CN107142482A - 高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定及防护方法 - Google Patents

高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定及防护方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高压直流接地极对埋地金属结构物的消减防护技术领域，具体涉及高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定及防护方法。本发明通过现场极化测试得到极化边界条件，结合极化边界条件及相关参数进行建模计算，根据现场检测数据进行模型校核与修正，在修正模型基础上进行消减防护设计及效果评估。该方法对埋地金属结构物整体及细节处的高压直流干扰程度及防护设计的效果进行预测和评估,应用现场极化测试和现场检测数据校正方法提高了预测的准确性。根据模型预测结果对防护措施的类型、数量、位置、尺寸等进行反复调整，调整后进行再次模型，实现防护措施的优化设计，降低防护措施费用，缓解消除埋地金属结构物高压直流干扰失效风险。

Description

高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定及防护方法
技术领域
本发明属于高压直流接地极对埋地金属结构物的消减防护技术领域，具体涉及高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定及防护方法。
背景技术
近年来中国经济发展迅速，为实现能源的经济合理调配，我国全力发展高压直流输电网。高压直流输电***在故障、检修等情况下常采用单极大地回路运行，大量直流电流通过直流接地极进入大地，对周围的埋地金属结构物形成直流杂散电流干扰(即高压直流干扰)。高压直流接地极对埋地金属结构物的干扰危害很大，可能导致埋地金属结构物短时间内腐蚀失效。此外，可能产生较高的金属结构物对地电压差，对相关人员和设备产生损害。目前我国正处在高压直流输电工程大规模建设期，高压直流干扰问题日益凸显，在我国广东、贵州、四川、上海等地均检测到不同程度的高压直流干扰，有报道称最高干扰电压可达300V。
由于高压直流输电工程在国外的应用较少、输送等级低、干扰程度较低，因此缺乏可借鉴的消减防护措施及设计方法。而国内高压直流输电工程大多刚刚投入运行，对埋地金属结构物的干扰问题认识不足，关于消减防护措施及设计方法的相关技术严重匮乏。此外，高压直流干扰具有不同于其他干扰的特点：1)干扰程度高。单极-大地回路运行时入地电流可达几千安培，并集中在几个小时或几天内，对附近埋地金属结构物产生强烈的集中干扰，可能导致金属结构物短时间内发生快速腐蚀失效；2)干扰大小不固定。输电过程中会根据需求调整供电量，导致入地电流大小不固定，对埋地金属结构的干扰也会发生变化；3)干扰时间不确定。直流接地极单极-大地回路运行具有一定的随机性，因此干扰出现的时间不确定；4)干扰极性不确定。入地电流为正时对附近金属结构物产生阳极干扰，入地电流为负时对金属结构物产生阴极干扰，入地电流正负取决于***发生故障、检修的极线，因此对金属结构物的干扰极性也不确定。这些特点使得对高压直流干扰程度的检测以及消减防护措施的效果测试困难重重，而检测数据的缺失导致常规的杂散电流干扰消减防护设计方法无法应用。
另一方面，埋地金属结构物受高压直流接地极的干扰被多个因素影响。比如：接地极入地电流增大，干扰增大；接地极与金属结构物距离减小，干扰增大；土壤电阻率升高，干扰增大；接地极阳极放电，埋地金属结构物近端电位负向移动、远端电位正向移动。因此要想全面正确的分析埋地金属结构物所受干扰情况，必须根据现场施工要求、工程预算、缓解目标设计完整的消减防护方法。
发明内容
针对这些不足，本发明提出了高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定及防护方法。本方法是基于数值模拟技术结合现场检测的全新高压直流干扰消减防护设计方法，用于合理设计埋地金属结构物的防护措施，降低高压直流接地极对埋地金属结构物的干扰。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定方法，所述方法包括以下步骤，
(1)现场检测及参数收集：对计算所需相关参数的进行现场测试和收集：测试高压直流接地极放电时，埋地金属结构物的干扰参数；
(2)建立计算模型：结合现场参数对高压直流接地极对埋地金属结构物的干扰参数构建模型，从三维预测不同现场参数对高压直流接地极对埋地金属结构物的干扰的影响。
进一步地，所述方法还包括：(3)修正模型：根据步骤(2)构建的模型，采用边界元法求解Laplace方程计算金属结构物干扰参数；将模型计算结果与步骤(1)现场测试结果对比；若计算结果与现场测试结果偏差大于10％，修正模型中参数，直至计算结果与现场测试结果最大偏差不超过10％得到修正后的模型，即确定高压直流接地极对埋地金属结构物干扰。
进一步地，所述现场参数包括金属结构物/土壤界面的极化条件、高压直流接地极和埋地金属结构物之间的相对位置关系、高压直流接地极工作参数、埋地金属结构物参数。
进一步地，所述金属结构物/土壤界面的极化条件通过现场极化测试得到；
所述现场极化测试具体为，在埋地金属结构物所处的土壤环境下，利用极化试片测试极化试片的极化曲线。
进一步地，所述极化试片的材质与所述埋地金属结构物的材质相同。
进一步地，其特征在于，步骤(1)中现场检测时检测位置包括金属结构物沿线靠近直流接地极位置、端头以及电力不连续的位置。
进一步地，其特征在于，所述高压直流接地极工作参数包括：额定工作电流，不平衡电流，单极大地回路运行时间，双极大地回路运行时间，以及高压直流接地极附近土壤电阻率分布。
进一步地，其特征在于，所述埋地金属结构物参数包括：管道纵向阻抗、防腐层电阻率、防腐层破损率。
进一步地，其特征在于，采用边界元法求解Laplace方程具体为，以Laplace方程作为电位分布描述方程，边界条件来补充和限制得到定解即金属结构物干扰参数；
所述边界条件包括缓解措施边界条件、金属结构物边界条件、阴极保护***边界条件和高压直流接地极；
所述Laplace方程式为：
缓解措施边界条件为：
金属结构物边界条件：
阴极保护***边界条件：
或或
高压直流接地极：
其中，
偏微分计算符；σ土壤电导率；Φ计算域内任一点的电位；
X为x方向坐标；y为y方向坐标；z为z方向坐标；
im缓解地床上的电流密度，A/m2；im0缓解地床的交换电流密度，A/m2；ic金属结构物上的电流密度，A/m2；ic0金属结构物上的交换电流密度，A/m2；ia0牺牲阳极上的交换电流密度，A/m2；ia牺牲阳极上的电流密度，A/m2；ia1恒电流保护***的电流密度，A/m2；ie高压直流接地极的电流密度，A/m2；
ρ介质电阻率，Ω·m；
φm缓解地床上任意点电位，V；φaeq牺牲阳极上的反应平衡电位，V；φmeq缓解地床的反应平衡电位，V；φceq金属结构物上的反应平衡电位，V；φa牺牲阳极上的任意点电位，V；φa1恒电流保护***的任意点电位，V；φe高压直流接地极的任意点电位，V；
nm缓解地床单位法向量，m；nc金属结构物上的单位法向量,m；na牺牲阳极上的单位法向量；na1恒电流保护***的单位法向量，m；ne高压直流接地极的单位法向量，m；
fm函数关系符号；fc函数关系符号；fa函数关系符号。
进一步地，所述埋地金属结构物的干扰参数包括埋地金属结构物/土壤的通电电位、断电电位、地电位梯度、埋地金属结构物的电流密度、纵向电流。
一种高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的防护方法，所述方法依据上述确定方法得到的修改后的模型；所述防护方法还包括以下步骤：
(5)确定防护目标：利用修正后的模型，计算高压直流接地极对埋地金属结构物产生的干扰电位及电流密度，在此基础上结合风险类型，明确各类风险的安全限值，制定缓解防护目标；
(6)防护设计：应用修正后的模型结合缓解防护目标确定防护方法。
进一步地，所述防护方法还包括：
(7)利用步骤(5)确定的防护方法对防护效果进行预测，结合现场实际施工条件，对防护措施的类型、数量、位置、尺寸等参数进行反复调整；
(8)重复步骤(5)直至获得满足缓解防护目标、经济有效且具有可实施性的防护措施。
进一步地，所述防护措施的类型包括：绝缘接头、强制排流***、单相排流地床、水平锌带地床、分布式地床、深井地床、接地网地床、屏蔽带、架空。
本发明的有益技术效果：
本发明方法包含现场环境、受干扰金属结构物电位等检测以及利用边界元数值模拟软件对现场的干扰进行模拟、预测评估、缓解设计、缓解优化等。为了确保消减防护方法的真实性、完整性，将收集到的现场信息(土壤信息、接地极参数、金属结构物参数等)真实的反映到数值模拟模型中。为了确保消减防护方法的准确性，利用边界元数值模拟软件对上述模型进行干扰计算，并与现场检测电位、电流进行比对，通过不断调整现场参数完成校核。为了确保消减防护方法的安全性，利用边界元数值模拟软件对高压直流接地极对埋地金属结构物的干扰程度进行模拟预测，得到额定入地电流下金属结构物的泄漏电流密度，结构物与大地之间的电压差，以及金属结构物物内部电流总量。为了确保消减防护方法的有效性，根据上述最大入地电流对金属结构物的干扰设计不同的缓解方案，包括：敷设锌带、埋设深井、铺设接地网、设置前排、设置绝缘接头等，达到缓解目标。
本发明中高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的消减防护设计方法填补了目前国内高压直流接地极干扰消减防护领域的空白，且准确性高，可行性强。对于确保高压直流接地极附近埋地金属结构物的安全具有非常重要的意义。
附图说明
图1、实施例1高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的防护方法流程框架图；
图2，实施例1构建的模型示意图；
图3，实施例3中采用本申请中所述的现场极化特性前后计算结果；
图4，实施例4中采用本申请中所述的现场极化特性前后计算结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定：
1)选择高压直流接地极附近金属结构物沿线典型环境，如：农田、沙地、山地等，进行现场极化测试，获得金属结构物在实际工况下的极化边界条件；
2)在金属结构物沿线靠近直流接地极位置、端头以及电力不连续的位置，进行现场检测。测试直流接地极放电时，埋地金属结构物干扰参数，如：结构物/土壤通电电位和断电电位、地电位梯度等；
3)收集高压直流接地极和管道之间的相对位置关系、高压直流接地极工作参数、金属结构物基础资料。结合现场测得的极化边界条件，结合极化特性对高压直流接地极对埋地金属结构物的干扰程度进行建模预测，包括：高压直流接地极建模，埋地金属结构物建模以及土壤结构建模；
4)根据现场检测时高压直流接地极运行参数，利用模型计算金属结构物干扰参数，如：结构物/土壤通电电位和断电电位、地电位梯度等。将模型计算结果与现场测试结果(结构物/土壤电位、地电位梯度)进行对比，然后调整修正模型相关参数，如：防腐层破损率、土壤结构等，重复步骤3)进行计算，直至计算结果与现场测试结果最大偏差不超过10％；
进一步进行高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的防护：
5)分析高压直流接地极可能对埋地金属结构物产生的风险，如：金属腐蚀、氢脆、防腐层剥离、人身安全、设备安全、燃爆隐患等。明确各类风险的安全限值，在此基础上制定缓解防护目标；
6)应用修正后的模型结合缓解防护目标进行防护设计，并对防护效果进行预测。模拟多种防护措施综合运用后的效果，如：强制排流、极性排流、分段绝缘、水平锌带、接地网、深井接地、分布式接地等。
7)根据防护效果预测结果以及现场实际施工条件，对防护措施的类型、数量、位置、尺寸等参数进行反复调整。重复步骤6)直至获得满足缓解防护目标、经济有效且具有可实施性的防护措施。
8)根据步骤7)所获得的优化防护设计参数，完成高压直流接地极对埋地金属结构物的防护设计图纸。
其中，构建的模型为结合金属结构物/土壤界面的极化条件、高压直流接地极和埋地金属结构物之间的相对位置关系、高压直流接地极工作参数、埋地金属结构物参数构建的三维模型，如附图2所示。
采用边界元法求解Laplace方程具体为，以Laplace方程作为电位分布描述方程，边界条件来补充和限制得到定解即金属结构物干扰参数；边界元方法求方程定解的过程：把域内(如：土壤域)的：Laplace方程，通过加权余量法或格林公式，转换为边界上的积分方程，通过网格划分转换为非线性方程组，通过迭代方法计算得到边界上的电位和电流密度分布。
所述边界条件包括缓解措施边界条件、金属结构物边界条件、阴极保护***边界条件和高压直流接地极边界条件；
所述Laplace方程式为：
缓解措施边界条件为：
金属结构物边界条件：
阴极保护***边界条件：
或或
高压直流接地极边界条件：
其中，
偏微分计算符；σ土壤电导率；Φ计算域内任一点的电位；
X为x方向坐标；y为y方向坐标；z为z方向坐标；
im缓解地床上的电流密度，A/m2；im0缓解地床的交换电流密度，A/m2；ic金属结构物上的电流密度，A/m2；ic0金属结构物上的交换电流密度，A/m2；ia0牺牲阳极上的交换电流密度，A/m2；ia牺牲阳极上的电流密度，A/m2；ia1恒电流保护***的电流密度，A/m2；ie高压直流接地极的电流密度，A/m2；
ρ介质电阻率，Ω·m；
φm缓解地床上任意点电位，V；φaeq牺牲阳极上的反应平衡电位，V；φmeq缓解地床的反应平衡电位，V；φceq金属结构物上的反应平衡电位，V；φa牺牲阳极上的任意点电位，V；φa1恒电流保护***的任意点电位，V；φe高压直流接地极的任意点电位，V；
nm缓解地床单位法向量，m；nc金属结构物上的单位法向量,m；na牺牲阳极上的单位法向量；na1恒电流保护***的单位法向量，m；ne高压直流接地极的单位法向量，m；
fm函数关系符号；fc函数关系符号；fa函数关系符号。
实施例2
一条输油管道与高压直流接地极相互靠近。高压直流接地极与管道垂直距离3km。现场调研结果显示输油管道沿线主要有三种土壤环境，农田土、红土和山地。
高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定：
(1)采用与管道相同材质的钢材制作极化试片，在这三种土壤中测试极化试片的极化曲线。
(2)在管道靠近直流接地极位置以及两端布置管地电位测试装置，检测高压直流接地极放电时，管道/土壤的通电电位。
(3)收集高压直流接地极和管道之间的相对位置关系、高压直流接地极工作参数、金属结构物基础资料。利用数值模拟软件(BEASY)进行三维建模，并将不同土壤环境下的管段赋予相应的极化边界条件。
(4)利用数值模拟软件模拟计算直流接地极放电时，管道测试位置处的管道/土壤通电电位。
结果显示，计算结果比实测结果大了15％。调整防腐层破损率后，计算结果与实测结果偏差小于10％，得到确定的高压直流接地极对埋地金属结构物干扰。
进一步进行高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的防护：
(5)通过分析输油管道主要的风险为金属腐蚀和人身安全。根据这两类风险，确定缓解防护目标，如：管道/土壤通电电位限值。
(6)针对上述干扰进行初步设计。由于计算结果显示管道所受干扰程度较低(小于65VCSE)，管道沿线无电源，沿线阀室可增加绝缘接头，因此采用分段绝缘、水平锌带和牺牲阳极三种措施综合使用进行防护。
在管道/土壤通电电位为零的位置布置绝缘接头，在绝缘接头两侧布置牺牲阳极，在干扰最大的位置(管道两端以及与直流接地极最近的位置)布置水平锌带。利用数值模拟软件对防护措施进行模拟计算，预测防护效果。结果表明，该防护措施下不能满足制定的防护目标。
(7)调整水平锌带的长度和数量、优化绝缘接头位置，再次利用数值模拟软件进行建模计算，预测防护效果。结果表明调整后的措施能够满足制定的防护目标。
(8)根据现场情况调整水平锌带和绝缘接头的位置。并根据经济性调整水平锌带的长度和数量。获得优化后的缓解防护参数。
(9)根据所获得的优化防护设计参数，完成高压直流接地极对埋地金属结构物的防护设计图纸。
该工程现场缓解措施施工完成后，对接地极放电时管道沿线管地电位进行检查并与设计计算结果基本一致，说明该防护方法可用于实际生产。
实施例3
某输油管道与高压直流接地极相互靠近。高压直流接地极与管道垂直距离31.8km、管道长度100km、接地极放电电流3000A。
利用本专利所述的现场测试极化曲线计算结果和不使用极化特性计算结果以及现场实测管道电位结果对比如图3所示。由图3可见，使用本专利所述考虑管道实际工况下的极化特性方法可以提高计算结果的准确度。
实施例4
某输气管道与高压直流接地极相互靠近。高压直流接地极与管道垂直距离18.5km、管道长度200km、接地极放电电流1500A。
利用本专利所述的现场检测参数计算结果和不使用现场检测参数计算结果以及现场实测管道极化电位结果对比如图4所示。由图4可见，使用本专利所述的现场检测数据校准方法可以提高计算结果的准确度。

Claims (10)

1.一种高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，
(1)现场检测及参数收集：对计算所需相关参数的进行现场测试和收集；
(2)建立计算模型：结合现场参数对高压直流接地极对埋地金属结构物的干扰参数构建模型，从三维预测不同现场参数对高压直流接地极对埋地金属结构物的干扰的影响；
所述现场参数包括金属结构物/土壤界面的极化曲线、高压直流接地极和埋地金属结构物之间的相对位置关系、高压直流接地极工作参数、埋地金属结构物参数。
2.如权利要求1所述高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定方法，其特征在于，
所述金属结构物/土壤界面的极化曲线通过现场极化测试得到；
所述现场极化测试具体为，在埋地金属结构物所处的土壤环境下，利用极化试片测试极化试片的极化曲线。
3.如权利要求1所述高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定方法，其特征在于，所述确定方法还包括步骤(3)修正模型：根据步骤(2)构建的模型，采用边界元法求解Laplace方程计算金属结构物干扰参数；将模型计算结果与步骤(1)现场测试结果对比；若计算结果与现场测试结果偏差大于10％，修正模型中参数，直至计算结果与现场测试结果最大偏差不超过10％得到修正后的模型，即确定高压直流接地极对埋地金属结构物干扰。
4.如权利要求2所述高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定方法，其特征在于，所述极化试片的材质与所述埋地金属结构物的材质相同。
5.如权利要求1所述高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定方法，其特征在于，步骤(1)中现场检测时检测位置包括金属结构物沿线靠近直流接地极位置、端头以及电力不连续的位置。
6.如权利要求3所述高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定方法，其特征在于，采用边界元法求解Laplace方程具体为，以Laplace方程作为电位分布描述方程，边界条件来补充和限制得到定解即金属结构物干扰参数；
所述边界条件包括缓解措施边界条件、金属结构物边界条件、阴极保护***边界条件和高压直流接地极；
所述Laplace方程式为：
缓解措施边界条件为：
金属结构物边界条件：
阴极保护***边界条件：
或或
高压直流接地极：
其中，
偏微分计算符；σ土壤电导率；Φ计算域内任一点的电位；
X为x方向坐标；y为y方向坐标；z为z方向坐标；
im缓解地床上的电流密度，A/m2；im0缓解地床的交换电流密度，A/m2；ic金属结构物上的电流密度，A/m2；ic0金属结构物上的交换电流密度，A/m2；ia0牺牲阳极上的交换电流密度，A/m2；ia牺牲阳极上的电流密度，A/m2；ia1恒电流保护***的电流密度，A/m2；ie高压直流接地极的电流密度，A/m2；
ρ介质电阻率，Ω·m；
φm缓解地床上任意点电位，V；φaeq牺牲阳极上的反应平衡电位，V；φmeq缓解地床的反应平衡电位，V；φceq金属结构物上的反应平衡电位，V；φa牺牲阳极上的任意点电位，V；φa1恒电流保护***的任意点电位，V；φe高压直流接地极的任意点电位，V；
nm缓解地床单位法向量，m；nc金属结构物上的单位法向量,m；na牺牲阳极上的单位法向量；na1恒电流保护***的单位法向量，m；ne高压直流接地极的单位法向量，m；
fm函数关系符号；fc函数关系符号；fa函数关系符号。
7.如权利要求1-6任一所述高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的确定方法，其特征在于，优选地，所述高压直流接地极工作参数包括：额定工作电流，不平衡电流，单极大地回路运行时间，双极大地回路运行时间，以及高压直流接地极附近土壤电阻率分布；
优选地，所述埋地金属结构物的干扰参数包括埋地金属结构物/土壤的通电电位、断电电位、地电位梯度、埋地金属结构物的电流密度、纵向电流；
优选地，所述埋地金属结构物参数包括：管道纵向阻抗、防腐层电阻率、防腐层破损率。
8.一种高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的防护方法，其特征在于，所述方法依据如权利要求1的确定方法得到的修改后的模型；所述防护方法还包括以下步骤：
(5)确定防护目标：利用修正后的模型，计算高压直流接地极对埋地金属结构物产生的干扰电位及电流密度，在此基础上结合风险类型，明确各类风险的安全限值，制定缓解防护目标；
(6)防护设计：应用修正后的模型结合缓解防护目标确定防护方法。
9.如权利要求8所述高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的防护方法，其特征在于，所述防护方法还包括：
(7)利用步骤(5)确定的防护方法对防护效果进行预测，结合现场实际施工条件，对防护措施的类型、数量、位置、尺寸等参数进行反复调整；
(8)重复步骤(5)直至获得满足缓解防护目标、经济有效且具有可实施性的防护措施。
10.如权利要求8或9所述高压直流接地极对埋地金属结构物干扰的防护方法，其特征在于，所述防护措施的类型包括：绝缘接头、强制排流***、单相排流地床、水平锌带地床、分布式地床、深井地床、接地网地床、屏蔽带、架空。
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