±500 kV富宁换流站分体接地极接地参数测试与分析

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(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217； 2.直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)，广州 510663)

0 引言

直流接地极是直流输电工程的重要组成部分，在单极大地运行时承担着全部入地电流，在双极运行方式中承担不平衡入地电流，并起到钳制中性点电位的作用。接地极的参数是否满足有关技术要求，直接关系到直流输电工程能否安全运行[1-7]。接地极的主要参数包括接地电阻、跨步电压、馈电电缆分流、附近设备的接触电压等[8-9]，这些参数是否满足设计要求值，是设计、运行等单位关注的问题，笔者结合永富直流工程富宁换流站分体接地极，对测试方法进行介绍，对测试结果进行分析，可对同类工程的现场测试提供参考。

1 富宁换流站分体接地极简介

±500 kV永富直流工程是为了观音岩水电站电力送出工程。该工程直流输电容量为3 000 MW，直流线路长度为577 km。富宁换流站接地极设计最大持续额定电流3 000 A，最大过负荷电流3 691 A(2 h)，最大暂态电流(3 s)4 200 A。富宁接地极采用那弄极址和那连极址并联的分体式设计方案，接地极线路总长度64 km，两个接地极之间距离3.11 km。设计时两个接地极通过均流电阻保证各分50%的入地电流[11]。

2 分流系数测试与分析

2.1 分流系数测试方法

采用自备电源测试时，注入电流的方式与第3部分测量接地电阻相同[9]。测试时，采用大口直径直流钳形电流表钳套于馈电电缆上，测量各馈电电缆电流Ii和注入接地极的总电流，各馈电电缆的分流系数为

(1)

式中Nca为馈电电缆根数。测量时要求接地极入地电流基本保持恒定，电流表指定的电流方向与实际电流方向一致，同时注意电流表显示的背景电流值及正负号并消除其影响。

2.2 测试结果分析

测试结果如下图所示，所有馈电电缆的电流不超过电缆允许值。采用自备试验电源和系统单极大地运行大电流下测试数据非常接近，电流分配的趋势基本一致，其中外环8根电缆的分流较大，内环8根电缆的分流较少。小电流和大电流情况测试结果相比，那连接地极分流系数最大差值为0.81%；那弄接地极最大差值为0.86%，说明完全可以采用自备试验电源进行分流系数的测试。实测值和设计值相比，那连接地极最大偏差不超过总电流的1.16%，那弄接地极最大偏差电流不超过总电流的2.86%，实测值和设计值结果具有较高的一致性。这种偏差主要由于设计时用单一土壤电阻率进行了等效，而接地极址各点土壤电阻率存在差异。

两个接地极在系统单极大地运行时入地电流分布如图2所示。各种工况下那连接地极分流48.35%，那弄接地极分流51.65%。两个分体接地极的分流接近50%，因此再增加串联分流电阻的意义不大，可不增加，但在后续运行中应持续关注分流情况。

图1 接地极分流系数侧结果Fig.1 The results of the distributary coefficient

图2 分体接地极分流情况Fig.2 The distribution of the grounding pole

3 接地电阻测试与分析

3.1 接地电阻测试方法

通过自备直流电源的方式进行两个接地极的接地电阻测试，接线示意图如图3所示。

图3 接地极接地电阻测试示意图Fig.3 Schematic diagram of grounding resistance test

考虑现场拆除接地极引线的方便，测试时利用接地极线路的左极线作为电流注入线，右极线作为电位线。因此需要拆开位于位置1的那连接地极最后一基杆塔N130处、那连和那弄接地极之间第一基杆塔N131(图中位置2)、那弄接地极最后一基杆塔N140处(图中位置3)三个位置的接地极线路右极线与左极线之间的连接金具并采用绝缘绳固定，并在上述三个位置右极线引下临时引线。在测量那连接地接地电阻时，为避免阻断电抗器直流电阻对测试结果的影响，将临时电压引线接入到电缆管母处，并断开那连、那弄接地极之间的临时引线；在测量那弄接地极接地电阻时，为避免两个接地极之间接地极线路直流电阻的影响，将临时电压引线1和临时电压引线2直接连接，临时电压引线3连接到那弄接地极。

测试电位时，采用在不同的杆塔处引线到地面进行电位的测试，在每次测试升电流前进行背景电压U0的测试，在升流过程中关注电压是否线性变化，且最终的入地电流满足规程大于50A的要求[9]。根据实测接地极相对零电位点的电位U和直流电流回路中的电流I，得到视在接地电阻Re=(U-U0)/I，通过不少于三个位置的测试值的平均值得到接地电阻。

3.2 测试结果分析

在接地极线路不同位置的7基杆塔处进行了接地电阻测试，结果如图4所示，那连接地极接地电阻平均值为0.520 Ω，比设计值偏大15.4%；那弄接地极接地电阻平均值为0.382 Ω，比设计结果偏大9.2%。两个接地极测试结果均比设计值大且趋势一致，引起这一偏差的主要原因可能是接地极土壤电阻率取值偏小有关。

图4 接地电阻测试结果Fig.4 The results of grounding resistance test

那连接地极测试时背景电压值均为负值，占测试电压的0.6%到1.4%；那弄接地极背景电压占测试电压0.3%到1.9%，对测试结果影响非常小，可认为忽略不计。两个接地极的电压测试位置相同，注入电流基本相同，背景电压对接地电阻较小的接地极影响相对较大，在接地电阻测试时应尽可能增大注入电流，从而增大测试电压，减少背景电压对测试结果的影响。

根据接地电阻测试结果以及那连那弄接地极间线路的直流电阻值计算得到那连/那弄的分流比例约0.901，而文中第2部分测量得到那连/那弄的分流比例为0.936，相差0.035，可认为接地电阻的比值与入地电流分流比值一致，测量结果可信。

4 跨步电压测试与分析

4.1 测试方法

跨步电压测试前应在接地极极址图纸上注明要开展测试的基点，在选定的基点沿接地极极环径向选取测量点，以1 m为间距由近至远测量地面 1 m 间的电位差即为跨步电压。根据设计说明和经验，最大跨步电压出现在极环外侧、距电极水平距离约等于该处电极埋设深度(约4 m)的地方[4-6]，测试时对极环外侧测量10组数据，极环内侧测量10组数据。测试时采用硫酸铜参比电极，满足规程要求自身电位差小于5 mV的规定。由于测试时的电流和最大入地电流不同，因此现场测试得到的电位需要换算到最大入地电流下的电位，其换算表达式为：

(2)

式中Im为测试时注入的电流，Ugm为在注入电流下测试得到的电压值，Ugc为折算后的电压值，Ic为最大入地电流或者额定入地电流。

4.2 小电流测试结果分析

采用自备试验电源测试时极址场地正在平整，测试结果如图5所示。

从图5可以看出两个极址跨步电压最大值均出现在极环外侧的3～5 m处，与经验趋势一致。但实测跨步电压测量曲线都有多个极值，与设计按均匀土壤电阻率计算时只有一个极值不同，这可能与现场土壤电阻率在每个位置的土壤电阻率分布不均有关，在土壤电阻率相对较大的位置，跨步电压的测量结果就会偏大。由于在设计时，采用水平土壤电阻率进行了等效，因此跨步电压的控制值只有一个，而实际每个位置土壤电阻率可能存在差异，如那弄接地极12号往外的测试曲线中，第2～7个点在每相隔1 m的情况下均出线了跨步电压的跳变，很有可能是由于接地极土壤电阻率分布差异和现场场地未平整造成的。因此建议在设计时应给出一定的土壤电阻率范围，以便试验人员进行比较。

图5 跨步电压测试结果Fig.5 The results of step voltage

采用试验电源注入电流时，场地未平整完，在现场采用挖机对表面进行压实后再次进行测量。测量结果如图6所示。

图6 特殊情况下跨步电压测试Fig.6 The results of step voltage under special conditions

那连接地极东外环往外四个测点的测试数据均比压实前小，跨步电压最大偏差103.2 mV，折算后偏差3.096 V。9号往外的10个测试点中，有3个位置的测试值的偏差小于3 mV，小于规程要求的硫酸铜电极5 mV的要求，可认为这三个点实际可能没有被压实；剩余6个测试点有4个测试点压实后跨步电压减小，跨步电压偏差值的累计值减小，因此可认为排除测试位置误差后跨步电压减小。跨步电压最大偏差67.34 mV，折算后偏差2.20 V。因测试当晚下雨，在第二天对9号往外再次进行了复测，测量结果与压实后相比有7个点偏小，累计值偏小，认为雨后测量结果偏小，最大偏差43.32 mV，折算后最大偏差1.30 V。根据以上测试情况，在接地极进行跨步电压测试时，应在接地极复耕后的晴天进行测量。

4.3 单级大地运行方式测试结果分析

系统调试时间单极大地运行仅有15分钟，因此跨步电压的测点主要选择在采用自备电源测试时跨步电压超过设计允许值的位置。在测试时，为消除测试时的累计误差，采用参考点法进行测试，即保证跨步电压一端固定在检测井处，另一端测试不同位置对检测井处的电压值，其1 m之间的差值就是跨步电压值。此时入地电流以2.2节中测量到的接地极的入地电流为作为计算值，跨步电压结果如图7所示。

图7 接地极大电流下复测结果Fig.7 The results of step voltage under single pole- ground operations

由图7可以看出，在系统800 A、1 600 A和3 000 A入地电流情况下，跨步电压的实测值与入地电流成正比，与理论情况一致，说明大电流测试时跨步电压的测量结果具有很高的准确性。最大跨步电压出现的位置与自备电源测试结果有差异，部分复测结果的最大值出现在靠近检测井的位置，这与现场复耕后检测井附近位置地表有大量卵石，而从3 m往更远的地方是庄稼地，地表为泥土，土壤电阻率有差异有关，如图8所示。

图8 地表土壤情况Fig.8 Surface soil condition

根据DL/T 5224—2015高压直流大地返回运行系统设计技术规定附录中数据[10]，黏土、粉土、湿沙的电阻率在10～103Ω·m之间，干沙、卵石的电阻率为103～105Ω·m。按照卵石的最小电阻率1 000 Ω·m考虑，DL/T 437中的跨步电压允许值表达式[12]：

E=7.42+0.0318ρs

E为地面允许最大跨步电压，V/m，ρs为表层土壤电阻率，Ω·m，则跨步电压允许值为39.2 V，因此认为靠近检测井的跨步电压值在允许范围内。

对于那连接地极9位置跨步电压突然变化，可能的原因是由于测量位置有一个约1.3 m的田坎边坡以及中间的水渠造成的，田坎和水渠改变了跨步电压的分布，且实际情况中并不会出现人的双脚分别在田坎的上下沿以及水渠的两侧，因此认为该数据对安全没有影响。

5 结论与建议

介绍了富宁换流站分体接地极参数测试方法以及对异常数据进行了分析，得出以下结论和建议：

1)采用自备试验电源注入小电流和800 A、1 600 A、3 000 A下测量的馈电电缆分流系数偏差较小，测试方法和测试结果可信，两个接地极的分流接近50%，两个接地极之间可不增加均流电阻。

2)跨步电压值超过了设计允许值，与设计时将土壤等效为单一土壤有关，结合现场实际情况分析，跨步电压值在安全范围内，建议设计单位给出土壤电阻率取值范围，以便试验人员分析。

3)跨步电压受表层土壤的压实程度、天气是否下雨影响很大，建议跨步电压在接地址完全复耕且自然沉降后的晴天测量。

4)单极大地运行方式时间较短，在实际直流工程中先采用自备电源进行测试，再结合调试过程中单极大地运行工况，采用大电流对可能存在的异常位置进行复测。