高压直流接地极电流场研究现状综述

王鸿，罗昳昀，江娜，汪旭旭

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002;2.国网宜昌供电公司检修公司，湖北 宜昌 443001)

高压直流接地极电流场研究现状综述

王鸿1，罗昳昀2，江娜1，汪旭旭1

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002;2.国网宜昌供电公司检修公司，湖北 宜昌 443001)

介绍了高压直流接地极的基本作用，分析了高压直流接地极电流场分布特点;阐述了电极埋深、土壤电阻率、极环型式、馈电电缆根数对电流场分布的影响;总结了改善直流接地极电流场分布的优化设计，比如通过合理布置引流棒、端部加均流环优化直线型电极电流场分布，以及优化极环半径比、埋设来改善圆环型电极电流场分布;最后提出进一步研究的内容。

直流接地极;电流场分布;影响因素;优化设计

1 引言

高压直流接地极是直流输电工程中必不可少的重要设施，它在单极大地回线运行方式和双极运行方式中分别担负着导引入地电流和不平衡电流的重任;在正常双极运行时还起着钳制换流阀中性点电位和避免两极对地电压不平衡而损害设备的作用［1］。当强大的直流电流经接地极表面溢流，在土壤中流散时，在极址土壤中形成一个恒定的直流电流场。由于土壤电阻的存在，土壤中会产生压降并形成一定的空间电位分布，在电极上方地面形成电位差，并产生跨步电压［2］。

随着电压等级的提高和共用接地极的探索，对直流接地极的设计和安全稳定运行提出来新的要求。研究高压直流接地极电流场分布情况，分析其影响因素和优化设计方案具有重大意义。本文首先分析了高压直流接地极电流场分布特点，阐述了电极埋深、土壤电阻率、极环型式、馈电电缆根数对电流场分布的影响，总结了改善直流接地电流场分布的优化设计，最后提出进一步研究的内容。

2 高压直流接地极电流场分布

2.1 直线型电极电流场分布

水平直线型接地极适用于狭长的地形，在布置上比较灵活，而且可方便地分段或分支运行［3，4］。直线型电极上电流溢流密度、电位分布很不均匀，整体呈“U”字型分布，端部处的最大溢流密度比中部最小的溢流密度大好几倍［3，5－8］。电极端部的电位、跨步电势都比中部的高很多;最大跨步电压发生在电极端部正上方，端部以外，电位迅速下降［9，10］。

2.2 圆环型电极电流场分布

目前在我国已建成的直流输电工程中，除南桥极址采用直线型接地极外，其余均采用圆环型接地极，包括单圆环结构、双圆环结构和三圆环结构。圆环型接地极电流溢流密度和电位分布整体比较均匀，不会出现局部电流严重集中的情况［3，11］。馈电点处的电流溢流密度最高，2个馈电点间的电极中间位置溢流密度最低［12］。相对于直线型电极，圆环电极的最大溢流密度较小［3］。地表电位的极大值出现在电极正上方，极大值的个数同圆环个数相等;最大跨步电压出现在电极上方附近［13－16］。单圆环电极地表电位在电极正上方处达到最大，然后呈环形辐射状沿径向递减［16－19］。双圆环电极外环的溢流密度、电位均高于内环;最大跨步电压出现在外环外侧，与电极的距离约等于电极埋深［12，18］。三圆环电极外环上的溢流密度最大，内环次之，中环最小;外环正上方区域地面电位最大［20］。

3 高压直流接地极电流场分布的影响因素

3.1 电极埋深的影响

电极埋深在设计中是一个比较矛盾的参数。从控制地面最大跨步电压的角度考虑，埋深越大越好;但是随着电极埋深增加，电极周围土壤散热越困难、工程开挖量越大，且对环境的破坏也越严重［18］。因此，合理确定电极的埋深就显得非常重要。随着电极埋深增加，接地电阻、地表电位、跨步电压以及电极附近土壤的电流密度均减小，尤其是地表电位和跨步电压变化比较明显［17］。此外，埋深的变化也会引起内外环电流分配的改变，随着埋深的增加，内环与外环的电流分配比越小，即内环分配的电流更多，外环分配的电流更少。文献［20－23］分析了±800kV特高压圆环直流接地极，认为单圆环电极埋深应控制在2～4m内双圆环直流接地极，双圆环电极埋深应控制在3～5m内。

3.2 土壤电阻率的影响

实际的土壤多不均分分布，可以用水平分层的方法来模拟。以双层土壤模型为例，上层土壤厚度以及上、下层土壤电阻率对直流接地极电流场分布影响都很大。当上层土壤厚度一定时，下层土壤电阻率对地面电位的影响很大;随着下层土壤电阻率增加，地表电位升高，接地电阻增大，最大溢流密度增大［5，14］。上层土壤电阻率对接地电阻、跨步电压的影响比下层电阻率大［26］。当 ρ1＜ρ2时，随着 S 的增加，内外环分流比先减小后增大。当S达到一定值，S及ρ1、ρ2对分流比的影响很小。当S较小时，ρ1、ρ2对接地电阻的影响都比较大，随着S增加，影响主要由ρ1产生;最大跨步电压主要由 ρ1产生［12］。

3.3 圆环电极极环型式的影响

研究圆环电极极环型式对直流接地极电流场的影响分为两种情况:(1)在有限的场地条件下，即最大极环半径一定时，比较分析圆环接地极型式对电流场分布的影响;(2)在相同电极长度情况下，比较三种圆环结构对电流场分布的影响。第1种情况，设定最大环半径为400m，仿真模拟发现:随着极环个数的增加，环境屏蔽使溢流能力降低，并且加大了电极的不均匀度;极环个数由单个增加到3个时，接地电阻下降明显，增加到4个时，下降趋缓［12］。第2种情况，设定极环周长为1200m，仿真模拟发现:在相同电极长度情况下，单圆环电极的接地电阻、跨步电压最小，双环次之，三环最差;极环个数越少，接地性能越优［21，26］。

3.4 馈电电缆根数的影响

增加馈电电缆根数会直接影响电极的电流场分布，但存在饱和效应。随着电缆根数的增加，内外环分流比、接地电阻、跨步电压都减小;内环分配的电流增大，电极散流愈均匀，电极的各项性能指标越优。以单圆环电极为例，分别以1～6根馈电电缆给电极注流，馈电点沿圆环等间距布置，分析结果见表1。

表1 馈电电缆根数对电流场的影响

由分析结果可知，当电缆由1根增加到4根使，各项计算值都明显减小;当电缆由4根增加到6根，各项计算值也减小，但是变化没有之前明显，显现饱和效应。因此，结合工程成本，通常取4根较合理［21］。

4 优化设计

4.1 直线型电极的优化

(1)合理布置引流棒

直线型接地极极体溢流密度和电位分布沿电极很不均匀，溢散电流集中于注入点及电极端部。原南桥直流接地极采取端点注流，导致引流电缆和馈电棒连接处溢流过分集中。经过数值计算与试验验证，适当改变引流棒的位置，采取中点注流或1/3处和2/3处同时注流的方式，可以把引流钢棒与馈电钢棒连接处的溢流密度降低到平均溢流密度水平［7］。

(2)端部加均流环

为了克服端部电流过大的缺点，通常在直线型电极端部加一个圆弧状的辅助电极——均流环，从而可获得较为均匀的电流密度。通过模拟分析表面，加了均流环的直线型电极，其端部电流密度明显下降，大大改善了电流分布情况［4］。

4.2 圆环电极的优化

(1)极环半径比的优化

当多圆环电极采用同心布置时，各个极环的半径大小配合要适当，才能有效改善电极接地性能。对于双圆环电极，随着内环半径的增大，内环分流增加，分流比与环径比成正比例关系，当内外环环径比为0.75时，跨步电压最小［27］。电极接地电阻先减小后增大，当内外环环径比为0.82时，接地电阻最小。在相同极环比情况下，外环半径增大，内外环间距增加，外环对内环的屏蔽作用减弱，内环分流会增加［12］。对于三圆环电极，内环与中环比例系数为0.59，中环与外环比例系数为0.82时，三圆环电极可获得最优跨步电压特性［27］;当三圆环半径比为0.63:0.87:1时，接地电阻可获得相当较小值。工程上通常取双圆环电极环径比为0.75～0.85，三圆环相邻环的半径比例控制在0.7或 0.75 左右［4］。

(2)极环埋深的优化

在满足规程的前提下，圆环接地极采取不等深埋设，不仅可以减小工程开挖量，降低成本，而且有利于散热，减小对环境的破坏［18］。在均匀土壤中，当外环置于内环上方时，随着内环埋深增加，地面最大跨步电压变化不大，几乎为一条直线;当内环置于外环上方时，随着内环埋深增加，地面最大跨步电压出现的位置由内环上方逐渐转移到外环上方，内外环埋深比为0.8 ～0.85 时，地面最大跨步电压趋于稳定［22，23］。

5 结论

在西电东送、北电南送背景下，国家电网公司规划在西藏、新疆等地建设超/特高压直流输电工程。高土壤电阻率地区的直流接地极设计研究将是未来研究的一个方向。分析高土壤电阻率、低含水量条件下圆环电极的接地特性具有重大的意义。基于目前直流接地极电流场的研究现状，还可以研究土壤含水量对直流接地极的影响、三圆环接地极埋深特性的影响等。

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Summary of Current Field Research Status of HVDC Grounding Electrode

WANG Hong1，LUO Yi-yun2，JIANG Na1，WANG Xu-xu1
(1College of Electrical Engineering ＆ New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，China;2 Maintenance Company State Grid Yichang Power Supply Company，Yichang 443001，China)

Basic action of HVDC grounding electrode is presented in this paper．The characteristic of current field distribution of HVDC grounding electrode is analyzed．The impact of burial depths of grounding electrode，soil resistivity，type of ring polar，number of feeder cable on current field distribution is expounded．The optimization design for improving current field of HVDC grounding electrode is summarized．Such as though rationally arranging feeder steels and currentloop at the end of linear electrode are to optimize its current field distribution．And it is to improve ring electrode by optimizing polar radius ration and burial depths．Finally，the coming research content is presented．

HVDC grounding electrode;current field distribution;factor;optimization

TM86

B

1004－289X(2013)05－0013－04

2013－06－19

王鸿(1988－)，男，硕士在读，从事输电线路工程技术研究;

罗昳昀(1980－)，女，硕士，从事输电线路运行维护与检修工作。