高压直流输电系统共用接地极检修作业风险分析

马正霖 任振宇 陈 诺 朱旭东 辛业春

（1、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局，云南 昆明650217 2、东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林132012）

所谓接地极指的就是在实际工程中，与大地相连接的电极，在高压直流输电中接地极起着非常重要的作用。接地极能够将散流雷流入大地当中，在直流工程中接地极就是将直流电流所产生的能量安全泄入到大地中，作为整个换流站电位的零参考点。接地极应用主要设备有接地极线路、阻波器、隔离开关、汇流管母、馈电电缆、接地极体、监测设备等[1]。

现如今高压直流输电技术的迅速发展，接地极的设置也应当综合考虑多方面因素，如：周围环境、自然条件以及地形因素等。为了减少这些因素的影响，共用接地极如今在工程中被广泛使用，其作用效果也达到了十分可观的程度。虽然共同接地极的作用效果已被认可，但这种方式下的检修与维护却有一定的难度。因此本文主要是针对高压直流输电系统共用接地极检修作业风险分析进行研究。

1 共用接地级的优点及存在的问题

共用接地极在工程中能够被广泛应用自然是有很多优点，但不可否认的是共用接地极仍然存在一定的不足。

1.1 共用接地级的优点

与传统的接地极相比共用接地极的优点在于：

共用接地极的可靠性强，即当一个接地极出现故障时，其他与之共用的接地极可以替代该失效接地极工作。

共用接地极的经济性好，即共用接地极能够有效地减少接地极的数量，进而减少对于接地极设备的投资。

共用接地极的安全性高，即当系统中的设备出现故障时，共用接地极会将故障电流经由金属性回路向电源处流，进而会使得产生的短路电流值较大，使得过电流保护装置动作的可能性大大提高。此外，当出现雷电所产生雷击的现象时，为将雷击的程度降低到一定的程度，采用共用接地极将防雷接地保护与系统中设备的接地有效连接在一起，这样能够使得接地装置上面的压降减小，避免出现过电压的现象，保证这设备工作的安全性。

1.2 共用接地级存在的问题

共用接地极除了上述的优点外，其接地故障电流有可能使接地点电位升高而危及共用接地的相关系统、设备及建筑，接地电流引起的电位增高就会波及到共用接地的所有设备。为此,在选取共用接地的地点, 需要从共用接地极电位升高以及入地电流的性质这两方面综合分析共用接地可能存在的问题，即共用接地极是否会给设备或系统造成干扰[2]。一般应考虑单极运行、计划停运、不平衡电流等因素。为了确保接地极在规定的运行年限里正常运行，在接地极设计时应留有一定的裕度。

2 共用接地极附近电位分布分析

对于相同的连接段内，共用接地极线路中其中一条线路进行检修，而另一条线路继续运行时，会使得输电线路周围形成合成电场，其电位幅值可到达正常运行时3-4 倍。

当直流电流流入系统中的接地部分时，电流从接地极向周围的土壤中流散时，由于土壤的导电能力并不是很强，进而在土壤中会产生压降，极址的电位会有所上升，会使得接地处的电位上升，此时当工作人员在此接地进附近进行检修作业时，工作人员的双脚就会在土壤表面的不同的电位上，两脚之间的电位差成为跨步电压。若该电位上升的过高会引起接触电压和跨步电压的风险，对于不同的地点，所产生的接触电压和跨步电压也是不相同的。最大跨步电压表示当接地极流过的电流最大时，人两脚接触该地面上的水平距离为1m 所能够接触到的最大的电压。当最大跨步电压超过其安全范围时，就会产生安全方面的影响。因此，为了检修人员的人身安全着想，对于共用接地极电位进行分析是非常有必要的，通常计算出最大跨步电压进而能够确定该接地极是否满足要求。我国现行《高压直流接地极技术导则》为：直流接地极在最大短时工作电流时的最大允许跨步电压为2.5V。在实际工程中经常采用公式（1）作为判断接地极的最大跨步电压依据。

其中，ρs为表层土壤的电阻率。

当测量电流注入被测接地网，向无穷远处流散时，地网相对于无穷远处的电压与测试电流的比值即为接地网的接地电阻。然而，辅助电极不可能布置在无穷远处，无法测量地网相对于无穷远处的电位。需要在有限远处布置一个辅助电极，与地网形成回路。当测试电流从辅助电极流回电源，地面电位发生了畸变，地网相对于无穷远处地电位有所降低。此时需要将电压极布置在某一点上补偿地网上的电位降落[3]。

3 共用接地极检修过程中入地电流的分析

高压直流输电系统中，共用接地极也需要根据实际情况来对其进行检修，这种检修可能是临时性的抽检，也可能是定期的检修保养。对于两个直流输电系统采用共用接地极时，当其中一个直流系统正常工作运行，而另外一个处于检修状态时，可能会因为发生故障而导致正常运行的系统发生不平衡运行，或者是出现单极大地回线运行，此时就会与正在检修的接地极线路构成一个回路，进而会对于检修人员产生相应的安全隐患。

下面以两个直流系统共用同一个接地极为例进行分析。根据图1 等效电路可以计算出流过处于检修状态的接地极线路下的直流电流和流过换流变中性点的直流电流。图中的Ig 表示直流输电系统的入地电流，R1 为极址处检修接地等效电阻，R2为处于检修状态的接地极线路电阻，R3 为交流系统以及换流变所的等效电阻，R4 为直流系统2 中性线出线侧检修接地等效电阻，R5 为正常情况下共用接地极电阻，I1 表示处于检修状态接地极线路所流过的电流，I2 为正常工作下共用接地极所流过的电流，I3 为流过换流变中性点总电流，I4 为流过直流系统2 中性线出线侧检修接地等效电阻的电流。

图1 接地极等效电路图

处于检修状态接地极线路所流过的电流I1，如式（2）所示：

由式（2）可以看出，共用接地极的检修情况根据流过电流情况的不同，其所对应的电流的分布情况也是有所不同的。检修处到接地极之间经过检修接地部分和换流变压器与交流运行系统可等效看作一个电阻，该等效电阻的阻值大小与检修处到接地极之间的距离成正比。二者距离越远，等效电阻阻值越大，反之二者距离越近，等效电阻阻值越小。并且，这个等效电阻与实际的接地位置、土壤状况等因素均有关，因此，在实际工作中，该等效电阻准确数值是难以确定的。

此外，换流变的中性点是与站内的接地网相连，因此入地电流所分流的直流电流通过该路径进入相应的交流线路之中，再根据大地电位较低的变电站的中性点重新流入大地。流经检修接地极线路的电流，一个等效流通路径为两站之间大地间电阻，该电阻的阻值较大，受等值交流变电站接地点的变化影响较小；另一个等效流通路径为换流变中性点交流线路电阻，相对较小，受交流系统运行方式变化影响较大，所以只能通过试验测量出流经换流变压器中性点的电流，进一步估算对于换流变压器的影响[4]。

在实际的工作运行场合，针对共用接地极临时性的检修，会出现入地电流直接被正在检修的接地极线路引入到直流系统中，由于直流系统与换流变压器的中性点直接连接在一起，这就会使得换流变压器出现直流偏磁的现象，变压器的直流偏磁出现会导致其励磁电流的幅值与相位发生变化，首先会使得变压器损耗增加，包括铁损耗和铜损耗。系统中变压器一般采用的为YNd 与YNdyn 接线方式，即使谐波分量存在于励磁电流中，变压器主磁通依然为正弦波，所以在变压器绕组中的直流电流对于铁心中的磁滞损耗和涡流损耗不会有太多的影响。但是由于励磁电流达到了磁化曲线的饱和区域，使得变压器的漏磁大大增大，漏磁的增大会引起附加损耗的增大。对于大型变压器而言，其附加损耗与铁损耗差距不大，甚至会多于铁损耗，这就表示若变压器中的直流量增加，其附加损耗也会相应增加。除此之外，直流电流的存在会使得变压器的励磁电流大幅增大，所以对于变压器的铜损耗也会有大幅度的增加。

另外，当变压器绕组中流入直流电流时，使得励磁电流显著增多，当直流电流达到励磁电流额定值的4 倍时，对于单相变压器而言，此时变压器的噪声会提高20dB，并且，变压器发生直流偏磁现象会增加了谐波的成分，进而使得变压器的噪声频率发生改变，当变压器的内部结构部件与噪声频率达到同一频率时，就会发生共振，令变压器的噪声进一步增大。若这种现象未能及时处理将会使得变压器的保护装置动作。

而对于接地极定期的检修和保养情况下，工作人员会令检修部分处于停止工作的状态，这样就会将检修部分与运行系统出现一个电气方面的隔离，此时便不会出现等效电阻换流变压器与交流运行系统的部分，故等效电阻阻值减小，若想减小入地电流，便要适当的将接地极的等效电阻阻值增加。

4 结论

对于直流系统中采用共用接地极的方式，虽然能够很好的解决接地极项目的投资以及减少资源的利用，但这种方式下的检修与维护却有一定的难度。通过对接地极附近电位以及对入地电流的分析，得出的结论如下：

4.1 检修人员对接地极线路进行检修作业时，尽可能的停电进行检修。进行带电检修工作下，若出现接地极附近的合成电场超过最大跨步电压情况时，此时检修人员需要佩戴绝缘手套、穿绝缘鞋，来保证自身安全。

4.2 共用接地极的检修情况根据流过电流情况的不同，其所对应的电流的分布情况也是有所不同的。共用接地极的等效电阻和接地极之间的距离成正比，与入地电流成反比。二者距离越远，等效电阻阻值越大，入地电流越小；反之二者距离越近，等效电阻阻值越小，入地电流越大。因此若想减小入地电流，便要适当的增加接地极的等效电阻阻值，尽可能的减小对工作人员的伤害。