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 ·