直流接地系统电热磁效应的研究进展

梅科军

摘 要：当直流输电采取单极运行方式时，巨大的注入电流会在土层中形成直流地电场。地电场分布可能对人畜、地下管网及电力设备产生一定的负面效应，主要是电化效应、热力效应及电磁效应。文章首先介绍了求解直流地电场的泛定方程及边界条件，列出了计算土层直流电位分布的各种函数形式；其次，概述了三种效应的危害及其研究进展，包括计算方法、模型及实验；最后，提出了目前存在的问题及相关建议。

关键词：直流输电；直流地电场；电化效应；热力效应；电磁效应

中图书分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）32-0098-04

目前，世界上许多国家都在研究并应用直流联网模式。如，印度采用直流联网将国家电网分割成四个同步电网；美国中东部电网与西部电网、南部电网和加拿大电网采用直流隔开、限制同步电网规模的联网方式；我国的全国联网与西电东送是紧密结合的，大力发展特高压直流输电是实现全国资源优化配置的必由之路。

在特高压送端及受端地区，直流输电建成初期的单极运行方式也带来了一系列问题。巨大的直流电流注入大地后，在方圆近百公里的范围内形成直流地电场，引发电化效应、热力效应、电磁效应三种负面影响。管网、土壤及设备都有可能遭受一定的破坏，严重时还有可能危及到交直流混联系统的安全稳定运行。国内外专家学者对这三种效应做了大量研究工作，在研究时利用了诸多方法，如镜像法、递推法、有限元法、边界元法；提出了诸多模型，如地下管道传输线模型、变压器直流偏磁电路—磁路模型、动态磁滞损耗模型等；开展了诸多实验，如励磁电流实验、耐直能力实验等；提出了诸多措施，如阴极保护、电容隔直等。

本文针对直流接地系统的电热磁效应，首先介绍了求解直流地电场的泛定方程及边界条件，列出了计算土层直流电位分布的各种函数形式；其次，概述了三种效应的危害及其研究进展，包括计算方法、模型及实验；最后，提出了目前存在的问题及相关建议。

1 直流地电流场

直流地电场的研究主要集中在直流注入电流引起的地电位分布及地电流分布。地电位分布会引起跨步电压，而地电流分布不仅会引起地下管网发生电化腐蚀，还有可能窜入地上电磁设备引起偏磁效应。

2 电化效应

电化学效应的研究主要集中在高压直流输电入地电流对接地极一定范围内地下设施的电腐蚀影响。为了充分发挥直流输电的优势，避免其不利影响，需要分析直流电流地下散流对埋地管网等设施的电化腐蚀特性，提出防护措施。

3 热力效应

直流接地极的热稳定性直接影响到变电站的安全运行，近些年来由于地下腐蚀，导体截面不够，接地引下线烧断等因素引起的重大设备事故屡有发生。目前对直流输电系统接地极的热力效应的研究主要是分析接地极周围的热场分布，从而对接地极的设计提出相关的建议。

文献[23]主要阐述了接地极热力效应产生的原理。由于土壤并非是良导体，在电流的作用下，土壤温度将升高。当温度升高到一定程度，土壤中的水分将可能被蒸发掉，土壤导电性能将会变差，电极出现热不稳定，严重时可使土壤烧结，电极丧失运行功能。所以，为保证电极在运行中拥有良好的热稳定性能，土壤要有良好的电热、导电性能，具有较高的湿度和较大的热容系数。

此计算方法适用于水平双层土壤结构的发热分布计算；在接地极10m范围内的土壤中，其温度变化率较大，且最高温度出现在接地体的下表面附近；其正确性尚待模拟实验的验证。

文献[29]基于有限差分法原理，针对云广和贵广Ⅱ回直流输电系统共用接地极的3个备选极址的不同土壤参数，对共用接地极设计方案的温升曲线进行时域分析，建立了一套可对直流接地极周围温度场参数进行时域分析的数值算法。推导了三种类型的土壤内部空间节点的计算公式，该方法避免了现有接地极温升计算公式将接地极体视为等温体的缺点，提高了运算的准确性。

从以上的归纳和分析可以看出，利用有限差分法对单接地极的温度场进行分析计算的相关研究较多，而针对共用接地极的研究只是少数。随着直流输电工程的兴建，在一些地区将会出现多个接地极共存的现象。此时地下温度场分布更加复杂，需要考虑相互之间的耦合关系。

5 结 论

高压直流单极运行会在大地层形成电场分布，目前的主流计算方法是复镜象法和边界元法，前者地质剖分简单，但计算精度较差；后者地质剖分复杂，但计算时间过长，建议在距离接地极较近处及重点区域采用边界元法，较远处采用复镜像法。直流地电场分布还会引发三种负面效应：电化效应、热力效应及电磁效应。建议对地下管网采用阴极保护和加涂绝缘层的方法，保护大面积管道及绝缘层破坏处。建议在直流系统前期带电试验时通过降低功率的运行方式了解直流地电流分配特点，在直流量入侵较严重的站厂采取电容隔直的方法。

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