1. 引言
我国资源分布不均，所以能源的输送尤其重要，随着经济的发展，高压直流输电线路(High Voltage Direct Current，简称HVDC)和应用于石油、天然气等远距离输送的管道运输业，都将得到持续的发展 [1] 。目前我国高压直流输电系统的额定入地电流为3 kA，能够造成大范围内的地电场畸变 [2] ，杂散电流会流入距离HVDC的接地极较近的金属管线，严重时甚至会危害油气管道维护人员的安全。如何减小入地电流对埋地管道的干扰，越来越受到社会的关注。
以往大多数研究人员采用ANSYS来分析入地电流对管道产生的影响，但是研究中所建立的物理模型均偏小，而且为了便于建模对管道参数进行了折算，这样既不能很好的反应入地电流对大范围内管道的干扰情况，当分析参数不同管道时，也需要对参数进行重新的折算。本文建立了大范围的物理模型，同时管道参数也未经折算，计算结果能够更准确的反映入地电流对管道干扰的结果，并且当分析不同类型的管道时，由于无需进行参数的折算，程序的通用性更强，结果也更直观。
2. 干扰机理
2.1. 入地电流产生的原因
HVDC的运行方式主要有以下三种：单极直流输电、单极两线直流输电和双极直流输电。虽然我国目前建设的高压直流输电线路采用的都是双极直流输电方式，但是在实际运行中，单极运行模式仍然占有一定比例，尤其是在线路建设初期或者双极输电线路检修期间。
当高压直流输电系统工作在以大地作为回线的单机运行模式时，由于线路以大地作为回线，就会有很大的入地电流Ie流入大地，大小与输电线路中的电流Idl相等 [3] ，如图1所示。
2.2. 入地电流对管道的干扰
入地电流由接地极流入大地，会使地电场发生畸变，使管道和土壤之间存在电位差，即管地电位。当接地极阳极放电时入地电流为正，在距离接地极较近部分的管道的管地电位为负，电流会由土壤流入管道 [4] ；由于金属管道的电阻率远小于土壤的电阻率，所以管道的电位下降非常慢，而管道附近土壤的电位下降比较快，所以在距离接地极较远的另一部分管道的管地电位为正，电流会从管道流入土壤，在这一部分管道发生电化学反应，而且金属管道作为阳极，会被腐蚀掉，这一区域称为腐蚀区，如图2所示。当接地极阴极放电时，管地电位的情况与接地极阳极放电时的情况正好相反。
3. ANSYS建立模型
理论上受直流干扰影响下的地电场分布，通过求解在确定边界条件下的麦克斯韦方程组即可得到，
Figure 1. The sketch configuration of HVDC system at monopole operation
图1. 单极直流输电示意图
Figure 2. Schematic diagram of anode discharge
图2. 阳极放电示意图
但是当分界面比较多的情况下，直接求解麦克斯韦方程组会非常困难，通常会采用有限元分析软件来进行计算。在电磁场的计算中，ANSYS作为大型通用有限元分析软件收到广泛的应用 [5] [6] [7] [8] ，而且计算结果比较准确。本文采用ANSYS来进行管地电位的计算。
3.1. 模型简化
为了提高计算速度、方便网格划分，需要对实际模型进行适当简化，具体过程如下：
1) 将接地极简化为点电流源 [9] 。
2) 将实际土壤简化为2层土壤模型，土壤电阻率各处均相同。
3) 管道埋地深度不发生变化。
4) 管道上防腐层结构完整，没有破损点。
3.2. ANSYS模型
论文中建立的管道模型与实际管道相同，管道截面图如图3所示。
图3中，区域I表示管道中实际输送的物质，例如石油、天然气等，在本文的研究过程中，认为管道内运输的物质为成品油；区域II表示管道壁；区域III表示覆盖在管道上的防腐层。管道横截面尺寸如下：管道内径d1 = 511 mm、管道外径d2 = 711 mm、防腐层厚度c = 5 mm。
根据3.1中模型简化的规则，利用ANSYS建立的土壤与管道、接地极模型示意图如图4所示。
Figure 4. Model of soil, pipeline and grounding electrode
图4. 土壤与管道、接地极模型
图4中土壤模型长l = 300 km，宽w = 150 km，表层土壤深h1 = 4000 m，深层土壤深h2 = 4000 m，极地极埋设深度h3 = 3.5 m，管道中心与地表的竖直距离h4 = 1.5 m。
4. ANSYS仿真结果分析
4.1. 土壤电阻率对干扰的影响
当土壤分层以后，表层土壤电阻率对地表电场的分布有较大影响 [10] ，本文中第深层土壤电阻率不发生变化，均为7000 Ω∙m。表层土壤电阻率参数按表1设置，其余各个参数保持不变：成品油电阻率1010 Ω∙m，管道壁电阻率9.78 × 10−8 Ω∙m，防腐层电阻率2 × 107 Ω∙m，管道距离接地极10 km，接地极入地电流3000 A。
图5为不同土壤电阻率条件，在直流干扰下管道的管地电位。横坐标表示管道上不同的位置，以管道距离接地极最近的位置处为坐标0点。土壤电阻率越大，管道受到直流干扰时管地电位的数值越大，即管道受到的直流干扰越强烈。在表层土壤电阻率为20 Ω∙m，入地电流为额定电流3000 A时，在管道−100 km位置处的管地电位为3.40 V，在管道200 km位置处的管地电位为3.18 V，整段管道均受到直流干扰的影响，从这也可以看出高压直流入地电流的影响范围非常大，建立一个大模型是必要的。
在不同的表层土壤电阻率的情况下，电位均在±37 km位置处衰减为0，所以管道腐蚀区的长度与位置不受表层土壤电阻率的影响，但是由于管地电位的幅值发生了变化，会影响腐蚀区管道的腐蚀速率。
4.2. 管道与接地极之间的距离对干扰的影响
管道与接地极之间的距离按表2设置，其余各个参数保持不变：成品油电阻率1010 Ω∙m，管道壁电
Table 1. The resistivity parameter of first layer soil
表1. 表层土壤电阻率参数
Figure 5. The pipe-to-soil potential at different surface soil resistivity
图5. 不同表层土壤电阻率时的管地电位
阻率9.78 × 10−8 Ω∙m，防腐层电阻率2 × 107 Ω·m2，入地电流为3000 A，表层土壤电阻率20 Ω∙m。
图6为管道与接地极之间不同距离时的管地电位图。管道距离接地极越近，管地电位的数值越大。这是由于距离接地极越近，受入地电流影响的地电场场强越强，所以距离接地极近的管道，受到的干扰更加强烈。从图6中也可以看出，在不同的距离下，电位也均是在±37 km的位置处衰减为0，管道与接地极之间的距离不会改变腐蚀区的位置和长度，只是会影响腐蚀区的腐蚀速率。
4.3. 入地电流的大小对干扰的影响
入地电流的大小按表3设置，其余各个参数保持不变：成品油电阻率1010 Ω·m，管道壁电阻率9.78 × 10−8 Ω·m，防腐层电阻率2 × 107 Ω·m2，表层土壤电阻率20 Ω·m，管道距离接地极10 km。
图7为不同入地电流时的管地电位图。当大入地电流通过接地极注入大地后，接地极附近的电场可以认为是一个恒定的直流电场 [11] ，且入地电流越大场强越强，对管道的干扰也越强。与4.1和4.2分析情况类似，入地电流的大小也不会改变管道腐蚀区的大小和位置，只会影响管道腐蚀的速率。
4.4. 防腐层电阻率对干扰的影响
防腐层电阻率的数值按表4设置，其余各个参数保持不变：成品油电阻率1010 Ω·m，管道壁电阻率
Table 2. The distance between the pipe and the ground electrode
表2. 管道与接地极之间的距离
Table 3. The value of the ground current
表3. 入地电流的大小
Figure 6. The pipe-to-soil potential at different distance
图6. 不同距离时的管地电位
9.78 × 10−8 Ω·m，表层土壤电阻率20 Ω·m，入地电流为3000 A，管道距离接地极10 km。
图8为不同防腐层电阻率使时的管地电位图。虽然随着防腐层电阻率的增加，管地电位的数值会增大，但是由于防腐层的电阻率增加的更多，所以流入管道和流出管道的电流反而减小，使位于腐蚀区的管道的腐蚀速率降低。
Table 4. Resistivity of anticorrosive coating
表4. 防腐层电阻率
Figure 7. The pipe-to-soil potential at different ground current
图7. 不同入地电流时的管地电位
Figure 8. The pipe-to-soil potential at different resistivity of anticorrosion layer
图8. 不同防腐层电阻率时的管地电位
从图8中也可以明显的看出，随着防腐层电阻率的增加，管道腐蚀区(管地电位为正的区域)的长度明显减小，所以提高防腐层的电阻率，既能减缓管道腐蚀的速率，又能减少管道受腐蚀的区域。
5. 结论
通过上述分析可知，高压直流输电的大电流由接地极注入大地后，会对附近埋地金属管道产生大范围的影响，所以在输电线路和管道选址时，要充分考虑入地电流对管道干扰的影响。通过研究表明，表层土壤电阻率小的区域适宜埋设接地极和管道；同时需要考虑接地极与管道的距离，输电线路的额定电流值越高，距离应该越远；防腐层能对管道进行有效的保护，但是防腐层电阻率越大成本也会越高；需要做好防腐层的检修工作，如果防腐层有破损，在破损点处会有较大的泄露电流，反而会加速破损点处管道的腐蚀。