金沙江水电外送特高压直流输电系统共用接地极设计

2010-02-08刘骏钟伟华

电力建设 2010年2期

刘骏，钟伟华

(中南电力设计院，武汉市， 430071)

0 引言

随着直流输电技术的广泛应用，我国特高压直流输电工程越来越多应用于大型水电站外送。由于特高压直流输电输送容量大，系统直流电流也越来越大，其接地极的设计越来越困难。随着极址资源的日益稀缺，多回直流系统共用接地极设计越来越成为直流系统接地极设计的发展趋势[1-10]。

金沙江一期送端向家坝、溪洛渡左岸、溪洛渡右岸的3个换流站，系统规划输送容量均为6 400 MW，每回直流系统额定输送电流为4 kA，3个直流系统按共用接地极设计。现阶段，由于系统方案调整，送端为向家坝和溪洛渡左岸2个换流站，其中向家坝－上海±800 kV直流系统输送容量为6 400 MW，额定输送电流为4 kA;溪洛渡左岸－浙西±800 kV直流系统输送容量为7 200 MW，额定输送电流为4.5 kA。2个直流系统按共用接地极设计。

1 共用接地极设计原则、运行条件、技术要求

1.1 设计原则

共用接地极设计遵循“安全可靠、技术先进、合理投资、适度超前”的原则，并满足下列要求：

（1)接地极一次性建设，运行寿命不小于40年;

（2)在满足系统运行的前提下，允许1个换流站以单极大地返回方式连续运行1个月;

（3)允许1个直流系统以1.2倍过负荷2 h单极大地返回方式运行;

（4)允许2个换流站同时以同极性单极大地回线方式短时（20 min)运行。

1.2 系统运行条件

接地极应同时满足最大跨步电压、最高允许温度和允许最大接地电阻的要求，主要设计原则如下：

（1)额定电流。额定电流取1个直流系统以单极大地回路方式运行时的电流与其他双极系统正常运行时的不平衡电流之和。

（2)过负荷电流（1.2 pu)。允许1个直流系统以单极大地返回方式过负荷运行，过负荷电流不小于阀片最大过负荷电流。

（3)暂态电流（1.5 pu)。考虑1个直流系统以单极大地回线方式运行，其他直流系统双极正常运行。

（4)最大允许电流。考虑2个直流系统同时出现同极性单极大地回线运行方式，此电流大于暂态电流，计算跨步电压时应按此电流控制，持续运行时间不超过20 min。

（5)不平衡电流。受控制系统和设备影响，不平衡电流一般取额定电流的1%左右。

（6)最大持续运行时间。额定电流下最大持续运行时间按30天考虑。

（7)电腐蚀寿命。电极的电腐蚀寿命取决于接地极阳极运行的累计安时数，根据直流系统运行条件，每个直流系统设计取不小于30 MAh。

共用接地极性能要求如表1所示。

表1 共用接地极性能要求Tab.1 Performance requirements of commom ground elecrode

1.3 技术要求

（1)地面允许的最大跨步电压。根据DL/T 5224—2005《高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定》，考虑接地极运行时不影响农民的正常生产活动，最大跨步电压设计值（人能感觉到的最大跨步电压)可用式（1)计算：

式中：E为计人体最大跨步电压限值，V;ρs为表层土壤电阻率，Ωm。

现阶段，根据国家电网公司特高压建设部、科技部组织的“直流接地极附近地面跨步电压取值的试验研究”科研课题研究成果，最大跨步电压设计值用式（2)计算：

（2)接触电势。接触电势设计允许值按跨步电压设计允许值进行计算。

（3)转移电势。转移电势设计允许值采用GB 6830—86《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》规定的不大于60 V的要求，超过此值应采取防范措施。

（4)接地电阻。根据系统要求，接地极在额定电流情况下单极大地回线方式运行时间按1个月考虑。

（5)设计寿命。接地极一次性建成投产，与换流站运行寿命同步。

2 馈电元件选择

目前，直流输电工程接地极采用的馈电元件主要有：钢（铁)、高硅铬铁、石墨、铜及其他合金。与铁等馈电元件相比，高硅铬铁具有更强的抗腐蚀性，其铸件表面容易氧化形成致密的SiO2簿膜，产生钝化，从而阻碍进一步腐蚀。共用接地极入地电流特别大，电腐蚀较单回直流系统严重，因此，馈电元件采用高硅铬铁。

通常使用的活性材料是焦碳或焦碳碎屑，前者是煤碳干馏的产物，后者是精炼石油裂化过程留下的小颗粒固体残留物。至目前为止，焦碳和焦碳碎屑作为活性材料均可以应用于接地极。

3 接地极形式及电极布置

3.1 电极埋设型式

陆地接地极主要以土壤电解液为导电媒介，其敷设方式分2种：浅埋型，也称沟型，一般为水平埋设;垂直型，也称井型电极，由若干根垂直于地面布置的子电极组成。水平埋设的浅埋型电极埋设深度一般为数m，以充分利用较低的表层土壤电阻率。浅埋型电极具有施工方便、造价低廉等优点，特别适用于极址表层土壤电阻率低、场地宽阔且地形较平坦的区域。

共用接地极工程电极采用水平埋设。

3.2 电极埋设深度

不同的电极埋设深度所要求的地面最大跨步电压、土壤参数的设计取值、施工土方开挖量是不同的。因此，确定电极埋设深度一般应按控制地面跨步电压、电极埋设层土壤性能良好、减少土方开挖量、避免外部因素破坏等方面要求，进行技术经济比较后合理取值。

共用接地极工程外环电极埋深为4 m，内环电极埋深为3.5 m。

3.3 电极形状及布置

电极的布置形状可以是任意的，不同的形状，其技术性能与经济指标有很大差别，这些都取决于电流分布密度。为了获得比较均匀的电流分布特性，电极布置按下述要求设计：

（1)在场地允许的情况下，一般应优先选择单圆型电极，其次是多个（2个及以上)同心圆环型电极。

（2)在场地条件受到限制而不能采用圆环型电极的情况下，也应尽可能地使电极布置得圆滑些，尽量减少圆弧的曲率。

（3)对于受温升和跨步电压条件控制的接地极，选用同心双圆环或多圆环布置，可以分散热量、减少电极外缘尺寸、降低跨步电压。

3.4 电极尺寸

确定电极尺寸主要考虑接地极的接地电阻、接地极表面温度、电极表面电流密度、地面跨步电压和腐蚀寿命等因素。一般情况下，接地极短时（小于接地极热时间常数)以单极大地回线方式下运行，接地极外缘尺寸或占地面积往往受跨步电压控制，接地极填充焦碳截面往往受额定电流及其持续时间控制，馈电元件的尺寸与阳极电流运行时间、电极尺寸等有关。

4 电极布置方案

共用接地极采用共用共乐1个极址。根据选定的共乐极址地形条件，电极采用同心双圆环布置：内环半径为240 m（周长1 507.2 m)，极环埋深3.5 m;外环半径为315 m（周长1 978.2 m)，极环埋深4 m。

经计算，接地极各项技术指标如表2所示。

表2 接地极主要技术指标计算值Tab.2Specifications(calculated value)of commom ground elecrode

（1)最大跨步电压计算值为8.05 V，满足式（2)的控制值要求。但根据以往工程经验，由于土壤电阻率分布不均匀以及电极端部效应，实测最大跨步电压值多数比计算值高10%～15%，即为8.86～9.3 V;

（2)极环温升满足运行要求;

（3)焦炭表面场强计算值为19 V/m，大于13 V/m的控制值要求，在以阳极方式单极大地运行时，有电渗透现象。由于本工程为双极同时建成投运，系统以阴极方式单极大地运行或以阳极方式单极大地运行的时间非常短，可以不考虑焦炭表面场强的控制要求。若按满足焦炭表面场强控制值要求，则外环焦炭截面将增大至0.9 m×0.9 m，焦炭将增加1 300 t（场强为12.6 V/m);

（4)外环导流电缆最大电流为810 A，内环导流电缆最大电流为340A。

为了进一步优化外环跨步电压，可以考虑在电极内、外环加装均流电阻。经计算，若外环串联0.1 Ω的电阻，最大跨步电压计算值为6.96 V，考虑土壤电阻率分布不均匀以及电极端部效应，跨步电压最大值为8.0 V，完全满足式（2)的控制值要求。其中，外环分配额定电流为2.1 kA，为了最大程度优化均流电阻的发热特性，外环串联的均流电阻（0.1 Ω)采取4台并联的方式，其中每台均流电阻阻值为0.4 Ω，额定电流为600 A，额定功率为144 kW。所以，现阶段共用接地极按预留加装均流电阻位置考虑。