高压直流接地极入地电流对临近输电线路杆塔接地体的干扰

(1. 北京科技大学 新材料技术研究院,北京 100083; 2. 北京安科腐蚀技术有限公司,北京 100083)

自20世纪80年代以来，电力传输技术的发展明显加快，高压直流输电处于快速发展时期，其远距离大容量输电的特点，为社会带来巨大的效益。为了提高高压直流输电的输送效率以及接地极的运行效率，一般采用双极运行模式，但大多输电系统在投运过程以及故障情况下会采用单极运行模式。国内外已有关于金属设备遭受高压直流输电系统接地极杂散电流腐蚀的案例:一条原油和天然气管道系统与魁北克-新英格兰450 kV直流输电系统并行或交叉，1 200 A入地电流使周围地下管道的管地电位偏移300～700 mV(相对于铜/硫酸铜电极，下同)，且高压直流故障电流进入管道造成的杂散电流，在流出以前能够沿管壁传递相当长的路径[1]；北美Trans Mountain原油管道受260 kV输电系统干扰，管地电位的偏移量与接地极放电的大小呈正比，当接地极1 320 A放电时，介于接地极阴极和阳极之间的24 km管道的管地电位最大偏移为400 mV，导致阴保失效[2]。2007年，中石化某成品油管道受到某直流接地极的干扰，最大管地电位偏移为45 V，且出现若干漏点[3]；南方电网云广线受到鱼龙岭接地极的影响，导致阴极保护系统故障，对距离接地极38 km的管道管地电位进行测量，其偏移量为-70 V[4]。秦润之等[5]对从化接地极附近7 km管道的管地电位和泄漏电流密度进行测量，结果表明：当接地极阴极放电3 200 A时，距离接地极最近管道的管地电位高达304 V，峰值电流密度高达82 A/m2；当接地极阳极放电2 400 A时，管地电位的最大值和泄漏峰值电流密度分别是-211 V和-488 A/m2。输电线路的杆塔接地体也属于金属构筑物，也会遭受到杂散电流的干扰[6-10]。

已有学者针对输电线路杆塔接地体进行研究[11-14]，这些研究多集中于杆塔接地极周围的电场分布以及杆塔接地体的接地电阻，而对于高压直流系统接地极入地电流对邻近输电线路杆塔接地体干扰的腐蚀模拟计算研究较少。刘伟龙[15]利用三维电磁模拟仿真软件(CST)，分析了土壤模型和杆塔矩形接地网接地电阻对各杆塔直流电流分布的影响，并计算出各杆塔在高压直流干扰和不同运行模式下的腐蚀量；高理迎等[16-17]仿真计算了丁级和戊级布置杆塔接地体的直流电流分布，通过定量计算得到射线末端是重点防护区域。然而，目前关于高压直流干扰下，不同入地电流对邻近输电线路杆塔

接地体的影响研究不多，故本工作利用目前国内外接地计算常用模拟计算软件(CDEGS)，通过丁级布置杆塔接地极、避雷线、土壤结构、直流接地极等参数的建模仿真，考察了直流接地极阴、阳极运行时不同入地电流在避雷线上电流值分配情况以及影响范围，通过分析每基杆塔接地体四根射线的电流密度分布，评估各个杆塔接地体四根射线的腐蚀情况，以期为杆塔设计和防护提供参考。

1 模型建立

建立了高压直流输电系统(包含丁级布置杆塔接地极、避雷线、土壤结构、直流接地极等参数)接地极对邻近输电系统杆塔接地体的干扰模型，如图1所示，以阳极运行模式为例(电流从直流接地极流向大地，阴极运行时，电流方向相反)，接地极中心至临近输电线路的垂直距离为3 km。由文献[18]可知，射线接地体的接地小环对杆塔接地体的接地电阻影响不大，为简化计算，将丁级布置的杆塔接地体模型简化，见图2，A、B、C、D分别代表四根射线，其中A射线远离直流接地极，C射线靠近直流接地极。本工作中，杆塔序号按以下方式编号：离直流接地电极最近的杆塔编号为0，线路前方杆塔号加1，线路后方杆塔号减1，杆塔档距是500 m；基础土壤相关参数如表1所示。

图1 接地极与输电线路的相对位置示意图(阳极运行)Fig. 1 Relative position between the DC grounding electrode and the adjacent transmission line (anode operation)

2 结果与讨论

2.1 高压直流干扰下避雷线上的电流分布

高压直流输电系统接地极对临近输电系统杆塔造成干扰主要是由于接地极进入大地的电流。当接地极单极运行时，存在阳极放电和阴极放电两种情况：直流接地极阳极放电，电流从直流接地极流出，至距离接地极较近的杆塔流入，通过避雷线，沿避雷线流向远处杆塔，后经远处杆塔流向大地，最终流向受端接地极；阴极运行时情况正好相反，避雷线相邻点的电流差即为流经对应各基杆塔接地体的电流和。

图2 临近输电线线路图Fig. 2 Model of the adjacent transmission line

表1 基础土壤的相关参数Tab. 1 Related parameters of foundation soil

在基础模型的基础上，仅改变高压直流接地极的入地电流，计算入地电流对临近输电线路的避雷线中电流的分布情况。阳、阴极运行时，接地极入地电流的相关参数如表2和表3所示。

表2 阳极放电条件下，接地极入地电流的相关参数Tab. 2 Related parameters of ground current of grounding electrode under anodic discharge condition

表3 阴极放电条件下，接地极入地电流的相关参数Tab. 3 Related parameters of ground current of grounding electrode under cathodic discharge condition

丁级布置的杆塔，施加不同高压直流接地极干扰电流时，电流在临近输电线路避雷线上的直流电流分布如图3所示，其中电流的正负仅代表电流的方向，本节中规定由0基杆塔向前流动为正，由0基杆塔向后流动为负。由图3可见：以3 000 A入地电流条件下的前侧杆塔接地体为例，从0基杆塔开始，避雷线上电流先逐渐增大，在6基杆塔处达到最大，约为24.0 A，随后再逐渐减小，在25基杆塔接地体处的电流约为6.8 A，约占6基杆塔处电流值的28.3%，且自25基杆塔之后变化开始趋于平缓。0基杆塔两侧线路的避雷线上电流变化趋势相同，且电流分布相对直流接地极具有对称性，避雷线上的每个点代表对应每基杆塔接地体，相邻点的电流差即流入或流出对应杆塔接地体的电流和。以避雷线上第6基杆塔处的最大电流为例，避雷线上的电流值随入地电流增加呈线性增加，避雷线上其他位置的电流变化规律与之相同。

(a) 阳极运行

(b) 阴极运行图3 入地电流对临近的输电线路避雷线中电流分布的影响Fig. 3 Effects of ground current on current distribution of overhead ground wire of adjacent transmission lines

从输电线路避雷线直流电流分布情况来看，相同入地电流时，阴极或阳极极运行并不影响避雷线上的电流值，只改变电流方向，即不改变各基杆塔接地体整体的电流吸收或释放，但改变杆塔接地体的电流吸收或释放状态，即阳极运行时杆塔接地体的吸收电流对应阴极运行时的释放电流，阳极运行时的释放电流对应阴极运行的吸收电流，见图4。不同入地电流条件下，流入避雷线中电流主要集中分布在直流接地极附近前后3 km(直流接地极附近前后各6个档距的位置)的杆塔处，这说明从0基杆塔前后的第7个档距开始，避雷线上的电流开始降低，并在12.5km(第25基杆塔)杆塔处的降到峰值的30%以下，此时净电流主要从避雷线流出，流入杆塔接地体。阴极运行时电流方向相反，因此在本工作中，杆塔档距500 m的条件下，直流接地极放电时，距离接地极中心12.5 km内的输电线路杆塔接地体受到直流接地极的干扰较大。

(a) 阳极运行

(b) 阴极运行图4 接地极单极运行条件下避雷线及杆塔接地体中电流的流向Fig. 4 Current directions in the lightning conductor and the grounding body of tower under anodic operation (a) and cathodic operation (b) conditions

2.2 入地电流对四根射线电流密度的影响

2.2.1 阳极运行模式

综上所述，阳极(或阴极)单极运行时，杆塔接地体整体处于吸收电流(或释放电流)状态，但对于每基杆塔的四根射线而言，以阳极运行条件下的某一入地电流为例，0、3、6、35基杆塔四根射线上的电流密度分布如图5所示，其中正值表示射线释放电流进入大地，负值表示射线从大地吸收电流(下同)。由图5可见：阳极运行条件下，整基杆塔既存在吸收电流的射线，也存在释放电流的射线；同一根射线也存在吸收电流和释放电流。由于杆塔接地体接地小环部分的电流流入或者流出均较小，而同一根射线随着与接地小环的距离增加，电流密度也逐渐变大，在射线末端出现电流密度极值。本节重点考察每根射线末端的电流密度随直流接地极入地电流的变化情况。工程上常根据整基杆塔流入或流出避雷线的电流作为判断杆塔腐蚀的依据，但就本工作中丁级布置的杆塔而言，流入或流出避雷线的电流是流经杆塔接地体四根射线的电流之和，与杆塔接地体是否腐蚀没有直接关联，因此杆塔接地体流入或流出避雷线的电流并不能作为判断杆塔接地体是否腐蚀的依据，每根杆塔接地体射线的吸收或者释放电流密度才是判断射线腐蚀的直接参数。

由图6可见：A射线有两个波峰和一个波谷，B、C、D射线均经历一个波峰和一个波谷，且波谷均出现在直流接地极附近，峰值电流密度均低于0.37 A/m2。0基杆塔两侧A射线的电流密度均为正值，左侧B、C射线的电流密度均为正值，D射线从4基至35基杆塔处电流密度值为正值，即电流从杆塔接地体射线流出，释放电流进入大地；D射线在4基杆塔左侧的电流密度为负值，B、C射线分别在-3基和-9基的右侧出现电流密度负值，即射线从大地吸收电流进入射线。由图2和图7可见：距离直流接地极最近的杆塔前后两侧的杆塔接地体四根射线的电流流出和流入情况基本相反，就同一基杆塔而言，当高压直流接地极阳极放电时，均是靠近直流接地极方向的射线(左侧D射线，右侧B和C射线)吸收电流，远离直流接地极的射线(左侧A、B、C射线，右侧A和D射线)释放电流；每根射线末端吸收或者释放的电流密度值均随着距离接地极中心距离的增加而减小，同避雷线上的电流变化情况一致，即距离接地极中心越远，干扰程度越低。

由图8可见：0基杆塔两侧，A射线末端流出电流密度在6基或-6基杆塔处的最大，3 000 A入地电流条件的最大值分别为0.365 A/m2和0.264 A/m2，30 A入地电流条件下， A射线末端的电流密度均为正值，但低于0.004 A/m2；当入地电流恒定时，B射线在-7和1基杆塔处的吸收或释放的电流密度最大，3 000 A入地电流条件下的分别为0.373 A/m2和-0.548 A/m2，约是30 A入地电流条件下的100倍；C射线上的最大释放或者吸收电流密度分别在-12和0基杆塔处，3 000 A入地电流条件下的分别为0.054 A/m2和-1.302 A/m2;D射线的最大吸收或者释放电流密度分别在-1和8基杆塔处，3000A入地电流条件下的分别为-0.804A/m2和0.300 A/m2。同一基杆塔处，入地电流越大，同一根射线末端吸收或者释放的电流密度就越大；就整条输电线路上的杆塔接地体而言，0基杆塔左右的电流密度分布并不完全对称，这主要受丁级杆塔四根射线相对位置的影响。

(a) 0基杆塔接地体 (b) 4基杆塔接地体

(c) 6基杆塔接地体 (d) 35基杆塔接地体图5 阳极运行条件下，杆塔接地体四根射线泄漏电流密度随射线长度的变化Fig. 5 Changes of leakage current density of four rays of tower grounding body with ray length under anodic operation condition

图6 3 000 A入地电流条件下，杆塔接地体四根射线的泄漏电流密度分布Fig. 6 Leakage current density distribution of the four rays of the tower grounding body under 3 000 A ground current condition

由图9可见：在0基杆塔两侧，每根射线的吸收或者释放电流密度最大值与入地电流均呈线性变化，随着入地电流的增大而增加。综上所述，在阳极运行条件下，高压直流接地极入地电流越大，各基杆塔接地体吸收或者释放的电流密度越大，干扰程度越高。

2.2.2 阴极运行模式

仅改变入地电流方向，以3 000 A入地电流为例，各杆塔接地体四根射线末端的泄漏电流密度如下图10所示。结合图6可知，仅改变入地电流方向，流经各杆塔接地体射线末端的电流密度与阳极运行时的大小相等，方向相反，即在接地极为阳极运行时，若射线末端电流密度为正值，则阴极运行时为负值。如A射线，阳极运行时射线末端的电流密度均为正值，电流从杆塔接地体的射线流出，释放电流进入大地，阴极运行时，A射线末端的电流密度值不变，但均为负值，射线从大地吸收电流，其余射线的变化规律相同。

图7 整条输电线路上，四根射线吸收或者释放电流的临界杆塔(3 000A入地电流)Fig. 7 The critical tower grounding body of each ray electrode′s absorption or leakage current density along the transmission line (3 000 A ground current)

(a) A射线 (b) B射线

(c) C射线 (d) D射线图8 阳极运行条件下，杆塔接地体4根射线的末端泄漏电流密度随入地电流的变化情况Fig. 8 Changes of leakage current density at the end of the 4 rays of tower grounding body with ground current under anodic operation condition: (a) A-ray electrode; (b) B-ray electrode; (c) C-ray electrode; (d) D-ray electrode

(a) A射线 (b) B射线

(c) C射线 (d) D射线图9 整条输电线路上，4根射线最大吸收或释放电流密度随入地电流的变化情况Fig. 9 Changes of maximum absorption or release current density of 4 rays with ground current along the entire power line: (a) A-ray electrode; (b) B-ray electrode; (c) C-ray electrode; (d) D-ray electrode

图10 3 000 A入地电流条件下，杆塔接地体四根射线的泄漏电流密度分布Fig. 10 Leakage current density distribution of the four rays of the tower grounding body under 3 000 A ground current condition

由图10可见：A射线有一个波峰和两个波谷，B、C、D射线均经历一个波峰和一个波谷，且波峰均出现在直流接地极附近。A射线电流密度均为负值，射线从大地吸收电流，并在0基杆塔处的电流密度最大；B射线在第1基杆塔处的电流密度最大，为0.55 A/m2，在-35～-3基杆塔处，电流密度均为负值，在-2～35基杆塔处的电流密度为正值，即射线释放电流进入大地；C射线在0基杆塔处的电流密度最大，为1.30 A/m2，在-35～-9基杆塔处的电流密度为负值，在-8～35基杆塔处的电流密度为正值；D射线在-1基杆塔处的电流密度最大，为0.80 A/m2，在4～35基杆塔处的电流密度为正值，在-35～3基杆塔处的电流密度为负值。由图11可见：阴极运行时，四根射线吸收或者释放电流的临界杆塔位置，与阳极运行时的相同，但吸收或者释放电流情况恰好相反。结合丁级布置杆塔接地体示意图可知，距离直流接地极最近的杆塔两侧的杆塔接

地体四根射线吸收或者释放情况基本相反，就同一基杆塔而言，当高压直流接地极阴极放电时，远离直流接地极方向的射线(左侧A、B、C射线，右侧A和D射线)吸收电流，靠近直流接地极的射线(左侧D射线，右侧A和C射线)释放电流；每根射线末端吸收或者释放的电流密度均随着距离接地极中心距离的增加而减小，同避雷线上的电流变化一致，即距离接地极中心越远，干扰程度越低。

2.3 高压直流接地极放电对杆塔接地体射线腐蚀的影响

杆塔接地体释放电流，即电流密度为正值时，杆塔存在腐蚀风险；杆塔接地体吸收电流，即电流密度为负值时，杆塔不发生腐蚀。由于每根射线末端的电流密度均最大，评估末端的腐蚀深度可为评估整体射线的腐蚀提供参考。结合图6和10可知：阳极运行条件下， A、B和D射线发生腐蚀；阴极运行运行条件下，B、C和D射线发生腐蚀；且随着与接地极间距离的增加，射线释放的电流密度逐渐减小，腐蚀程度逐渐降低。

结合以上对杆塔接地体四根射线电流密度的计算，根据法拉利定律，评估杆塔接地体四根射线的腐蚀深度[19-20]。

本工作中，假设接地极运行寿命为40 a，建设初期单极运行时间6个月(180×24×3 600 s)，计划和强迫运行率为1.5%，则按计划和强迫运行的时间为1.5%×40×365×24×3 600 s来计算，其总运行时间为34 473 600 s。

单个接地极并不是以同一极性运行的，在直流电流作用下，接地极运行时会出现阳极和阴极运行两种形式，故在计算接地极总运行时间时，要考虑阴、阳极的运行状况，见表4。

四根射线的腐蚀速率计算公式如下：

(1)

(2)

式中：M为腐蚀失重，g；t为干扰时间，s；F为法拉第常数，C/mol；Z为电子数；M为摩尔质量，g/mol；i为电流密度，A/m2；d为腐蚀深度，mm；ρ为材料密度，g/cm3；A为射线的横截面积，m2；P为阳极或阴极的运行概率。

表4 接地极阴极或阳极运行的概率Tab. 4 Probability of cathodic or anodic operation of grounding electrode

经计算，3 000 A入地电流，运行方式2条件下，四根射线的腐蚀深度如下图12所示。由图12可见：四根射线的腐蚀深度出现一个峰值(腐蚀量最大)、一个次峰值(腐蚀量次之)和一个谷值(腐蚀量最小)，峰值出现在-1(D射线)、0(C射线)、1(B射线)及6(A射线)基杆塔处，谷值出现在峰值和次峰值之间，从谷值开始，随着距离直流接地极的距离增加，各基杆塔接地体四根射线的腐蚀量变化的规律不是逐渐减小的，而是呈增加→减小→缓慢减小的变化。其原因是由于处于谷值处的杆塔在接地极分别作阳极和阴极运行时，电流无论从射线流入还是流出均很小，产生的腐蚀量很小，所以出现谷值。从图中还可以看出，距离0基杆塔左右各20个档距的位置，腐蚀深度均高于0.1 mm，因此20个档距的区域内的杆塔接地体均是腐蚀的重点防护区域，50%阳极运行的条件下，0基杆塔左右3个档距的杆塔接地体上C射线腐蚀均较严重。

图12 3 000 A入地电流、运行方式2条件下，四根射线的腐蚀深度Fig. 12Corrosion depth of four rays under the conditions of 3 000 A ground current and No. 2 operating mode

以C射线为例，图13是不同阴阳极运行模式下的C射线的腐蚀深度。可以看出，从-8基杆塔处开始至35基杆塔，均是70%阴极运行时的腐蚀深度最大，且阴极运行的概率越大，C射线的腐蚀深度越大；但-8～-35基杆塔是20%阴极运行时的腐蚀深度最小。原因是C射线在-8～35基杆塔处均是电流流出状态；在-8～-35基杆塔处阴极运行时无电流流出，只有阳极运行时才有电流流出，产生腐蚀。其他三根射线随着阴阳极运行的概率不同的变化规律如C射线的一致。

图13 3 000 A入地电流条件下C射线的腐蚀深度Fig. 13Corrosion depth of C-ray electrode under 3 000 A ground current condition

由以上计算可得，阴极运行的概率越大，腐蚀越严重，因此在本文算例中，考虑单一高压直流干扰的情况下，直流接地极运行40 a，研究的输电线路的杆塔接地体末端是重点防护对象，靠近直流接地极的前后3个档距(-3基至3基)的杆塔接地体的C射线也需重点防护。

3 结论

(1) 直流接地极放电时，直流接地极前后12.5 km(25个档距)范围内流经避雷线的电流变化较大，12.5 km之外区域的电流变化趋于平缓，直流接地极前后12.5 km内受高压直流接地极放电的干扰程度较严重；阳极放电时，靠近直流接地极的3 km(6个档距)区域内的杆塔接地体吸收电流，3 km(6个档距)之外的杆塔释放电流，阴极运行则反之。

(2) 从杆塔流入或流出避雷线的电流是流经杆塔接地体四根射线的电流之和，不能作为判断杆塔腐蚀与否或者腐蚀程度，流经杆塔每根射线的电流密度是判断其腐蚀与否或腐蚀程度的依据；阳极运行时，当杆塔整体吸收或释放电流时，丁级布置杆塔靠近直流接地极的射线吸收电流，远离接地极的射线释放电流，阴极运行时反之；射线吸收或释放电流时，射线末端的电流密度最大。

(3) 直流接地极阴极运行的概率越大，接地极的杆塔射线末端的腐蚀深度越大，靠近直流接地极的10 km(20个档距)的范围内，射线末端均是重点防护区域；靠近直流接地极1.5 km(3个档距)的范围内C射线需重点防护。