高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的確定及防護方法與流程
2023-05-08 22:44:47
本發明屬於高壓直流接地極對埋地金屬結構物的消減防護技術領域，具體涉及高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的確定及防護方法。
背景技術：
近年來中國經濟發展迅速，為實現能源的經濟合理調配，我國全力發展高壓直流輸電網。高壓直流輸電系統在故障、檢修等情況下常採用單極大地迴路運行，大量直流電流通過直流接地極進入大地，對周圍的埋地金屬結構物形成直流雜散電流幹擾(即高壓直流幹擾)。高壓直流接地極對埋地金屬結構物的幹擾危害很大，可能導致埋地金屬結構物短時間內腐蝕失效。此外，可能產生較高的金屬結構物對地電壓差，對相關人員和設備產生損害。目前我國正處在高壓直流輸電工程大規模建設期，高壓直流幹擾問題日益凸顯，在我國廣東、貴州、四川、上海等地均檢測到不同程度的高壓直流幹擾，有報導稱最高干擾電壓可達300v。
由於高壓直流輸電工程在國外的應用較少、輸送等級低、幹擾程度較低，因此缺乏可借鑑的消減防護措施及設計方法。而國內高壓直流輸電工程大多剛剛投入運行，對埋地金屬結構物的幹擾問題認識不足，關於消減防護措施及設計方法的相關技術嚴重匱乏。此外，高壓直流幹擾具有不同於其他幹擾的特點：1)幹擾程度高。單極-大地迴路運行時入地電流可達幾千安培，併集中在幾個小時或幾天內，對附近埋地金屬結構物產生強烈的集中幹擾，可能導致金屬結構物短時間內發生快速腐蝕失效；2)幹擾大小不固定。輸電過程中會根據需求調整供電量，導致入地電流大小不固定，對埋地金屬結構的幹擾也會發生變化；3)幹擾時間不確定。直流接地極單極-大地迴路運行具有一定的隨機性，因此幹擾出現的時間不確定；4)幹擾極性不確定。入地電流為正時對附近金屬結構物產生陽極幹擾，入地電流為負時對金屬結構物產生陰極幹擾，入地電流正負取決於系統發生故障、檢修的極線，因此對金屬結構物的幹擾極性也不確定。這些特點使得對高壓直流幹擾程度的檢測以及消減防護措施的效果測試困難重重，而檢測數據的缺失導致常規的雜散電流幹擾消減防護設計方法無法應用。
另一方面，埋地金屬結構物受高壓直流接地極的幹擾被多個因素影響。比如：接地極入地電流增大，幹擾增大；接地極與金屬結構物距離減小，幹擾增大；土壤電阻率升高，幹擾增大；接地極陽極放電，埋地金屬結構物近端電位負向移動、遠端電位正向移動。因此要想全面正確的分析埋地金屬結構物所受幹擾情況，必須根據現場施工要求、工程預算、緩解目標設計完整的消減防護方法。
技術實現要素：
針對這些不足，本發明提出了高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的確定及防護方法。本方法是基於數值模擬技術結合現場檢測的全新高壓直流幹擾消減防護設計方法，用於合理設計埋地金屬結構物的防護措施，降低高壓直流接地極對埋地金屬結構物的幹擾。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的確定方法，所述方法包括以下步驟，
(1)現場檢測及參數收集：對計算所需相關參數的進行現場測試和收集：測試高壓直流接地極放電時，埋地金屬結構物的幹擾參數；
(2)建立計算模型：結合現場參數對高壓直流接地極對埋地金屬結構物的幹擾參數構建模型，從三維預測不同現場參數對高壓直流接地極對埋地金屬結構物的幹擾的影響。
進一步地，所述方法還包括：(3)修正模型：根據步驟(2)構建的模型，採用邊界元法求解laplace方程計算金屬結構物幹擾參數；將模型計算結果與步驟(1)現場測試結果對比；若計算結果與現場測試結果偏差大於10％，修正模型中參數，直至計算結果與現場測試結果最大偏差不超過10％得到修正後的模型，即確定高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾。
進一步地，所述現場參數包括金屬結構物/土壤界面的極化條件、高壓直流接地極和埋地金屬結構物之間的相對位置關係、高壓直流接地極工作參數、埋地金屬結構物參數。
進一步地，所述金屬結構物/土壤界面的極化條件通過現場極化測試得到；
所述現場極化測試具體為，在埋地金屬結構物所處的土壤環境下，利用極化試片測試極化試片的極化曲線。
進一步地，所述極化試片的材質與所述埋地金屬結構物的材質相同。
進一步地，其特徵在於，步驟(1)中現場檢測時檢測位置包括金屬結構物沿線靠近直流接地極位置、端頭以及電力不連續的位置。
進一步地，其特徵在於，所述高壓直流接地極工作參數包括：額定工作電流，不平衡電流，單極大地迴路運行時間，雙極大地迴路運行時間，以及高壓直流接地極附近土壤電阻率分布。
進一步地，其特徵在於，所述埋地金屬結構物參數包括：管道縱向阻抗、防腐層電阻率、防腐層破損率。
進一步地，其特徵在於，採用邊界元法求解laplace方程具體為，以laplace方程作為電位分布描述方程，邊界條件來補充和限制得到定解即金屬結構物幹擾參數；
所述邊界條件包括緩解措施邊界條件、金屬結構物邊界條件、陰極保護系統邊界條件和高壓直流接地極；
所述laplace方程式為：
緩解措施邊界條件為：
金屬結構物邊界條件：
陰極保護系統邊界條件：
或或
高壓直流接地極：
其中，
偏微分計算符；σ土壤電導率；φ計算域內任一點的電位；
x為x方向坐標；y為y方向坐標；z為z方向坐標；
im緩解地床上的電流密度，a/m2；im0緩解地床的交換電流密度，a/m2；ic金屬結構物上的電流密度，a/m2；ic0金屬結構物上的交換電流密度，a/m2；ia0犧牲陽極上的交換電流密度，a/m2；ia犧牲陽極上的電流密度，a/m2；ia1恆電流保護系統的電流密度，a/m2；ie高壓直流接地極的電流密度，a/m2；
ρ介質電阻率，ω·m；
φm緩解地床上任意點電位，v；φaeq犧牲陽極上的反應平衡電位，v；φmeq緩解地床的反應平衡電位，v；φceq金屬結構物上的反應平衡電位，v；φa犧牲陽極上的任意點電位，v；φa1恆電流保護系統的任意點電位，v；φe高壓直流接地極的任意點電位，v；
nm緩解地床單位法向量，m；nc金屬結構物上的單位法向量,m；na犧牲陽極上的單位法向量；na1恆電流保護系統的單位法向量，m；ne高壓直流接地極的單位法向量，m；
fm函數關係符號；fc函數關係符號；fa函數關係符號。
進一步地，所述埋地金屬結構物的幹擾參數包括埋地金屬結構物/土壤的通電電位、斷電電位、地電位梯度、埋地金屬結構物的電流密度、縱向電流。
一種高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的防護方法，所述方法依據上述確定方法得到的修改後的模型；所述防護方法還包括以下步驟：
(5)確定防護目標：利用修正後的模型，計算高壓直流接地極對埋地金屬結構物產生的幹擾電位及電流密度，在此基礎上結合風險類型，明確各類風險的安全限值，制定緩解防護目標；
(6)防護設計：應用修正後的模型結合緩解防護目標確定防護方法。
進一步地，所述防護方法還包括：
(7)利用步驟(5)確定的防護方法對防護效果進行預測，結合現場實際施工條件，對防護措施的類型、數量、位置、尺寸等參數進行反覆調整；
(8)重複步驟(5)直至獲得滿足緩解防護目標、經濟有效且具有可實施性的防護措施。
進一步地，所述防護措施的類型包括：絕緣接頭、強制排流系統、單相排流地床、水平鋅帶地床、分布式地床、深井地床、接地網地床、屏蔽帶、架空。
本發明的有益技術效果：
本發明方法包含現場環境、受幹擾金屬結構物電位等檢測以及利用邊界元數值模擬軟體對現場的幹擾進行模擬、預測評估、緩解設計、緩解優化等。為了確保消減防護方法的真實性、完整性，將收集到的現場信息(土壤信息、接地極參數、金屬結構物參數等)真實的反映到數值模擬模型中。為了確保消減防護方法的準確性，利用邊界元數值模擬軟體對上述模型進行幹擾計算，並與現場檢測電位、電流進行比對，通過不斷調整現場參數完成校核。為了確保消減防護方法的安全性，利用邊界元數值模擬軟體對高壓直流接地極對埋地金屬結構物的幹擾程度進行模擬預測，得到額定入地電流下金屬結構物的洩漏電流密度，結構物與大地之間的電壓差，以及金屬結構物物內部電流總量。為了確保消減防護方法的有效性，根據上述最大入地電流對金屬結構物的幹擾設計不同的緩解方案，包括：敷設鋅帶、埋設深井、鋪設接地網、設置前排、設置絕緣接頭等，達到緩解目標。
本發明中高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的消減防護設計方法填補了目前國內高壓直流接地極幹擾消減防護領域的空白，且準確性高，可行性強。對於確保高壓直流接地極附近埋地金屬結構物的安全具有非常重要的意義。
附圖說明
圖1、實施例1高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的防護方法流程框架圖；
圖2，實施例1構建的模型示意圖；
圖3，實施例3中採用本申請中所述的現場極化特性前後計算結果；
圖4，實施例4中採用本申請中所述的現場極化特性前後計算結果。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，並不用於限定本發明。
相反，本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發明有更好的了解，在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。
實施例1
高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的確定：
1)選擇高壓直流接地極附近金屬結構物沿線典型環境，如：農田、沙地、山地等，進行現場極化測試，獲得金屬結構物在實際工況下的極化邊界條件；
2)在金屬結構物沿線靠近直流接地極位置、端頭以及電力不連續的位置，進行現場檢測。測試直流接地極放電時，埋地金屬結構物幹擾參數，如：結構物/土壤通電電位和斷電電位、地電位梯度等；
3)收集高壓直流接地極和管道之間的相對位置關係、高壓直流接地極工作參數、金屬結構物基礎資料。結合現場測得的極化邊界條件，結合極化特性對高壓直流接地極對埋地金屬結構物的幹擾程度進行建模預測，包括：高壓直流接地極建模，埋地金屬結構物建模以及土壤結構建模；
4)根據現場檢測時高壓直流接地極運行參數，利用模型計算金屬結構物幹擾參數，如：結構物/土壤通電電位和斷電電位、地電位梯度等。將模型計算結果與現場測試結果(結構物/土壤電位、地電位梯度)進行對比，然後調整修正模型相關參數，如：防腐層破損率、土壤結構等，重複步驟3)進行計算，直至計算結果與現場測試結果最大偏差不超過10％；
進一步進行高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的防護：
5)分析高壓直流接地極可能對埋地金屬結構物產生的風險，如：金屬腐蝕、氫脆、防腐層剝離、人身安全、設備安全、燃爆隱患等。明確各類風險的安全限值，在此基礎上制定緩解防護目標；
6)應用修正後的模型結合緩解防護目標進行防護設計，並對防護效果進行預測。模擬多種防護措施綜合運用後的效果，如：強制排流、極性排流、分段絕緣、水平鋅帶、接地網、深井接地、分布式接地等。
7)根據防護效果預測結果以及現場實際施工條件，對防護措施的類型、數量、位置、尺寸等參數進行反覆調整。重複步驟6)直至獲得滿足緩解防護目標、經濟有效且具有可實施性的防護措施。
8)根據步驟7)所獲得的優化防護設計參數，完成高壓直流接地極對埋地金屬結構物的防護設計圖紙。
其中，構建的模型為結合金屬結構物/土壤界面的極化條件、高壓直流接地極和埋地金屬結構物之間的相對位置關係、高壓直流接地極工作參數、埋地金屬結構物參數構建的三維模型，如附圖2所示。
採用邊界元法求解laplace方程具體為，以laplace方程作為電位分布描述方程，邊界條件來補充和限制得到定解即金屬結構物幹擾參數；邊界元方法求方程定解的過程：把域內(如：土壤域)的：laplace方程，通過加權餘量法或格林公式，轉換為邊界上的積分方程，通過網格劃分轉換為非線性方程組，通過迭代方法計算得到邊界上的電位和電流密度分布。
所述邊界條件包括緩解措施邊界條件、金屬結構物邊界條件、陰極保護系統邊界條件和高壓直流接地極邊界條件；
所述laplace方程式為：
緩解措施邊界條件為：
金屬結構物邊界條件：
陰極保護系統邊界條件：
或或
高壓直流接地極邊界條件：
其中，
偏微分計算符；σ土壤電導率；φ計算域內任一點的電位；
x為x方向坐標；y為y方向坐標；z為z方向坐標；
im緩解地床上的電流密度，a/m2；im0緩解地床的交換電流密度，a/m2；ic金屬結構物上的電流密度，a/m2；ic0金屬結構物上的交換電流密度，a/m2；ia0犧牲陽極上的交換電流密度，a/m2；ia犧牲陽極上的電流密度，a/m2；ia1恆電流保護系統的電流密度，a/m2；ie高壓直流接地極的電流密度，a/m2；
ρ介質電阻率，ω·m；
φm緩解地床上任意點電位，v；φaeq犧牲陽極上的反應平衡電位，v；φmeq緩解地床的反應平衡電位，v；φceq金屬結構物上的反應平衡電位，v；φa犧牲陽極上的任意點電位，v；φa1恆電流保護系統的任意點電位，v；φe高壓直流接地極的任意點電位，v；
nm緩解地床單位法向量，m；nc金屬結構物上的單位法向量,m；na犧牲陽極上的單位法向量；na1恆電流保護系統的單位法向量，m；ne高壓直流接地極的單位法向量，m；
fm函數關係符號；fc函數關係符號；fa函數關係符號。
實施例2
一條輸油管道與高壓直流接地極相互靠近。高壓直流接地極與管道垂直距離3km。現場調研結果顯示輸油管道沿線主要有三種土壤環境，農田土、紅土和山地。
高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的確定：
(1)採用與管道相同材質的鋼材製作極化試片，在這三種土壤中測試極化試片的極化曲線。
(2)在管道靠近直流接地極位置以及兩端布置管地電位測試裝置，檢測高壓直流接地極放電時，管道/土壤的通電電位。
(3)收集高壓直流接地極和管道之間的相對位置關係、高壓直流接地極工作參數、金屬結構物基礎資料。利用數值模擬軟體(beasy)進行三維建模，並將不同土壤環境下的管段賦予相應的極化邊界條件。
(4)利用數值模擬軟體模擬計算直流接地極放電時，管道測試位置處的管道/土壤通電電位。
結果顯示，計算結果比實測結果大了15％。調整防腐層破損率後，計算結果與實測結果偏差小於10％，得到確定的高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾。
進一步進行高壓直流接地極對埋地金屬結構物幹擾的防護：
(5)通過分析輸油管道主要的風險為金屬腐蝕和人身安全。根據這兩類風險，確定緩解防護目標，如：管道/土壤通電電位限值。
(6)針對上述幹擾進行初步設計。由於計算結果顯示管道所受幹擾程度較低(小於65vcse)，管道沿線無電源，沿線閥室可增加絕緣接頭，因此採用分段絕緣、水平鋅帶和犧牲陽極三種措施綜合使用進行防護。
在管道/土壤通電電位為零的位置布置絕緣接頭，在絕緣接頭兩側布置犧牲陽極，在幹擾最大的位置(管道兩端以及與直流接地極最近的位置)布置水平鋅帶。利用數值模擬軟體對防護措施進行模擬計算，預測防護效果。結果表明，該防護措施下不能滿足制定的防護目標。
(7)調整水平鋅帶的長度和數量、優化絕緣接頭位置，再次利用數值模擬軟體進行建模計算，預測防護效果。結果表明調整後的措施能夠滿足制定的防護目標。
(8)根據現場情況調整水平鋅帶和絕緣接頭的位置。並根據經濟性調整水平鋅帶的長度和數量。獲得優化後的緩解防護參數。
(9)根據所獲得的優化防護設計參數，完成高壓直流接地極對埋地金屬結構物的防護設計圖紙。
該工程現場緩解措施施工完成後，對接地極放電時管道沿線管地電位進行檢查並與設計計算結果基本一致，說明該防護方法可用於實際生產。
實施例3
某輸油管道與高壓直流接地極相互靠近。高壓直流接地極與管道垂直距離31.8km、管道長度100km、接地極放電電流3000a。
利用本專利所述的現場測試極化曲線計算結果和不使用極化特性計算結果以及現場實測管道電位結果對比如圖3所示。由圖3可見，使用本專利所述考慮管道實際工況下的極化特性方法可以提高計算結果的準確度。
實施例4
某輸氣管道與高壓直流接地極相互靠近。高壓直流接地極與管道垂直距離18.5km、管道長度200km、接地極放電電流1500a。
利用本專利所述的現場檢測參數計算結果和不使用現場檢測參數計算結果以及現場實測管道極化電位結果對比如圖4所示。由圖4可見，使用本專利所述的現場檢測數據校準方法可以提高計算結果的準確度。