鱼龙岭直流输电共用接地极在线综合监测系统设计

张富春 郑武略 范 敏 黎晓辰 谢守辉 胡大明

(南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局， 广州 510000)

接地极极址作为直流输电系统特有的组成部分，其安全运行将在直流输电系统中起着至关重要的作用[1-2]．若接地极极址在运行过程中出现缺陷甚至故障，而运行单位人员未能及时发现，将严重影响整个直流系统的安全运行，甚至导致系统停运[3-5]．王玮等人为减少人工现场检测接地极的人工费，设计了一种远程在线监测接地极电流、观测井水位等重要运行数据及接地极现场视频数据的监测系统，但未见该系统应用于实际工程[6]．周岩等人为提高±500 kV伊穆直流接地极址运维智能化水平，设计了能够实时监测温湿度和接地极入地电流的监测系统；杨文宇等人提出了基于GSM技术的换流站接地极在线监测系统[7-8]．上述研究均未提出直流输电共用接地极入地电流监测解决技术．目前，鱼龙岭直流输电共用接地极极址运行参数的釆集主要依靠人工来完成，这样难以及时准确地了解整个接地极的运行情况，无法为接地极运维工作提供有效指导．本文针对鱼龙岭共用接地极设计一套在线综合监测系统，解决了接地极极性随系统运行变化的监测问题，并进行了成功安装应用．该系统能够实时监测接地极极址的馈电电缆电流、检测井内温度、湿度及水位等相关参数，并能对各参数进行诊断分析．另外，该系统依据接地极运行状态与接地极相关参数之间的数学模型，能够评估直流接地极的健康状态，根据阈值发出安全预警．最终达到提高鱼龙岭接地极运行安全可靠性，克服人工定期维护盲目性的目的．

1 鱼龙岭接地极系统结构

鱼龙岭接地极是±800 kV楚穗直流及±500 kV兴安直流输电工程共用接地极，位于清远市飞来峡区江口镇鱼龙岭，目前已经运行接近10年．

鱼龙岭接地极极址极环采用直径为φ940M+φ700M二同心圆环电极，接地极共有32根入地电缆，内外环分别为16根，每2根入地电缆共用相同接地点，内外环共有16处接地点．鱼龙岭接地极在导流电缆和电极焊接点处以及每个电极区段的中间位置设置有检测井，可以检测每段电极的温度、湿度、水位等参数，共24个；在电极正上方低洼地段均匀设置有渗水孔，共42个．鱼龙岭接地极系统结构如图1所示．

图1 鱼龙岭接地极系统结构图

2 在线综合监测系统设计

2.1 监测系统整体结构设计

鱼龙岭直流接地极在线综合监测系统包括数据监测模块、控制采集模块、无线传输模块和后台管理系统4个主要部分．数据监测模块包括检测井在线监测和馈电电流在线监测两部分，其中检测井监测装置有2路，电流传感器装置有32路．

检测井在线监测可以定时采集现场检测井内的土壤温度、土壤湿度、井内PVC管内水温和水位等运行参数．2路检测井监测装置采用物联网技术在接地极范围内构成一个短距离的无线自组网进行数据传输，将采集数据传输至控制采集模块．馈电电流在线监测系统通过采集入地电缆的馈电电流，并将采集到的数据上传至监控中心．监测基站安装于接地极构架上，通过32路电流传感器采集入地电流数据，通过485通信方式与控制采集模块通信．控制采集模块通过无线传输方式将现场采集的各项数据信息传送至后台管理系统．在线综合监测系统整体结构如图2所示．

图2 接地极在线综合监测系统整体结构图

2.2 监测系统模块设计

2.2.1 接地极检测井监测单元

为了保证测量精度，温度、湿度两类参数的监测均采用数字电阻传感器；水位测量采用投入式液位传感器．通过温度、湿度、水位传感器对检测井温度、湿度进行实时监测，及时掌握检测井运行状态，水位传感器能够定期检测井内水位下降情况或土壤干燥情况．通过移动网络接收数据，能够第一时间掌握接地极的运行工况．

2.2.2 接地极馈电电流监测单元

通过采用开环霍尔电流传感器实时监测汇流处馈电电缆的电流，根据其电流值可以检查出电流分布情况．在正常情况下，流过馈电电缆的电流值同它所连接的电极长度成正比，并且基本不变．如果所测得的电流值同它第一次测得的电流值相差较大，则说明电极环可能被腐蚀断或土壤太过于干燥，需要进行检修或需进行人工注水．考虑到运行方式不同，电流方向会不一样，电流传感器选用双向霍尔传感器．

开环霍尔电流传感器原理如图3所示．当原边电流Ip流过一根长导线时，电流Ip会在导线周围产生一个磁场，方向为顺时针方向，变换磁场B的大小与电流的大小成正比关系．由测量电流激发的磁场聚集在磁环内，通过气隙把磁场施加到霍尔元件上，在霍尔元件上产生霍尔电压UH，电压信号通过放大电路后输出一个电压Vout，由式(1)关系可以间接测得待测电流大小．

Ip∝B∝Vout

(1)

式中，Ip为原边电流；B为变换磁场；Vout为输出电压．

图3 开环霍尔电流传感器原理图

正常情况下，高压直流输电线路采用双极两端中性点接地的运行方式，但是当直流线路或换流站的一极发生故障退出运行时，这种运行方式可以转换成单极大地回路方式运行，以减少对电力系统的冲击．±800 kV楚穗直流及±500 kV兴安直流就存在双极两端中性点接地和单极大地回路两种运行方式，鱼龙岭共用接地极的极性随系统运行需要会发生变化，依据霍尔电流传感器原理，需要使用双向霍尔电流传感器，系统选用的传感器参数见表1．

表1 霍尔传感器技术参数

2.2.3 控制采集模块

数据控制采集模块包括数据采集模块，通信接口模块和状态指示模块．数据采集模块由差分模拟通道、数字输入通道和PT100采集通道构成，可以通过多种方式实现数据的自动采集．通信接口模块除了设置常用的RS232接口、RS485接口和LAN接口之外，还增设了GPRS模块和WIFI模块，用以传送数据采集模块数据以及接收来自用户的指令．状态指示模块，状态指示灯和液晶显示屏构成，用以显示所述数据采集器的工作温度、工作电压以及所述通信接口模块的连接状态，方便用户了解数据采集器模块的工作状态和对设备进行实时监控．另外，选用工业级闪存，支持掉电保护功能，提高控制采集模块的稳定性．

2.2.4 无线传输模块

数据无线传输方式采用GPRS技术，传输模块由发射器，接收器和控制器组成，为克服无线传输的不稳定性，使用双路无线通信进行通信保障．通过GPRS模块远程传输数据，无需布置通讯线缆，减少维护工作量，中间的传输过程由运营商负责，使用方便灵活，同时支持远程参数设置及数据升级．

2.2.5 后台管理系统

后台管理系统能够对各类数据进行处理计算，与对应的阈值进行比较，进而判定接地极运行健康状态．由于鱼龙岭接地极监测系统观测站点数量多，要素种类多，数据量大，数据处理复杂，对数据产品的实时性要求高．后台管理系统选择高性能的专用服务器，以Windows 2008 server为操作系统，以MySql数据库作为数据存储和管理平台．在此基础上，采用Java语言开发监测系统软件．

监测系统软件体系结构采用3层Web模式，将应用功能分成表示层、业务逻辑层和数据层三部分，如图4所示．数据层主要负责数据的存储和组织，数据库的分布式管理，数据库的备份等，接受Web服务器对数据进行操作的请求，对数据库进行查询、修改及更新等，并将结果提交给Web服务器．业务逻辑层是在接受客户端的请求后，首先执行相应的扩展应用程序与数据库进行连接，向数据库服务器提出数据处理请求，其后将数据库服务器的数据处理结果提交给Web服务器，并将结果传送到客户端．表示层是用户接口部分，实现人机对话．用户均通过客户端的浏览器向网络上的Web服务器提出服务请求，由Web服务器对用户身份进行验证后，通过TCP/IP协议把所需的主页传送给客户端，并显示在浏览器上，实现用户与系统间的信息交互．

图4 监测系统软件体系结构图

3 监测系统应用及分析

3.1 装置应用

2016年4月，为验证直流输电接地极在线综合监测系统实用功能，将该系统应用到鱼龙岭接地极极址，32路电流传感器分别对应接地极址内外环32根入地电缆，土壤温度、土壤湿度、水位、水温传感器安装于随机选定的2个检测井．

3.2 数据分析

3.2.1 分析方法

直流接地极在线综合监测系统是通过检测井在线监测数据、馈电电流在线监测数据和微气象监测数据综合构成，通过对馈电电流、水位、水温、土壤温度及湿度等单一状态量逐一采集，并加以分析，评估出接地极运行状况．后台系统通过直观的图形、曲线展示反应接地极运行情况的变化趋势，并且实现预警、报警等功能．

3.2.2 馈电电缆监测数据分析

馈电电缆电流数据监测时间为2016年9月15日22:00～23:00持续1 h，电流值为1 200 A，极性为阴极放电．从监测到电流数据开始统计，接地极极址32路电流传感器监测电流小时最大值数据见表2．

表2 32路电流传感器监测电流小时最大值数据 (单位：A)

根据表1数据计算可知，内外环共32路馈电电缆入地电流值总和为1 200.53 A，与放电电流值基本一致，采用双向霍尔电流传感器监测电流技术设计合理．其中，内环分流占比31%，外环分流占比69%，符合接地极址分流设计，监测数据有效．

3.2.3 检测井监测数据分析

土壤湿度、水位、水温3类参数以监测数据与季节变化趋势对比；土壤温度参数则通过应用地表空气散热模型估算，对比季节气温变化分析[9]．

检测井检测数据时间为2016年4月到9月，系统监测到的土壤温度、湿度、水位、水温数据取各个月平均值，见表3，变化曲线如图5所示．

表3 检测井监测数据

图5 检测井监测数据变化趋势

1)土壤湿度、水温、水位监测数据分析

由表2中数据和图4曲线可以看出，4月到9月份，检测井水温逐步升高，入秋后转而降低，符合季节变化趋势；鱼龙岭接地极极址地处河流冲积平原地带，土壤含水量较高，湿度始终保持小幅波动状态，变化不大，符合低洼地带底层土壤湿度变化较小这一实际情况；春夏季雨量充沛，入秋过后，雨量减少，检测井水位逐渐降低，符合季节变化趋势．土壤湿度、水温、水位监测系统设计合理．

2)土壤温度监测

入地电流产生的热量可通过地表空气散热，向地心或水平方向的土壤热传导，地下水流动等途径散失．采用地表空气散热模型公式(2)，估算土壤温升幅度．

hAΔT=P=I2R

(2)

式中，P为发热(散热)总功率；I为接地极额定电流；R为接地极的接地电阻；A为地表散热面积(m2)；ΔT为地表与气温差(℃)；h为空气对流换热系数[W/(m2·K)]．

由式(2)计算得发热总功率P为2.27×106W．鱼龙岭接地极双环总长为5.15 km，直埋深度为3.5 m，设地表等温散热面积A为36 000 m2，接地极产生的热量仅通过地表空气对流散失，不考虑与地表植被和风速散热的影响，取地表与空气接触界面的空气对流换热系数h为8 W/(m2·K)，接地极接地电阻R取0.228 Ω，计算地表温度与气温的差异ΔT．由此得到，当鱼龙岭接地极额定电流设计值I为3.155 kA时ΔT为7.9℃．结合表3中土壤温度监测数据走势，并对比季节气温变化，确定监测数据符合实际，土壤温度监测系统设计合理．

4 结 论

本文针对鱼龙岭直流共用接地极，设计开发了在线综合监测系统，并进行了安装应用，得到以下结论．

1)对高压直流输电线路可能存在双极两端中性点接地方式运行和单极大地回路方式运行情况的，监测共用接地极电流需要采用双向霍尔电流传感器技术．

2)通过在线综合监测系统在鱼龙岭直流共用接地极的安装应用，以及对监测数据的处理分析对比，验证了整个在线监测系统设计的合理性和可靠性．

3)鱼龙岭直流共用接地极在线监测系统的应用，为运行人员及时掌握直流输电线路接地极极址的运行状况，为设备安全运行提供有力的技术支撑，同时也极大地节约了运维单位人力成本，减少了人工检测的作业风险．

[1] 饶宏，张东辉，赵晓斌，等．特高压直流输电的实践和分析[J]．高电压技术，2015，41(8)：2481-2488．

[2] 金 硕，甘 艳，阮江军，等．特高压直流输电系统阀厅金具表面电场精细求解[J]．高电压技术，2015，41(4)：1299-1305．

[3] 赵畹君．高压直流输电工程技术[M]．北京：中国电力出版社，2004．

[4] 董晓辉，杜忠东，徐 勇，等．直流接地极入地电流对交流变压器的影响[J]．高电压技术，2007，33(12)：134-138．

[5] 袁 涛，骆 玲，杨 庆，等．土壤温度特性试验及其对圆环型直流接地极发热影响分析[J]．中国电机工程学报，2013，33(1):188-195．

[6] 王 玮，倪平浩，唐 琪，等．特高压直流输电接地极在线监测系统设计[J]．北京交通大学学报，2016，40(2):85-89．

[7] 周 岩，陈远东，彭晓亮，等．±500 kV伊穆直流接地极址在线监测系统设计[J]．水电能源科学，2013，31(9)：197-199．

[8] 杨文宇，刘 健，王建渊，等．高压直流输电系统接地极在线监测[J]．高电压技术，2006，32(9)：15-17．

[9] 张 震．特高压直流输电持续单极运行时接地极对地表温升的影响[J]．华东电力，2012，40(6)：1042-1044．