. 由图 6 可见，图 6（a）中呈现的规律为距离接 地极越近，管道中心处的土壤电位 Esoil 越大，这也 与图 6（b）给出的结果相符，并且随着接地极与管 道之间的间距越小时，管道电位 Epipe 逐渐增大，管 道中心处的管地电位 Epipe-to-soil 大幅减小，两端小 幅增大 . 当管道与接地极之间的垂直间距从 1 km 增大到 10 km 时，管道中心处的土壤电位从 493.2 V 降低到 49.6 V，管道电位从 47.1 V 降低到 23.5 V，可以看出随着接地极与管道之间的间距变 大时，管道电位的变化幅度不如土壤电位，由此造 成了两者之差即管地电位相差很大，当管道与接 地极之间的垂直间距为 1 km 时，管地电位高达 −446.1 V，而垂直间距 为 10 km 时 ，管地电位为 −26.1 V. 因此当接地极与管道之间的垂直间距变 小时，管道周边的土壤电位骤增，而管道电位变化 幅度不如土壤电位，因此土壤电位相对于管道电 位在垂直间距发生改变时对管地电位的影响更为 关键. 3.2 管道防腐层类型对管地电位的影响 当来自接地极的电流通过土壤注入管道时需 要跨过管道外侧的防腐层，因此管道防腐层绝缘 性能变化可能对高压直流干扰管地电位产生影 响. 为了对比不同防腐层的效果，分别选取 3PE、 煤焦油瓷漆和无防腐层（裸钢管道）三种管道外防 腐层，三种防腐层的面电阻率分别为105、104 和0 Ω·m2 进行计算，结果如图 7 所示. 由图 7 可见，随着防腐层面电阻率的增大，管 道中心处的土壤电位 Esoil 增大，管道电位 Epipe 减 小，管道两端的规律相反. 以管道中心位置为例， 当防腐层面电阻率为 105 Ω·m2 时（3PE 防腐层）土 壤电位 Esoil 为 98.8 V，管道电位 Epipe 为 30.5 V，管 地电位 Epipe-to-soil 为–68.3 V；当防腐层面电阻率为 104 Ω·m2 时（煤焦油瓷漆）土壤电位为 86.0 V，管道 电位为 32.6 V，管地电位为–53.3 V；而当防腐层面 电阻率为 0 Ω·m2 时（裸钢管道）土壤电位为 39.3 V， −25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 0 100 200 300 400 500 Esoil/V Pipe length/km (a) −25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 100 110 120 130 140 150 160 170 180 (b) Epipe/V Pipe length/km 图 4 基础模型中管道沿线两种电位计算结果. （a）Esoil；（b）Epipe Fig.4 Calculation results of two potentials along the pipeline in the validation model: (a) Esoil; (b) Epipe 0 2 4 6 8 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Esoil/V Distance from grounding electrode/km 图 5 接地极周围土壤电位沿线分布图 Fig.5 Distribution of soil potential around the grounding electrode 袁 洵等： 高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析 · 1563 ·
1564 工程科学学报.第43卷，第11期 50 500(a) (b) 45 400 1km 40 3 km 5km -5 km 300 10km -10km 200 0 100 3 0 20 0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 Pipe length/km Pipe length/km 100 (c) 0 -100 1km 3 km -200 10 km -300 -400 -500- 0 20 406080100 Pipe length/km 图6高压直流干扰时不同垂直间距下管道沿线三种电位计算结果.(a)El:(b)Epp;(c)Epipecto~ol Fig Calculation results of three types of potential along the pipeline under different vertical spacings under HVDC interference:(a)E(b)E (c）Epipe-to-oil 100(a) 39 (b) 102m2 -105-m2 0 -102-m2 36 -10Ω-m2 02-m2 02m2 33 60 20 0 21 0 204060 80 100 0 20406080100 Pipe length/km Pipe length/km 20 (c) 102m2 -20 102m 02m2 -40 60 -80 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km 图7高压直流干扰时不同防腐层下管道沿线三种电位计算结果.(a)Eoa:(b)Eppe:(c)Epipe4oso Fig7 Calculation results of three types of potential along the pipeline under different anticorrosive coatings under HVDC interference:(a)E(b)E (c)Epipe 管道电位为38.9V,管地电位为-0.4V.可以看出 瓷漆两种防腐层.这是因为裸管没有防腐层的阻 裸钢管道中获得的管地电位远小于3PE和煤焦油 隔，不会在防腐层上产生高的分压，从而使得得到
管道电位为 38.9 V，管地电位为–0.4 V. 可以看出 裸钢管道中获得的管地电位远小于 3PE 和煤焦油 瓷漆两种防腐层. 这是因为裸管没有防腐层的阻 隔，不会在防腐层上产生高的分压，从而使得得到 0 20 40 60 80 100 20 25 30 35 40 45 50 (b) Epipe/V Pipe length/km 1 km 3 km 5 km 10 km 0 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 (a) Esoil/V Pipe length/km 1 km 3 km 5 km 10 km 1 km 3 km 5 km 10 km 0 20 40 60 80 100 −500 −400 −300 −200 −100 0 100 (c) Epipe-to-soil/V Pipe length/km 图 6 高压直流干扰时不同垂直间距下管道沿线三种电位计算结果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soil Fig.6 Calculation results of three types of potential along the pipeline under different vertical spacings under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe; (c) Epipe-to-soil 105 Ω·m2 104 Ω·m2 0 Ω·m2 21 24 27 30 33 36 39 (b) 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km Epipe/V 0 20 40 60 80 100 (a) 105 Ω·m2 104 Ω·m2 0 Ω·m2 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km Esoil/V 105 Ω·m2 104 Ω·m2 0 Ω·m2 −80 −60 −40 −20 0 20 (c) 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km Epipe-to-soil/V 图 7 高压直流干扰时不同防腐层下管道沿线三种电位计算结果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soil Fig.7 Calculation results of three types of potential along the pipeline under different anticorrosive coatings under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe; (c) Epipe-to-soil · 1564 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期
袁洵等：高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析 1565 的管地电位接近0V,而当防腐层的性能很好时， 3.3管道长度对管地电位的影响 防腐层的电阻很高，土壤电位和管道电位有很大 当电流在管道中流动时，管道的长度不同，也 差异，因此会产生很高的管地电位，高绝缘性能的 会对管道的干扰产生不同的结果.为了对比不同 防腐层对高压直流干扰下大幅值管地电位的产生 管道长度的效果，分别选取长度为1、5、10、30、 具有很大贡献 50和100km进行计算，结果如图8所示 100(a) 1km 5km 100 (b) 1km 5km 10km -10km 80 30 km -30km 50 km 80 -50km -100km -100km 60 60 0 20 40 20 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km Pipe length/km 40 (c) 20 0 -20 10 km 30 km -40 50 km 100km -60 -80 20406080100 Pipe length/km 图8高压直流干扰时不同管道长度下管道沿线三种电位计算结果.(a)Eoa:(b)Eppc;(c)Eppe-o Fig.Calculation results of three types of potential along the pipeline under different pipeline lengths under HVDC interference:(a)E(b)Epp (c)Eppes 由图8可见，当管道长度发生变化时，土壤电位 扰的影响，本文通过改变底层土壤电阻率分别为 E0a基本不发生变化，而管道电位Epp随着管道 5、12.5、25、50、100、300、800、1500和30002m, 长度的增长而降低，当管道长度从1km变到 建立了9种不同土壤结构模型，通过控制表层与 100km时，管道中心处的土壤电位仅从100.7V变化 底层土壤电阻率的比值，计算其对管道干扰的影 至98.8V,管道电位从100.5V降低为30.5V,可以 响规律.土壤电阻率变化具体如表4 看出随着管道长度变长时，土壤电位的变化幅度不如 表4土壤结构计算的分层情况 管道电位，由此造成了两者之差即管地电位相差很 Table 4 Layering of the soil structure calculation 大，当管道长度为1km时，管道中心处的管地电位 First layer soil Second layer soil Third layer soil Ratio of bottom No resistivity/ resistivity/ resistivity/ to topsoil Eppe-io-soi仅为-0.3V左右，而管道长度为100km (2m) (m) (m) resistivity 时，管地电位为-683V.因此管道的长距离对于高压 25 60.5 5 02:1 直流干扰下大幅值管地电位的产生具有重要影响 2 25 60.5 12.5 0.5:1 3.4土壤结构对管地电位的影响 3 60.5 25 1:1 埋地油气管道通常埋设于土壤环境中，而高 4 25 60.5 50 21 压直流接地极单极运行时会向土壤注入电流，因 25 60.5 100 41 此土壤会成为电流的传导路径，从而土壤环境的 6 25 60.5 300 12:1 不同会对接地极对埋地管道的干扰有一定影响 25 60.5 800 32:1 通常在实际案例中，土壤结构在大地中的分布一 子 60.5 1500 60:1 般是不均匀的.为了研究土壤结构对高压直流干 9 25 60.5 3000 120:1
的管地电位接近 0 V，而当防腐层的性能很好时， 防腐层的电阻很高，土壤电位和管道电位有很大 差异，因此会产生很高的管地电位，高绝缘性能的 防腐层对高压直流干扰下大幅值管地电位的产生 具有很大贡献. 3.3 管道长度对管地电位的影响 当电流在管道中流动时，管道的长度不同，也 会对管道的干扰产生不同的结果. 为了对比不同 管道长度的效果，分别选取长度为 1、5、10、30、 50 和 100 km 进行计算，结果如图 8 所示. 1 km 5 km 10 km 30 km 50 km 100 km 20 40 60 80 100 (b) 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km Epipe/V 0 20 40 60 80 100 (a) 1 km 5 km 10 km 30 km 50 km 100 km 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km Esoil/V 1 km 5 km 10 km 30 km 50 km 100 km −80 −60 −40 −20 0 20 40 (c) 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km Epipe-to-soil/V 图 8 高压直流干扰时不同管道长度下管道沿线三种电位计算结果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soil Fig.8 Calculation results of three types of potential along the pipeline under different pipeline lengths under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe; (c) Epipe-to-soil 由图 8 可见，当管道长度发生变化时，土壤电位 Esoil 基本不发生变化 ，而管道电位 Epipe 随着管道 长 度 的 增 长 而 降 低 ， 当 管 道 长 度 从 1 km 变 到 100 km 时，管道中心处的土壤电位仅从 100.7 V 变化 至 98.8 V，管道电位从 100.5 V 降低为 30.5 V，可以 看出随着管道长度变长时，土壤电位的变化幅度不如 管道电位，由此造成了两者之差即管地电位相差很 大，当管道长度为 1 km 时，管道中心处的管地电位 Epipe-to-soil 仅为−0.3 V 左右 ，而管道长度为 100 km 时，管地电位为−68.3 V. 因此管道的长距离对于高压 直流干扰下大幅值管地电位的产生具有重要影响. 3.4 土壤结构对管地电位的影响 埋地油气管道通常埋设于土壤环境中，而高 压直流接地极单极运行时会向土壤注入电流，因 此土壤会成为电流的传导路径，从而土壤环境的 不同会对接地极对埋地管道的干扰有一定影响. 通常在实际案例中，土壤结构在大地中的分布一 般是不均匀的. 为了研究土壤结构对高压直流干 扰的影响，本文通过改变底层土壤电阻率分别为 5、12.5、25、50、100、300、800、1500 和 3000 Ω·m， 建立了 9 种不同土壤结构模型，通过控制表层与 底层土壤电阻率的比值，计算其对管道干扰的影 响规律. 土壤电阻率变化具体如表 4. 表 4 土壤结构计算的分层情况 Table 4 Layering of the soil structure calculation No. First layer soil resistivity/ (Ω·m) Second layer soil resistivity/ (Ω·m) Third layer soil resistivity/ (Ω·m) Ratio of bottom to topsoil resistivity 1 25 60.5 5 0.2:1 2 25 60.5 12.5 0.5:1 3 25 60.5 25 1:1 4 25 60.5 50 2:1 5 25 60.5 100 4:1 6 25 60.5 300 12:1 7 25 60.5 800 32:1 8 25 60.5 1500 60:1 9 25 60.5 3000 120:1 袁 洵等： 高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析 · 1565 ·
·1566 工程科学学报，第43卷，第11期 由图9呈现的结果可见，当底层土壤电阻率 可以看出随着底层与表层土壤电阻率之比变大 增大时，土壤电位Esoil和管道电位Epipe都是呈现 时，土壤电位和管道电位均呈上升的趋势，但是上 增大的趋势，管道中心处的管地电位pipe-ol 升的幅度不同，如图10为管道中心位置三种电位 下降，两端的管地电位上升.当底层土壤电阻率 分布图，三种电位均随着比值的增大而呈线性关 为5时（即底层与表层土壤电阻率之比为0.2），土 系，但是土壤电位增长速度大于管道电位增长速 壤电位为0.6V,管道电位为02V,管地电位为 度，从而导致两者之差即管地电位也随着比值的 -0.4V:而当底层土壤电阻率上升至3000时（即底 增大而线性下降.因此呈现土壤电阻率为上低下 层与表层土壤电阻率之比为120)，土壤电位为 高的土壤分层结构对于高压直流干扰下大幅值管 358.3V,管道电位为114.8V,管地电位为-243.4V. 地电位的产生具有重要影响 400 120 350 (a) (b) 100 300 232m m 888 50Ωm 250 100Ωm 3000-m 3002m 1002m 200 7902m 15002m 150 30002m 100 50 20 0 0 20 4060 80 100 0 20 40.60 80100 Pipe length/km Pipe length/km 100 (c) 50 0 -50 -100 502-m -150 002m 3002m -200 8002m 15002m 30002m -250 0204060 80 100 Pipe length/km 图9高压直流干扰时不同底层土壤电阻率下管道沿线三种电位计算结果.(a)Eoa:(b)Ee:(c)Fpipe Fig Calculation results of three potentials along the pipeline under different bottom soil resistivities under HVDC interference:(a)E(b)Ep (c)Epipo…al 400 【Eppe--o 3.5讨论与分析 300 Esou 结合上述四种因素的结果，可以看出高压直 Eppe 200 流接地极对埋地管道干扰产生大幅值管地电位的 原因是由管道周边的土壤电位和管道电位共同决 100 定的，当接地极与管道之间的间距、管道防腐层、 0 管道长度和土壤结构发生变化时，土壤电位 -100 El和管道电位Eppc发生变化，进而引起管地电 -200 位Epeo-sol的变化. (1)当接地极与管道之间的垂直间距变小时， -300L 020406080100120 管道周边的土壤电位骤增，而管道电位变化幅度 Ratio of bottom resistivity to surface resistivity 不如土壤电位，进而引起大幅值管地电位的产生. 图10不同底层与表层土壤电阻率之比下管道中心处El、Epe和 (2)当管道防腐层不同时，在防腐层两端产生 Epipe-ooi分布图 的压降不同，即当防腐层绝缘性能较好时，管道与 Fig10 Distribution of and Epp in the center of the pipeline under the ratio of soil resistivity of different bottom and surface 附近土壤之间形成较大的电压降，该压降主要落 layers 在防腐层两侧，防腐层的存在让管道电位“远离
由图 9 呈现的结果可见，当底层土壤电阻率 增大时，土壤电位 Esoil 和管道电位 Epipe 都是呈现 增大的趋势 ，管道中心处的管地电 位 Epipe-to-soil 下降，两端的管地电位上升. 当底层土壤电阻率 为 5 时（即底层与表层土壤电阻率之比为 0.2），土 壤电位为 0.6 V，管道电位为 0.2 V，管地电位为 −0.4 V；而当底层土壤电阻率上升至 3000 时（即底 层与表层土壤电阻率之比为 120） ，土壤电位为 358.3 V，管道电位为 114.8 V，管地电位为−243.4 V. 可以看出随着底层与表层土壤电阻率之比变大 时，土壤电位和管道电位均呈上升的趋势，但是上 升的幅度不同，如图 10 为管道中心位置三种电位 分布图，三种电位均随着比值的增大而呈线性关 系，但是土壤电位增长速度大于管道电位增长速 度，从而导致两者之差即管地电位也随着比值的 增大而线性下降. 因此呈现土壤电阻率为上低下 高的土壤分层结构对于高压直流干扰下大幅值管 地电位的产生具有重要影响. 5 Ω·m 12.5 Ω·m 25 Ω·m 50 Ω·m 100 Ω·m 300 Ω·m 790 Ω·m 1500 Ω·m 3000 Ω·m 0 20 40 60 80 (b) 100 120 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km Epipe/V 0 50 100 150 200 250 300 350 400 (a) 5 Ω·m 12.5 Ω·m 25 Ω·m 50 Ω·m 100 Ω·m 300 Ω·m 790 Ω·m 1500 Ω·m 3000 Ω·m 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km Esoil/V 5 Ω·m 12.5 Ω·m 25 Ω·m 50 Ω·m 100 Ω·m 300 Ω·m 800 Ω·m 1500 Ω·m 3000 Ω·m −250 −200 −150 −100 −50 0 50 100 (c) 0 20 40 60 80 100 Pipe length/km Epipe-to-soil/V 图 9 高压直流干扰时不同底层土壤电阻率下管道沿线三种电位计算结果. （a）Esoil；（b）Epipe；（c）Epipe-to-soil Fig.9 Calculation results of three potentials along the pipeline under different bottom soil resistivities under HVDC interference: (a) Esoil; (b) Epipe; (c) Epipe-to-soil 0 20 40 60 80 100 120 −300 −200 −100 0 100 200 300 400 Potential/V Ratio of bottom resistivity to surface resistivity Epipe-to-soil Esoil Epipe 图 10 不同底层与表层土壤电阻率之比下管道中心处 Esoil、Epipe 和 Epipe-to-soil 分布图 Fig.10 Distribution of Esoil, Epipe, and Epipe-to-soil in the center of the pipeline under the ratio of soil resistivity of different bottom and surface layers 3.5 讨论与分析 结合上述四种因素的结果，可以看出高压直 流接地极对埋地管道干扰产生大幅值管地电位的 原因是由管道周边的土壤电位和管道电位共同决 定的，当接地极与管道之间的间距、管道防腐层、 管 道 长 度 和 土 壤 结 构 发 生 变 化 时 ， 土 壤 电 位 Esoil 和管道电位 Epipe 发生变化，进而引起管地电 位 Epipe-to-soil 的变化. （1）当接地极与管道之间的垂直间距变小时， 管道周边的土壤电位骤增，而管道电位变化幅度 不如土壤电位，进而引起大幅值管地电位的产生. （2）当管道防腐层不同时，在防腐层两端产生 的压降不同，即当防腐层绝缘性能较好时，管道与 附近土壤之间形成较大的电压降，该压降主要落 在防腐层两侧，防腐层的存在让管道电位“远离 · 1566 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期
袁洵等：高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析 ·1567· 了”附近土壤，从而造成当测试高绝缘性能防腐层 道电位，进而引起管地电位的大幅偏移， 管道时产生大幅值管地电位的根本原因为防腐层 内侧管体与外侧土壤之间巨大的电位差 参考文献 (3)当管道长度变长时，管道电位呈现下降的 [1] Zhao WJ.HVDC Engineering Technology.Beijing:China Electric 趋势，而土壤电位基本不变，管道上的电位相当于 Power Press,2004 通过长长的管道把其“拉向”远地，从而造成管地 (赵豌君.高压直流输电工程技术.北京：中国电力出版社， 电位高幅值的产生 2004) [2]Liao M F,Zhang X L.Xing X Y,et al.Research status and (4)当土壤呈现水平分层结构时，不同的土壤 development trend of grounding current effect of UHVDC 电阻率会影响管道所处位置的土壤电位和管道电 grounding electrode on corrosion of the metal pipelines.High 位，进而影响流过金属管道的直流电流，造成对管 Voltage Apparatus,2018,54(7):44 道干扰程度的不同.随着底层土壤电阻率越高，即 (廖敏夫，张晓莉，邢小羽，等，特高压直流接地极入地电流对金 底层与表层土地电阻率的比值变大时，土壤电位 属管道腐蚀研究现状与发展趋势.高压电器，2018,54(7)：44) 和管道电位呈现线性增加，但是土壤电位增大的 [3]Cao G F,Gu Q L,Jiang Y T,et al.Current interference of HVDC 幅度大于管道电位，因此造成管地电位呈现高幅 ground electrode to buried pipelines and its personal safety 值的结果 distance.Nat Gas Ind B,2019,6(5):427 [4] 结合上述四种因素的分析，可以得出高压直 Zhou Y,Jiang Z T,Ma X M,et al.Case analysis on corrosion and protection of onshore oil and gas pipeline interfered by HVDC 流干扰下大幅值管地电位是在接地极与管道距离 earth electrode.J Saf Sci Technol,2019,15(7):156 较近、管道高绝缘性能防腐层、管道的长距离和 (周毅，姜子涛，马学民，等.陆上油气管道受高压直流接地极干 土壤结构共同作用下产生的，距离越近、防腐层绝 扰的腐蚀与防护实例分析.中国安全生产科学技术，2019， 缘性能越高、管道长度越长，以及表层土壤电阻率 15(7):156) 低于底层的土壤分层结构是造成高压直流大幅值 [5]Wang Z G,Wang W J,Wang F Q,et al.Research on the corrosion 管地电位产生的根本原因. effect of the UHVDC ground electrode current on the metal pipelines ll IEEE International Conference on Power and 4结论 Renewable Energy.Shanghai,2016:48 [6]Bi W X,Chen H Y,Li Z J,et al.HVDC interference to buried 利用数值模拟软件建立高压直流接地极对管 pipeline:numerical modeling and continuous P/S potential 道干扰的模型，首先通过对比现场监测数据与模 monitoring /CORROSION 2016.Vancouver,2016:NACE-2016- 拟结果验证模型的合理可行性，并利用验证后的 7714 模型改变参数，分析接地极与管道垂直间距、管道 [7]Jiang Z T,Cao G F,Ge C G,et al.Study on the mechanism and 防腐层、管道长度和土壤结构四个因素，获得了管 influencing factors of HVDC interference /CORROSION 2017. 道周围土壤电位、管道电位和管地电位的影响规 New Orleans,2017:NACE-2017-9293 律，得到高压直流大幅电位产生的原因，具体结论 [8]LiX Y.HVDC System.Beijing:Science and Technology Press. 如下： 2010 (李兴源.高压直流输电系统.北京：科学技术出版社，2010) (1)大幅值管地电位可由管道电位和附近的 [9]Li Z J.Field test and analysis of interference of high or ultra high 土壤电位之差获得，是由两者共同决定的 voltage direct current transmission system to underground steel (2)管道与接地极之间的间距变小会造成土 pipeline.Corros Prot,2017,38(2):142 壤电位和管道电位增大，而管道电位增大幅度不 (李振军.高压特高压直流输电系统对埋地钢质管道干扰的现 如土壤电位，进而引起管地电位的大幅偏移 场测试与分析.腐蚀与防护，2017,38(2)：142) (3)防腐层的绝缘性能越好，土壤电位与管道 [10]Qin R Z,Du Y X,Jiang Z T,et al.Research status of interference 电位之间的差值越大，进而引起防腐层两侧大幅 of HVDC transmission system to buried metal pipeline.Corros Sci 值电位差，造成管地电位的大幅偏移 Prot Technol,2016,28(3):263 (秦润之，杜艳霞，姜子涛，等.高压直流输电系统对埋地金属管 (4)管道长度增加会造成管道电位的变化，而 道的千扰研究现状.腐蚀科学与防护技术，2016,28(3)：263) 土壤电位基本不变，从而引起管地电位增大 [11]Wu J W,Song P.Influence of the high voltage ground current on (5)当土壤结构呈现上层土壤电阻率低，下层 buried pipeline's potential.J Electr Eng,2017,5(2):196 土壤电阻率高的水平土壤分层结构时，随着底层 (吴江伟，宋鹏.高压入地电流对埋地管道电位的影响.电气工 土壤电阻率的增大，土壤电位的增加幅度大于管 程，2017,5(2)：196)
了”附近土壤，从而造成当测试高绝缘性能防腐层 管道时产生大幅值管地电位的根本原因为防腐层 内侧管体与外侧土壤之间巨大的电位差. （3）当管道长度变长时，管道电位呈现下降的 趋势，而土壤电位基本不变，管道上的电位相当于 通过长长的管道把其“拉向”远地，从而造成管地 电位高幅值的产生. （4）当土壤呈现水平分层结构时，不同的土壤 电阻率会影响管道所处位置的土壤电位和管道电 位，进而影响流过金属管道的直流电流，造成对管 道干扰程度的不同. 随着底层土壤电阻率越高，即 底层与表层土地电阻率的比值变大时，土壤电位 和管道电位呈现线性增加，但是土壤电位增大的 幅度大于管道电位，因此造成管地电位呈现高幅 值的结果. 结合上述四种因素的分析，可以得出高压直 流干扰下大幅值管地电位是在接地极与管道距离 较近、管道高绝缘性能防腐层、管道的长距离和 土壤结构共同作用下产生的，距离越近、防腐层绝 缘性能越高、管道长度越长，以及表层土壤电阻率 低于底层的土壤分层结构是造成高压直流大幅值 管地电位产生的根本原因. 4 结论 利用数值模拟软件建立高压直流接地极对管 道干扰的模型，首先通过对比现场监测数据与模 拟结果验证模型的合理可行性，并利用验证后的 模型改变参数，分析接地极与管道垂直间距、管道 防腐层、管道长度和土壤结构四个因素，获得了管 道周围土壤电位、管道电位和管地电位的影响规 律，得到高压直流大幅电位产生的原因，具体结论 如下： （1）大幅值管地电位可由管道电位和附近的 土壤电位之差获得，是由两者共同决定的. （2）管道与接地极之间的间距变小会造成土 壤电位和管道电位增大，而管道电位增大幅度不 如土壤电位，进而引起管地电位的大幅偏移. （3）防腐层的绝缘性能越好，土壤电位与管道 电位之间的差值越大，进而引起防腐层两侧大幅 值电位差，造成管地电位的大幅偏移. （4）管道长度增加会造成管道电位的变化，而 土壤电位基本不变，从而引起管地电位增大. （5）当土壤结构呈现上层土壤电阻率低，下层 土壤电阻率高的水平土壤分层结构时，随着底层 土壤电阻率的增大，土壤电位的增加幅度大于管 道电位，进而引起管地电位的大幅偏移. 参 考 文 献 Zhao W J. HVDC Engineering Technology. Beijing: China Electric Power Press, 2004 （ 赵畹君. 高压直流输电工程技术. 北京: 中国电力出版社, 2004） [1] Liao M F, Zhang X L, Xing X Y, et al. Research status and development trend of grounding current effect of UHVDC grounding electrode on corrosion of the metal pipelines. High Voltage Apparatus, 2018, 54（7）: 44 （廖敏夫, 张晓莉, 邢小羽, 等. 特高压直流接地极入地电流对金 属管道腐蚀研究现状与发展趋势. 高压电器, 2018, 54（7）：44） [2] Cao G F, Gu Q L, Jiang Y T, et al. Current interference of HVDC ground electrode to buried pipelines and its personal safety distance. Nat Gas Ind B, 2019, 6（5）: 427 [3] Zhou Y, Jiang Z T, Ma X M, et al. Case analysis on corrosion and protection of onshore oil and gas pipeline interfered by HVDC earth electrode. J Saf Sci Technol, 2019, 15（7）: 156 （周毅, 姜子涛, 马学民, 等. 陆上油气管道受高压直流接地极干 扰的腐蚀与防护实例分析. 中国安全生产科学技术, 2019, 15（7）：156） [4] Wang Z G, Wang W J, Wang F Q, et al. Research on the corrosion effect of the UHVDC ground electrode current on the metal pipelines // IEEE International Conference on Power and Renewable Energy. Shanghai, 2016: 48 [5] Bi W X, Chen H Y, Li Z J, et al. HVDC interference to buried pipeline: numerical modeling and continuous P/S potential monitoring // CORROSION 2016. Vancouver, 2016: NACE-2016- 7714 [6] Jiang Z T, Cao G F, Ge C G, et al. Study on the mechanism and influencing factors of HVDC interference // CORROSION 2017. New Orleans, 2017: NACE-2017-9293 [7] Li X Y. HVDC System. Beijing: Science and Technology Press, 2010 （ 李兴源. 高压直流输电系统. 北京: 科学技术出版社, 2010） [8] Li Z J. Field test and analysis of interference of high or ultra high voltage direct current transmission system to underground steel pipeline. Corros Prot, 2017, 38（2）: 142 （李振军. 高压/特高压直流输电系统对埋地钢质管道干扰的现 场测试与分析. 腐蚀与防护, 2017, 38（2）：142） [9] Qin R Z, Du Y X, Jiang Z T, et al. Research status of interference of HVDC transmission system to buried metal pipeline. Corros Sci Prot Technol, 2016, 28（3）: 263 （秦润之, 杜艳霞, 姜子涛, 等. 高压直流输电系统对埋地金属管 道的干扰研究现状. 腐蚀科学与防护技术, 2016, 28（3）：263） [10] Wu J W, Song P. Influence of the high voltage ground current on buried pipeline’s potential. J Electr Eng, 2017, 5（2）: 196 （吴江伟, 宋鹏. 高压入地电流对埋地管道电位的影响. 电气工 程, 2017, 5（2）：196） [11] 袁 洵等： 高压直流干扰大幅值管地电位产生原因及影响因素分析 · 1567 ·
·1568 工程科学学报.第43卷第11期 [12]Li Z L.Interference and protection on buried pipeline of high transmission system ground electrode on West-East Gas Pipeline. voltage direct current grounding electrode.Pipeline Technol Corros Prot,.2017,38(8):631 Equp,2017(3):39 (孙建桃，曹国飞，韩昌柴，等，高压直流输电系统接地极对西气 (李兆玲.高压直流接地极对埋地管道的干扰与防护管道技术 东输管道的影响.腐蚀与防护，2017,38(8)：631) 与设备，2017(3)：39) [19]Zha X T,Zhang J W,Chen S L et al.Corrosion behavior of [13]Gong Y,Xue CL,Yuan Z L,et al.Advanced analysis of HVDC carbon steel in interference of stray current and cathodic electrodes interference on neighboring pipelines.Power Energy protection.Surf Technol,2015,44(12):12 Eg,2015,3:332 (查鑫堂，张建文，陈胜利，等.杂散电流干扰和阴极保护作用下 [14]Qin R Z,Du Y X,Jiang Z T,et al.Corrosion behavior of X80 pipe 碳钢腐蚀规律研究.表面技术，2015,44(12)：12) steel under HVDC interference in sandy soil.Metals,2018,8(10): [20]Nicholson P.High voltage direct current interference with 809 underground/underwater pipelines /Corrosion 2010.San Antonio [15]Qin R Z,Du Y X,Xu Z C,et al.Anodic polarization behavior of 2010:NACE-2010-10102 X80 steel in Na,SO solution under high potential and current [21]Fowles D T.Effects of HVDC on cast-iron pipe systems.JAWWA, density conditions.Materials,2019,12(3):394 1971,63(4):233 [16]Ying B.The influence of HVDC grounding electrode on the safe [22]Qin R Z,Du Y X,Peng G Z,et al.High voltage direct current operation of long-distance pipeline.Oil-Gasfield Surf Eng,2014, interference on buried pipelines:case study and mitigation design 33(7):23 /CORROSION 2017.New Orleans,2017:NACE-2017-9049 (应斌.高压直流输电系统接地极对长输管道安全运行的影响 [23]Qing P.Research on Influence of HVDC Ground Electrode 油气田地面工程，2014,33(7)：23) Current on High-speed Railway Traction Net [Dissertation]. [17]Tan C B,Xu G,Xu M Z,et al.Effect of monopolar earth-return Beijing:North China Electric Power University,2016 operation of grounding electrode on natural gas pipelines.Oil Gas (青攀.高压直流接地极电流对高铁牵引网的彩响研究学位论 Storage Transp,2018.37(6):670 文]北京：华北电力大学，2016) (谭春波，许罡，许明忠，等.接地极单极大地回路电流运行对天 [24]Nejad B M,Blumhagen L.Inductive interference from HVDC 然气管道的影响.油气储运，2018,37(6)：670) transmission lines on close proximity pipeline segments [18]Sun J G,Cao G F,Han CC,et al.Influence of HVDC CORROSION 2018.Phoenix,2018:NACE-2018-10913
Li Z L. Interference and protection on buried pipeline of high voltage direct current grounding electrode. Pipeline Technol Equip, 2017（3）: 39 （李兆玲. 高压直流接地极对埋地管道的干扰与防护. 管道技术 与设备, 2017（3）：39） [12] Gong Y, Xue C L, Yuan Z L, et al. Advanced analysis of HVDC electrodes interference on neighboring pipelines. J Power Energy Eng, 2015, 3: 332 [13] Qin R Z, Du Y X, Jiang Z T, et al. Corrosion behavior of X80 pipe steel under HVDC interference in sandy soil. Metals, 2018, 8（10）: 809 [14] Qin R Z, Du Y X, Xu Z C, et al. Anodic polarization behavior of X80 steel in Na2SO4 solution under high potential and current density conditions. Materials, 2019, 12（3）: 394 [15] Ying B. The influence of HVDC grounding electrode on the safe operation of long-distance pipeline. Oil-Gasfield Surf Eng, 2014, 33（7）: 23 （应斌. 高压直流输电系统接地极对长输管道安全运行的影响. 油气田地面工程, 2014, 33（7）：23） [16] Tan C B, Xu G, Xu M Z, et al. Effect of monopolar earth-return operation of grounding electrode on natural gas pipelines. Oil Gas Storage Transp, 2018, 37（6）: 670 （谭春波, 许罡, 许明忠, 等. 接地极单极大地回路电流运行对天 然气管道的影响. 油气储运, 2018, 37（6）：670） [17] [18] Sun J G, Cao G F, Han C C, et al. Influence of HVDC transmission system ground electrode on West-East Gas Pipeline. Corros Prot, 2017, 38（8）: 631 （孙建桄, 曹国飞, 韩昌柴, 等. 高压直流输电系统接地极对西气 东输管道的影响. 腐蚀与防护, 2017, 38（8）：631） Zha X T, Zhang J W, Chen S L, et al. Corrosion behavior of carbon steel in interference of stray current and cathodic protection. Surf Technol, 2015, 44（12）: 12 （查鑫堂, 张建文, 陈胜利, 等. 杂散电流干扰和阴极保护作用下 碳钢腐蚀规律研究. 表面技术, 2015, 44（12）：12） [19] Nicholson P. High voltage direct current interference with underground/underwater pipelines // Corrosion 2010. San Antonio, 2010: NACE-2010-10102 [20] Fowles D T. Effects of HVDC on cast-iron pipe systems. J AWWA, 1971, 63（4）: 233 [21] Qin R Z, Du Y X, Peng G Z, et al. High voltage direct current interference on buried pipelines: case study and mitigation design // CORROSION 2017. New Orleans, 2017: NACE-2017-9049 [22] Qing P. Research on Influence of HVDC Ground Electrode Current on High-speed Railway Traction Net [Dissertation]. Beijing: North China Electric Power University, 2016 （ 青攀. 高压直流接地极电流对高铁牵引网的影响硏究[学位论 文]. 北京: 华北电力大学, 2016） [23] Nejad B M, Blumhagen L. Inductive interference from HVDC transmission lines on close proximity pipeline segments // CORROSION 2018. Phoenix, 2018: NACE-2018-10913 [24] · 1568 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期