±800kV与±500kV换流站共用接地极时入地电流对极址附近电位分布的影响

2014-09-22张富春郭婷黎晓辰周文俊黄海喻剑辉

电力建设 2014年7期

张富春，郭婷，黎晓辰，周文俊，黄海，喻剑辉

(1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广州市510400;2.武汉大学电气工程学院，武汉市430072)

0 引言

±800kV楚穗直流和±500kV兴安直流换流站广东境内的接地极址在鱼龙岭共用。±800kV楚穗直流工程西起云南楚雄换流站，东至广东广州穗东换流站，全长1 373 km，双极输送容量5 000MW，额定电流3 125 A;穗东换流站接地极线路起于鱼龙岭接地极出线构架，终点位于增城市朱村镇的穗东换流站构架，全线长94.2 km。±500kV兴安直流工程西起贵州兴仁换流站，东至深圳宝安换流站，长度约1 250 km，双极输送容量 3 000MW，额定电流为3 000 A;宝安侧接地极线路起于鱼龙岭接地极出线构架，终点位于广东省深圳市宝安换流站，接地极线路全长189.202 km(其中183.514 km与直流线路共塔，接地极专用线路全长5.688 km，杆塔18基)。

此类直流线路，需长时间满负荷运行，年度停电检修期间，2条线路同时停电的概率极小［1］。截至2012年，楚穗直流投运2年后，经历了2次年度停电检修;因共用接地极极址带来的线路运行检修问题［2］，在未弄清接地极极址电位分布的情况下，在极址附近10 km范围内，尚未开展过相应接地极线路的检修工作。当一回线路停电检修时，另一回线路若为单极大地回路运行方式，此时的入地电流较大且持续时间较长，极址附近地电位变化大，对线路检修的安全有影响［3］。

关于直流输电接地，目前国内外研究的重点是多个直流系统共用接地极的可行性。文献［4-5］对共用接地极的可靠性进行了评价，文献［6］对共用接地极的方式提出了设计要求，文献［7-8］则对系统中可能会出现的问题进行了研究。文献［7］研究了共用接地极系统中的某个系统发生某些故障时对非故障系统以及对直流系统稳态运行的影响;文献［8］则计算了当一回接地极线路发生故障后通过共用接地极转移到故障点的直流电流。这些研究都针对设计阶段，尚无针对共用接地极的单条线路检修另一条线路单极大地回路运行时的检修维护策略。文献［9］提出了直流共用接地极极址运行转检修时的操作方式，但其极址附近地表电位幅值较小，且其检修线路上的电位分布无详细介绍;文献［10］提出了±800kV直流输电线路在正常运行时进行带电作业的方式，但对于接地极检修线路而言，其流过的电流幅值较小［11］，甚至可能无电流流过，且线路检修时导线附近的电场强度远小于正常运行时的电场强度，因此，±800kV直流输电线路的带电作业方式不适用于接地极检修线路。文献［12］研究了直流多环接地极地表电位和跨步电压的分布规律。文献［13］则对±800kV特高压直流输电系统的运行检修技术体系进行了阐述，但对接地极线路的检修描述甚少，且未考虑共用接地极。

为保障检修线路时检修人员的安全，有必要开展共用极址入地电流对极址附近电位分布影响的研究。本文针对一回线路停电检修，另一回线路单极大地回路运行时，用CDEGS接地计算软件根据实际系统参数进行了建模仿真计算，分析了极址附近地表电位、跨步电压和接触电压的分布特性，并与系统调试期间的实测数据进行了比较，分析结论可为鱼龙岭接地极线路的检修工作提供指导。

1 鱼龙岭接地极概况

1.1 鱼龙岭接地极基本参数

鱼龙岭接地极极址的出线布置图如图1所示。

图1 鱼龙岭极址出线布置图Fig.1 Outlets layout of Yulongling grounding electrode

本文需要计算极址周围10 km范围内的电位分布，根据实测选择了土壤结构的计算模型，其土壤分层数据见表1。

表1 鱼龙岭接地极土壤分层和土壤电阻率Tab.1 Soil stratification and resistivity of Yulongling grounding electrode

鱼龙岭接地极的设计参数为:接地极处土壤电阻率为70 Ω·m;地面最高电位升719.5 V;接地电阻计算值0.228 Ω;允许最大跨步电压控制值为7.1 V/m。特别指出，鱼龙岭接地极的额定入地电流为3 155 A，额定入地电流为某一直流输电系统的额定电流加上另一系统的不平衡电流［14］，如云广直流输电系统的额定电流为3 125 A，贵广Ⅱ回额定电流为3 000 A，不平衡电流为额定电流的1%，从而算出整个系统的额定电流为IN=3 125 A+3 000A×1%=3 155 A;该额定入地电流是在2个直流工程都处于运行状态时计算得出的，本文所讨论的单条接地极线路检修状态下，另一条直流线路单极大地回路运行时，流入接地极的电流为运行线路的额定电流。

如图2所示，鱼龙岭接地极采用φ940m+φ700m二同心圆环电极布置，电极外环采用φ70 mm钢棒，埋深4.0m，内环采用φ60 mm钢棒，埋深3.5m。焦碳断面为1.1m ×1.1m(外环)、0.7m ×0.7m(内环)。为便于运行检修，在接地极线路与接地极之间设置隔离开关。通过经济技术比较选取钢(铁)作为馈电元件;为满足填充材料的性能要求，选取焦炭为活性填充材料。

图2 鱼龙岭接地极型式示意图Fig.2 Schematic diagram of Yulongling grounding electrode

接地极为全电缆导流方式:从换流站接地极引流线到接地极中心构架后，入地电流分4路利用电缆直埋分别敷设接到电极的内外环，每一路采用4根馈电电缆。电缆与馈电棒、馈电棒与馈电棒间用电弧焊接。在电极周边设置电缆工井、检测井、渗水井等装置，监测电极温升，土壤温度，电流分布和跨步电压等。

1.2 电位差产生的原因

2个直流工程在正常双极运行情况下，正负极自成回路，理论上不存在不平衡电流以外的入地直流电流;实际正常运行时，接地极线路上不平衡电流数值小于系统额定电流的1%，流入接地极的电流很小［15］。但是当某回直流线路的接地极线路进行检修而将接地极极址隔离开关断开时，另一回直流线路若处于单极大地回路运行状态，系统的额定电流通过接地极线路流入鱼龙岭接地极，该电流数值较大，会在极址周围区域产生较高的地电位，对附近的检修线路产生影响［16］:直流电流通过接地极向大地散流时，接地极和整个大地都将呈现一定的电位，地面电位从接地导体上方的地面向远方递减，在接地极环上方达到最大值，愈靠近极环，地表等位线愈密。当直流接地极附近检修线路的杆塔电位不同时，若该检修线路未采取一定的绝缘措施，直流电流将从大地中流入电位较高的杆塔接地体，然后通过避雷线流向电位较低的杆塔接地体;直流电流甚至可能从杆塔的一个塔脚流进，从另一个塔脚流出，造成在同一基杆塔上也存在电位差，影响检修线路上检修人员的安全。

2 计算条件及结果分析

2.1 计算条件

为分析接地极对地表电位分布以及跨步电压、接触电压的影响，根据鱼龙岭接地极的实际参数，利用CDEGS建立了相应的仿真计算模型。建模时，对接地极每个1/4圆环用3段直线段代替简化，从电流注入点分别连接到内外极环上，每一路馈电电缆用一根电缆代替。

本研究考虑的计算条件为2种情况:

(1)当 ±800kV楚穗直流接地极线路检修，±500kV兴安直流单极大地回路运行，即入地电流为3 000 A时鱼龙岭极址附近的电位分布;

(2)当 ±500kV兴安直流接地极线路检修，±800kV楚穗直流单极大地回路运行，即入地电流为3 125 A时鱼龙岭极址附近的电位分布。

为了解电位分布趋势，计算了以接地极环圆心为中心，半径在10 km范围内的电位分布图。因电位在接地极环附近变化较快，特别给出了内外极环附近的电位分布。

2.2 地面电位分布

2.1 节中2种情况下鱼龙岭极址地表电位分布如图3、4所示。

图3 接地极附近10 km区域内地表电位分布Fig.3 Potential distribution of 10 km around grounding electrode

图4 接地极1 km内地表电位分布Fig.4 Potential distribution of 1 km around grounding electrode

由图3可看出，与极环相距越远，电位衰减速度越慢。由图4可以看出，极环上方呈现地表电位峰值，这是因为极环处的电流密度最大;同时，内环上方地表电位比外环略高。随着观测点与极环距离的增加，地表电位逐渐衰减;极环附近，衰减迅速，距极环中心约1 500m处，地表电位已衰减至最大值的50%，由于极环的屏蔽效应，接地极内环地表电位衰减速度低于外部。

2.3 内外环及各馈电电缆分流

分流电流由流至土壤的横向电流和传递到接地体远端的纵向电流组成［17］。由于该模型为理想的轴对称模型，内、外环馈电电缆流过的电流各自相同，且内、外极环上分流的电流也呈轴对称分布，图5中只显示了接地极环1/4部分的电流分布，其余部分的电流分布则相同，其中括号内的数字为横向电流的大小。电缆因有屏蔽层和绝缘层包裹，流至土壤的横向电流很小，而极环上的横向电流则较大。当入地电流为3 000 A时，外环每根馈电电缆的纵向电流为465 A，4根电缆共分流1 860 A;内环的每根馈电电缆的纵向电流为285 A，4根电缆共分流1 140 A;计算得出，接地极内环分流占入地电流的38%;外环分流占入地电流的62%。同样，可计算出当入地电流为3 125A时，接地极内环分流约占入地电流的37.9%;外环分流约占入地电流的62.1%。

图5 各导体段的横向电流和纵向电流Fig.5 Transverse current and longitudinal current of each conductor section

2.4 跨步电压

由图6可以看出，跨步电压峰值呈现于极环两侧数米之内;内环跨步电压峰值比外环小;在峰值两侧，跨步电压随着观测点与极环距离的增大而迅速衰减;距极环中心约500m处，跨步电压已衰减至最大值的50%，距极环中心700m时，曲线已变平坦，后缓慢衰减至接近于0。跨步电压峰值2.9 V/m，小于最大跨步电压控制值7.1 V/m。

图6 接地极附近跨步电压分布Fig.6 Step voltage distribution near grounding electrode

2.5 接触电压

为避免接地极入地电流对附近杆塔的基础造成腐蚀，DL/T 5224—2005《高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定》规定:对靠近接地极约2 km以内的杆塔，基础对地和杆塔对基础应绝缘。对于2 km以内的杆塔，建议避雷线与杆塔不连接，杆塔单点接地，如图7所示。图中，a杆塔与接地极的距离在2 km以内，避雷线与杆塔间的“S”表示二者相互绝缘。

图7 降低接触电压的措施示意图Fig.7 Schematic diagram of reducing contact voltage

由于杆塔采用了单点接地，人触摸杆塔时承受的接触电压等于杆塔接地点与人体两脚接触地面处两点间的电压，按照接触电压的定义，人体与杆塔的水平距离为1m，即此时的接触电压为该处的跨步电压，当接地极的跨步电压满足限值要求时，该点的接触电压低于限值7.1 V/m。此外，由于避雷线与杆塔断开，避免了直流电流在相邻杆塔间的流通而对接地导体造成腐蚀［18］。对于鱼龙岭接地极线路，5 km内的杆塔单点接地，理论上不存在接触电压超标的问题。

3 现场实测结果

兴安直流极Ⅱ系统调试期间，在接地极现场进行了相关参数的测试，其中包括:馈电电缆分流、极址区域最大跨步电压、最大接触电压、接地极接地电阻测试、接地极地面电位分布等项目。该测试结果验证了建模计算结果的正确。测试时所施加的电流为鱼龙岭接地极的额定入地电流3 155 A。

3.1 内外环及各馈电电缆分流

入地电流通过接地极散流时，由于土壤电阻率分布不均匀以及地中电流场的作用，导致各馈电电缆的分流各不相同［19］。测量时，入地电流分4路分别接到电极的内外环，每一路采用4根馈电电缆。在额定入地电流3 155 A的情况下，外环16根电缆分流值最大的为204.0 A，内环16根电缆分流值最大的为126.7 A;其他内、外环馈电电缆分流值均小于以上值，接地极内环分流约占分流电流的36.1%，外环分流约占分流电流的63.9%。

结合第2.3节可以看出，内外环分流计算值与实测值相差较小，说明计算与实测结果相符。

3.2 跨步电压

在额定入地电流3 155 A的情况下，对极环附近区域的跨步电压进行了测量。表2中给出了各测点所测出的最大跨步电压的位置及幅值。

表2 极环附近跨步电势测量数据Tab.2 Measurement data of step voltage near grounding ring

表2中的测量结果表明:

(1)在系统大地回路运行时，3号测点与7号测点分别是内、外环上电流密度最大的区域，原因是这2个测点位于极址南部，此处土壤电阻率较其他测点区域要低，电流较其他区域更易集中，有较多的电流流向此方向。另外，由于外环分流更多，电流密度更大，因此外环上各测点处的跨步电势水平高于内环。

(2)在接地极外环7～10m处跨步电压值最大，为5.321 V/m，但小于设计控制值7.1 V/m。从内侧径向3～5m至外侧径向3～10m，跨步电压值偏高区域面积共约200m2。

3.3 接触电压

测试了鱼龙岭极址区域内2基铁塔及馈电电缆构架，塔脚接触电压全部小于设计控制值7.1 V/m。

实测时跨步电压和接触电压存在部分区域稍偏高(也小于设计控制值)，原因是此处土壤电阻率较其他测点区域要低，电流较其他区域更易集中，有较多的电流流向此处，而计算时的土壤模型为均匀的理想条件，因此得到的跨步电压和接触电压均偏小。但建模计算时跨步电压极大值所在位置的分布规律与实测及文献［12］中的一致。

3.4 接地极接地电阻及地面电位分布

在额定入地电流3 155 A运行条件下，接地极最大电位升为:600.42 V，10 km外的电位梯度不大于0.15 V/km。接地电阻实测值为0.19 Ω。接地电阻计算值更接近设计值，实测值相对偏小。因接地电阻值的不同，地面电位升有差异，但地面电位与接地极的距离衰减规律与实测结果一致。

4 结论

(1)入地电流为3 000 A和3 125 A时具有相似的地表电位分布:极环上方呈现地表电位峰值，且内环上方地表电位高于外环，极环附近电位衰减迅速，由于极环的屏蔽效应，接地极内环内的地表电位衰减速度低于外部。

(2)计算结果显示接地极内环分流约占入地电流的38%，外环分流约占入地电流的62%;实测时接地极内环分流约占分流电流的36.1%，外环分流约占分流电流的63.9%。

(3)跨步电压峰值位于内、外极环上方，其中外极环上方跨步电压最大，但小于设计值7.1 V/m;对杆塔采用单点接地措施后的接触电压，满足限值要求。

(4)实测结果与计算结果一致，部分区域因土壤电阻率较低造成电流分布更集中，使得该区域跨步电压值稍偏高，但仍小于设计控制值。为保证检修人员的安全，在作业时应采取绝缘防护措施。

［1］饶宏，李岩，黎小林，等.4个直流输电工程共用1个接地极运行方式的研究［J］.高电压技术，2012，38(5):1179-1185.

［2］王超.云广直流与兴安直流共用接地极极址侧隔离开关运行分析［J］.南方电网技术，2010，4(4):67-69.

［3］曾连生.高压直流输电陆地接地极设计:关于地面电位和跨步电压分布的计算［J］.电力建设，1994，15(3):12-18.

［4］马为民，杨志栋，李亚男.±800kV特高压直流输电工程共用接地极的可靠性评价［J］.高电压技术，2010，36(2):301-305.

［5］Vancers D J，Christofersen A，Leirbuktm G.A survey of the reliability of HVDC systems throughout the world during 2005-2006［C］//Proceedings of the 42nd International Conference on Large High Voltage Electric Systems 2008，Paris，France:CIGRE，2008:1-10.

［6］戚迎，钟伟华，戚乐.±800kV复龙换流站共用接地极设计特点［J］.电力建设，2008，29(4):16-19.

［7］周峰，吴斌，文锦霞，等.基于PSCAD的UHVDC换流站共用接地极影响研究［J］.电瓷避雷器，2012(2):105-110.

［8］孙帮新.高压直流输电共用接地极电气接线研究［J］.科技信息，2009(31):698-699.

［9］尹洪，李嗣.直流共用接地极极址运行转检修操作方式分析［J］.湖北电力，2011，35(6):76-77.

［10］范建斌，廖蔚明，李庆峰，等.±800kV直流输电线路带电作业方式的试验研究［J］.电力建设，2009，30(7):7-12.

［11］DL/T 5224—2005高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定［S］.北京:中国电力出版社，2005.

［12］张晓，尹晗，何金良，等.以降低跨步电压为目标的直流多环接地极电流配比的优化［J］.高电压技术，2012，38(5):1217-1224.

［13］陕华平，闫礼阳，庞飞，等.±800kV特高压直流输电系统运行检修技术体系［J］.高电压技术，2010，36(9):2212-2218.

［14］赵婉君.高压直流输电工程技术［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［15］朱艺颖.多个特高压直流系统共用接地极的研究［J］.电网技术，2007，31(10):22-26.

［16］Huang Z，Wu G N，Jiang W.Influence of UHVDC monopole operation on soil resistivity［J］.High Voltage Engineering，2009，35(3):445-450.

［17］王亮，张华磊，宛月.直流接地极馈电电缆分流无线自动测量技术探讨［J］.河南电力，2012(2):15-20.