特高压直流输电接地极设计研究综述

刘玲

（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

我国地域辽阔，各地区能源分布、电源结构和经济发展不平衡，可开发建设的能源呈北煤西水分布，而负荷中心则主要集中在东部沿海和南部地区。

特高压直流输电的优点显而易见，可以节省空间走廊，减少网损和投资，提高系统稳定性等；但是当系统单极大地回线运行时，会有强大的直流电流经接地极注入大地，此时在极址土壤中将形成一个恒定的直流电流场，伴随着的是大地电位升高，出现地面跨步电压和接触电势等，可能对极址附近的人畜产生影响。

虽然我们已经有了数条直流输电线路的设计与运行经验，但是直流输电技术在国际上尚无运行先例，如此高的电压等级和数千安的直流电流流入大地，将对极址附近的人畜、电力设备、金属管道等产生多大影响，都无经验可循。因此，对于这种特高压、大容量的直流接地极的设计和优化以及对周边环境的影响评估需要更深入细致的研究，以便为接地极的选址和设计提供一定的依据。

一、国内外研究现状

特高压直流输电是20 世纪50 年代发展起来的一种新型输电方式，在直流接地方面，国外开展的研究较早。在极址选择和电极设计等方面，美国和加拿大开展了大量的研究。美国在接地极设计方面通过研究和实验，积累了丰富的经验，其研究成果目前已被很多国家在直流接地极设计时所参考。加拿大在土壤建模、接地系统分析方面也做了很多工作。

从总体上讲，随着特高压直流输电在我国的快速发展，我国对此的重视也日益深入，但特高压直流输电作为一个新的电压等级，尚需开展大量的研究。所以，本课题的主要出发点就是通过对电极的优化设计及其影响分析，为特高压直流接地极的设计工作提供一定的借鉴与参考。

二、直流接地极设计

（一）设计原则

1.系统条件

①接线方式和运行方式。直流系统大地回线运行时，接地极的极性一极为阳极，另一极为阴极。对于单极工程，极性往往是固定不变的；对于双极工程，一极先建成投运时，极性也是固定的，待双极建成后，极性将随系统运行的需要而变化，它主要取决于两极电流之差的方向。②工作时间。运行寿命可以分为可更换和不更换两种形式，大多数工程按不更换设计安装，其运行寿命与直流系统相同。③入地电流。正常额定电流、最大过负荷电流、最大暂态电流、不平衡电流等。

2.最大允许跨步电压

大地土壤并非是良导体，因此在电流经土壤散流时，土壤中将有压降。当人在接地极附近行走或作业时，两脚将处于大地表面不同的电位点上，其电位差统称为跨步电压，它表示人两脚接触该地面上水平距离为1m 的任意两点间的电压。最大跨步电压是指当接地极流过最大电流时，人两脚水平距离为1m时所能接触到最大电压。显然，当最大跨步电压超过某一安全数值时，可能会对人和动物的安全产生影响，为此必须对接地极最大跨步电压加以限制，或采用相应的安全措施来保证人身和动物的安全。

3.最大温升

当强大的直流持续地注入大地后，极址土壤的温度将缓慢上升，紧靠电极表面的土壤温度上升最快。如果环境温度超过100℃土壤中的水将较快地被蒸发驱散，从而容易导致接地极故障，因此接地极最高温度必须严格控制在100℃以下。

（二）电极形状优化

目前世界上已投运的直流接地极可以分为两类：一类是陆地电极，另一类是海洋电极。陆地接地极敷设方式又可以分为两种形式：一种是浅埋型，也称沟型，一般为水平埋设；另一种是垂直型，又称井型，它是由若干根垂直于地面布置的子电极组成。陆地电极馈电棒一般采用导电性能良好、耐腐蚀且无污染的金属或石墨材料，并且周围填充石油焦炭。

从我国建设的直流工程接地极来看，大多数为陆地接地极，因此，本论文主要针对陆地接地极来进行优化设计和分析计算。陆地接地极敷设方式又可以分为两种形式：一种是浅埋型，也称沟型，一般为水平埋设；另一种是垂直型，又称井型，它是由若干根垂直于地面布置的子电极组成。陆地电极馈电棒一般采用导电性能良好、耐腐蚀且无污染的金属或石墨材料，并且周围填充石油焦炭。水平电极埋深一般为数米，可以充分利用表层土壤电阻率较低的有利条件。因此，浅埋型电极具有施工方便、造价低廉等优点，特别适用于表层土壤电阻率低、场地宽阔且地形较平坦的极址。垂直型电极底端埋深一般为数十米，少数达到数百米。如在瑞典南部穿越波罗的海直流电缆输电工程中的试验电极，采用了深井型电极，其端部埋深达550m。垂直型电极最大的优点是占地面积小，由于这种电极可直接将电流导入地层深处，因此对环境的影响也很小。但这种形式的电极施工难度较大，运行时端部溢流密度过高，产生的气体也不易排出，此外，由于子电极之间相对独立，若将这些子电极连接起来，必将增加导流接线的难度，因此垂直型电极一般适用于表层土壤电阻率高而深层较低的极址或极址场地受到限制的地方。

1.垂直型电极。垂直型电极一般是由若干根依地形要求布置的电极组成，其运行特性取决于子电极的布置形状、长度和根数等因素。当一根根子电极布置成圆环形，每根子电极可以获得相同的电流。否则，就有可能出现位于端部的子电极得到的电流大大高于其他子电极的情况。因此，为了获得比较好的电流分布特性，充分发挥每一根子电极的作用，在条件允许的情况下，子电极应尽可能布置成圆环形。另外，不同的子电极长度及数目对电极运行也会产生明显的影响。

2.水平直线电极。水平直线电极一般适应于狭长的地形，在布置上较圆环型电极更为灵活，而且可方便地分段或分支运行，因此应用也比较广泛；但缺点是极体上电流密度分布不均匀，端部电流密度较大。为了克服端部电流过大的缺点，工程上通常在直线电极端部加一个圆弧状的辅助电极，从而可以获得较为均匀的电流密度。水平电极埋深一般为数米，可以充分利用表层土壤电阻率较低的有利条件。因此，浅埋型电极具有施工方便、造价低廉等优点，特别适用于表层土壤电阻率低、场地宽阔且地形较平坦的极址。垂直型电极底端埋深一般为数十米，少数达到数百米。

3.星型电极

星型电极一般有三个以上的分支臂，由于这些分臂可以延伸到各种类型的土壤分层中，能够充分利用极址的低电阻率区，因此可获得较小的接地电阻；但星型电极的分支数也不宜过多，这是因为随着电极分支数的增加，电流不均系数k 值会进一步增加，但接地电阻只是逐步降至某一定值。所以，其分支数一般以不超过6 个为宜。星型电极和水平直线电极一样（实际上水平直线电极是一个分支数为2 的星形电极），电流沿极体分布是很不均匀的，为了克服电极端部的溢流密度高出平均值数倍的缺点，也可在其分支端部加装一个大小合适的屏蔽环—圆弧状屏蔽电极。模拟分析表明，加装屏蔽环后的星型电极，电流分布特性得到了明显的改善，从而大大改善了接地极的运行特性。需指出的是，由于分臂之间的屏蔽作用较大，有效利用系数较小，因此除丘陵地区或者土壤电阻率变化较大极址外，一般情况下，在实际中星型电极并不常用。

4.圆环型电极一般为同心布置，这样可以达到同一圆环上溢流密度处处相等。圆环的数量应根据技术经济比较后择优选择。一般讲，如果土壤电阻率较高，入地电流大且时间长，则采用双环或多环电极，否则可采用单环电极。应该指出，过多地增加圆环数量是不经济的，通常不要超过三个圆环。

从广义上讲，只要极址条件允许，并且能够满足系统运行的技术要求，采用任何形式布置的接地极都是可以的。但从上述分析结果看，不同形状的电极，其运行特性有着很大的差别。换言之，在满足相同的系统运行条件下，选择不同形状的电极对工程造价会产生重大的影响。因此，在选择或确定电极形状时应遵循以下基本原则。

（三）共用接地极方案设想

接地极在直流输电系统中的主要作用是作为直流电流的回路、限制中性点电位以及流过两极不平衡电流。由于单极运行时大地作为直流回路损耗低、干扰小，因此我国目前所建设的直流工程，均是一站一极形式，在单极先投产或单极检修的情况下，均把大地回线作为一主要的运行方式。由于单极运行时间一般为几个月，时间较短，所以接地极利用率并不高；另外，在换流站密集的地方，若每个换流站都建设自己的接地极，则存在重复建设、资源浪费现象。

共用接地极的设计思路涉及到换流站和直流输电线路的运行方式、接地极的电流容量选择以及电极形式设计等众多问题，近年来，国内围绕这方面也开展了大量的研究工作，以期解决选址难、提高极址利用率等问题。

三、电极埋设深度优化

一般来讲，电极埋深在设计过程中是一个矛盾体。不同的电极埋深反映出的地面最大跨步电压、土壤参数的设计取值以及施工土方开挖量是不同的。从控制地面最大跨步电压的角度讲，电极埋深越深越好；但随着深度增加，土方开挖量将随之增加，对地面环境的破坏也将越严重。所以合理确定电极埋深是一个极其重要的问题。下面通过实例模型来分析水平接地极的埋深控制问题。

四、接地极对环境的影响

在直流系统单极大地回线运行方式下，直流电流从整流器高压端流出，通过直流线路送到逆变器，然后从逆变器高压端到中性端，再经大地回到整流器中性端，构成了直流系统的输电回路。当强大的直流电流经接地极注入大地时，在极址土壤中将形成一个恒定的直流电流场。此时，如果附近有变压器中性点接地的变电站、地下金属管道等金属构件，由于这些设施可能给地电流提供比大地土壤更为良好的导电通道，因此一部分电流将沿着并通过这些设施流向远方，可能给这些设施带来不良影响。

接地极地电流可能使埋在极址附近的金属构件产生电腐蚀，这是由于这些金属设施为地电流传导提供了比周围土壤导电能力更强的导电特性致使在构件的一部分段汇集地中电流又在构件的另一部分段将电流释放到土壤中去的结果。

五、总结

特高压直流输电在远距离、超大容量输电中占有极其重要的位置。但是直流输电线路在系统调试或发生故障情况下会处于单极大地回路运行方式这时将有非常大的电流从直流接地极流入大地，该电流使附近大地形成较大的电位差将对交流系统、地下金属构件等产生不利影响，按照接地极的设计原则对不同的接地极形式进行分析，得到工程中最佳接地特性的接地极形式对电力系统的安全运行具有重要的意义。