考虑土壤温升效应对特高压直流输电垂直型接地极影响研究分析

刘亚杰

（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司±800 千伏伊克昭换流站，内蒙古 鄂尔多斯 016200）

引言

我国能源资源和能源需求不均匀分布的基本现状决定了我国能源呈现远距离、大容量输送等特征；同时化石能源的日益枯竭以及环境污染等压力使风能、太阳能等新型能源被大规模应用。但由于这类新型能源发电的间歇性、随机性等不稳定因素以及电力系统自身消纳能力的技术限制等问题，给电力建设带来许多技术挑战。此时高压直流输电技术以下绝对优势：大规模电能的远距离输送，促进新能源的并网及消纳，实现大范围能源资源的优化配置以及现有电力系统运行稳定性的提升等，近年来得到快速的发展。

在高压直流输电工程中，直流接地极承担着双极运行时钳制中性点零电位和单极运行时流通直流工作电流的重要作用；由于土地资源日益紧张，共用接地极技术被广泛应用，通过直流接地极的电流日趋增大，对直流接地极的散流机理及温升过程进行精确模拟及分析是超特高压直流输电接地极优化设计及解决由大电流入地导致的严重温升及直流腐蚀和偏磁等重要措施。

一、直流接地极的接地性能研究现状

基于科学技术客观上的发展需要，以及计算机所提供的物质基础，各种数值计算软件被用于实际工程设计及基础研究过程中，传统的经验公式法逐步被取代。直流接地极散流过程是直流电流在土壤区域中形成恒定电场的物理过程，因而采用基于电磁场理论的数值方法更能直观地模拟其散流机理。同时，基于电磁场理论的数值计算方法能对任意接地导体实际结构、土壤参数特性以及复杂分层土壤和块状土壤结构等情况进行处理和模拟。总结当前国内外研究现状，目前有关接地计算的电磁场理论的方法主要有有限差分法、矩量法、边界元法和有限元法。

（一）有限差分法

有限差分法将求解区域划分为网格，然后建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。即其过程为以Taylor 级数展开等方法为基础，用节点上函数值的插商代替控制方程中的导数进行离散。该方法能直观地将微分问题转变为代数问题，数学概念直观简单。

（二）矩量法

矩量法由R.F.Harrington 在1968 年提出，认为在细接地导体内只有沿轴向方向流通的电流。传统矩量法在计算量和计算速度上并不尽如人意，所以基于传统矩量法的欠缺，许多研究者提出与此算法相关的改进计算方法。T.N.Giao 和M.P.Sarma 提出了将接地导体分段的概念。

（三）边界元法

边界元法的控制方程为定义在边界上的边界积分方程，其通过将边界上的单元进行差值离散从而化为代数方程进行求解。故可以将三维问题降为边界面上的二维问题，将二维问题降为边界线上的一维问题，继而显著降低自由度数，最终得到低阶线性代数方程组。

（四）有限元法

有限元法以拉普拉斯方程为控制方程，并结合相应的边界条件，应用伽辽金加权余量法或者变分法对控制方程进行处理，将原来较难求解的微分方程转化为代数方程组进行求解。从而将复杂的大型求解区域的场量问题化为求解有限个单元的单元节点上的场量问题。

（五）土壤参数温度特性的研究现状

土壤是由固体以及固体间包含的液体和气体组成的，是具有多孔特征的导电媒质。直流输电系统以单极大地运行方式运行时，数千安的电流通过接地导体泄流进入周围土壤导电媒质，在土壤媒质中形成电场，并伴随有电能转化为热能的物理过程；此过程中的热能导致土壤中的水分蒸发，继而使其电阻率增大，导电能力下降；上述动态过程进一步加速了电能向热能的转化过程，使土壤温升速度加快。另外，土壤热导率、容积热容量等热参数也产生不同程度的改变。

二、土壤参数温度特性

（一）土壤基本结构及电导理论

土壤由固、液、气及各种有机物组成，是一个复杂的系统。固相物质包括各种矿物质、动植物残体及其衍生物、分泌物等有机物质和活的动物、微生物等，是土壤中各种物理过程的主要载体。液相物质存在于土壤颗粒间的空隙中，其实质为含有多种化学物质的水溶液，是热和溶质在土壤中传输的主要载体，且处于土壤中不同位置的水具有不同的形态、能态以及不同的物理性质。气相物质与液相物质相同，也存在于土壤各空隙中。

土壤中的固体胶粒带有一定的电荷，同时土壤孔隙中的水分中含有许多带电离子。所以我们可以把土壤看作多价电解质。当存在外部电场时，土壤电解质中的阴、阳离子以相反的方向移动，从而产生导电现象。且土壤电导原理与溶液电导具有一定的相似性，其导电能力与土壤中的离子浓度以及离子迁移率有关。不过，土壤是一个集固、液、气于一体的多相体系，其导电通道是多个不同截面积、不同长度的复杂通路。具体可将其概括为三种导电路径：（1）沿着内部空隙中的溶液导电；（2）沿着土壤颗粒与水相串联的路径导电；（3）沿着连续的土壤颗粒路径导电。其中第一种导电路径直接与土壤含水量有关，而第二种导电路径与土壤中水分的粘度和固液接触面的表面张力以及土壤颗粒性质有关，第三种导电路径与土壤类型参数有关。所以，这三种通道的导电能力不仅与土壤中溶液的离子浓度有关，还与土壤中水分的含量有关。影响土壤中水分含量的因素有很多，包括土壤所在的地理位置、空气环境以及土壤的保水性能等。所以不同地区、不同类的导电能力有明显差异。

（二）土壤电、热参数温度特性

土壤是一个集固、液、气于一体的多相体系，其中土壤固体颗粒间充斥着水分和空气，在结构上有明显的多孔特征。当上千安的直流电流经接地极散流至周围土壤导电媒质中，沿上述三种导电通道导电，在散流区域中产生稳态电场。同时根据焦耳热定律可知，电能在土壤中会转化为热能消耗在导电媒质土壤中，从而引起接地极周围的土壤温度升高；高温下土壤中的水分慢慢蒸发，使土壤中水分含量降低，故而直接导致接地极周围土壤电阻率增大，以及土壤热导率、容积热容等热参数发生变化；土壤电阻率的增大现象使其导电能力下降，进一步加速电能向热能的转化，土壤温度持续升高。例如，我国葛上±500kV 直流接地极即因土壤温度升高而导致引流电缆烧毁、引流端土壤局部硬化等严重问题。

直流电流通过接地极散流入周围土壤导电媒质中，形成电场；同时由于土壤自身存在一定的电阻率，根据焦耳热定律可知，此过程中伴随着电能与热能的转化；大量的热能使土壤温度有不同程度的升高，经过一定的时间积累，从而导致土壤中水分的蒸发，使土壤中得水分含量减小，土壤中电、热参数不再恒定不变；土壤中电阻率的增大进一步影响土壤中电场的分布，而土壤热导率、容积热容量等热参数的变化则进一步加速土壤温度升高过程。综上所述，直流接地极散流过程，不是简单的恒定电场问题，同时还伴随温度场的变化，是电场和温度场相互耦合、相互影响的过程。

三、深井接地极的布置型式与结构分析

应用于实际工程的深井接地极一般为3至6根长垂直形电极并联运行，满足散流和接地电阻的要求。假定极址土壌电阻率在水平方向是均匀的，显然，当各子电极呈正多边形布置时，经由任意一根电极入地的电流均相同，否则可能因为电极之间的屏蔽效应而出现电流分配不均、部分电极无法得到有效利用的情况。因此当极址条件允许时应尽可能将子电极布置成正多边形，使总入地电流在各子电极之间平均分配，获得较好的散流和温升特性。

直流电流首先经架空线或电缆从换流站接至接地极导流系统中也母线，再通过导流线分别连接至各子电极。考虑到单井长度较长，若仅在电极顶端注入电流，注入点处电流集中易引起温升过高和过度腐蚀的问题，为此可将电极分为若干段或増加电流注入点数目，通过引流电缆进行分流。

（一）馈电棒

馈电棒是埋设在焦炭中的良导体，为保证接地极在设计寿命内可靠运行，应根据系统条件和极址±壤性质，合理选择馈电棒的材料、电极长度和截面直径，防止电极因严重腐蚀而断裂或引起发热故障。

（二）石油焦炭

在接地极中，焦炭主要起两方面的作用，一是増加电极的等效直径，降低电极与止壤接触面的电流密度，二是充当馈电棒和止壤之间的导电介质，将离子导电转变为电子导电，从而抑制金属电极材料的电腐蚀作用。几乎所有的直流接地极均采用石油焦炭作为填充材料。实际使用时，石油焦炭需经锻烧并研磨成粉状，保证与馈电导体紧密接触。但焦炭颗料并非越细越好，考虑到深井接地极排气的需要，应谨慎选择焦炭粒径，使填充后的焦炭具有较好的透气性，防止塞气管道而阻碍排气。

（三）钢管护壁

护壁外侧用混凝±填充钢管与周围王壤之间的空隙，所用的混凝止应能快速凝固且具有较低的电阻率，降低钢管和王壤的接触电阻。除固井作用之外，由于钻井完成后井内充满地下水，钢管护壁还可防止灌注时焦炭浆向四周流失。

四、特高压直流接地极温升计算及影响因素分析

通过研究单根电极结构参数对深并接地极温升的影响，包括电极长度、电极埋深、焦炭截面直径、钢管护壁。以及电极布置型式对深井接地极温升的影响，包括：子电极数目、极体间距、电极分段数、电流注入点数目对接地极温升的影响，结果表明：接地极上下端部的温升明显高于中部；当注流点位于馈电棒顶端且入地电流很大时，在电极自身发热和端部效应的共同作用下，可能使电极顶端的温升高于底端，温度曲线表现为先缓慢下降，尾部上扬的趋势；埋深增加时，电极首端散流增大，最大温升増加，但其对温升的影响更大程度与极化止壤分层结构有关；增大焦炭外径可明湿改善接地极温升，但受到最大钻井直径的限制；钢管护壁对馈电椿溢流的密度分布影响较大但对最大温升影响很小。改变子电极布置方式，计算结果表明：其它参数不变时，接地极最大温升速率随子电极数増加接地极在额定电流下的最大允许运行时间基本随电极间距的増加而线性増加；调整电极分段数和注流点数及其位置对最大湿升的影响可忽略不汁，并不能改善深井接地极的端部效应。

五、结论

当前我国的直流接地极大都采用圆环型水平布置，接地极用地规模较大，随着直流输电技术的快速发展，系统容量和额定电流增加，接地极选化和征地困难的问题越来越突出。深井接地极占地面积小，可建在地形狭窄或不平坦的地区，大大降低了对极址的要求，但由于端部效应严重，温升成为制约深井接地技术发展的重要因素。目前深井接地极尚未运用于实际工程中，大部分通过仿真分析的方法研究了接地极的结构对温升及接地特性的影响。