特高压直流输电深井型接地极结构分析

冯月

（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

接地极是直流输电工程中非常重要的组成部分。随着直流工程数量的逐年增多，直流接地极极址的选择更为困难，尤其是土地资源紧张的经济发达地区，要找到远离其他电力、通讯和重要地下金属设施而且宽阔而又导电性能良好的大地散流区域，越来越不容易。与传统浅埋型直流接地极相比，深井型接地极占用土地面积小，适用于极址场地受限制或者对地面设施干扰严重的情况下。上千安培的直流电流长时间通过接地极注入大地，会导致极址土壤发热，极址大地电位升高，甚至在地面上产生危害性的电压。大地电位升高可能对极址附近地下金属管道、铠装电缆和接地电气设施（如电力系统、通讯系统）的安全运行造成不利影响。深井型接地极可以将入地电流直接导入地层深处，显著降低入地电流在地表引起的跨步电压、地表电位和最大溢流密度，对环境影响小。

一般将接地极长度在100m 以下的接地极称为垂直接地极，将长度在100m 以上的接地极才称为深井接地极。

一、接地极相关数值计算方法的研究现状

随着电子计算机技术的快速发展，数值计算方法大量地使用到接地系统的分析研究中，能够比较全面的考虑接地极的实际大小，土壤的实际分层模型以及接地极周围地表电位、溢散电流分布的不均匀性，从而较准确的计算接地极的发热特性。

（一）矩量法

国外学者R.F.Harrington 在1968 年，发表了矩量法的经典著作，系统分析了细导体结构的电磁场计算问题，认为在细导体内只有沿轴向方向的电流。基于R.F.Harrington 有关于矩量法的的理论基础，从20 世纪70 年代开始，不断有学者提出相关的改进计算方法。T.N.Giao 和M.P.Sarma 首次在接地参数的计算中提出了把电极分段的概念。随后，文献分别提出了求和法（将微段作为点源）和积分法（将微段作为线源）来计算地中任意一点的电位和电阻系数。1979 年，Heppe 在文中详细地推导了各线性导体段的自电阻和互电阻的计算公式，有利于我们采用计算机编写程序。其后，有一系列有关矩量法改进和相关接地计算的论文发表。在我国，21 世纪初期，清华大学将矩量法与边界元法相结合对高压直流接地极铺设碳床后的温度分布进行了研究分析。矩量法在土壤介质的非线性特性上有难以逾越的障碍。另外，随着接地系统规模的不断扩大，该方法的计算效率较低。

（二）镜像法

1848 年，W.汤姆逊最先提出了用于计算一定形状导体面附近的电荷所产生的静电场，叫作电像法；后来发展到可以计算某些稳定电磁场，现在称作镜像法。具体到接地极的电流场计算问题时，把实际上非均匀介质（空气，不同电阻率的土壤）看成是均匀的，对于所研究的场域，用闭合边界外虚设的接地电流源来代替复杂的边界效应。根据唯一性原理，只要虚设的接地极电流源与实际接地电流源在边界上迭加产生的电场能满足给定的边界条件，就能得到正确的结果。浙江大学1994 年在文献中，利用镜像法在单层土壤和双层土壤模型下，进行了三圆环直流输电接地极的电流场分布特性研究。J.E.T.Villas 和C.M.Portela 在文献中，采用镜像法计算了双层土壤模型时，接地极分别埋设在第一层土壤和第二层土壤时的地表电位分布。

镜像法常常很简便的得到场的解析解，但只在处理两层土壤大地模型时有较高的实用性，在处理三层及以上大地模型时，镜像法的计算效率在工程上将难以接受，而且只有边界面的几何形状很简单的情形才可能成功的设置镜像，固不是普通使用的方法。

（三）边界元法

边界元法以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界分元插值离散，化为代数方程组求解，降低了问题的维数，从而显著降低了自由度数，边界的离散也方便得多，可用较简单的单元准确地模拟边界形状，最终得到阶数较低的线性代数方程组。1983 年，陈慈萱教授分别用边界元零次插值法和边界元一次插值法计算各边界元的泄漏电流分布。文献将边界积分变换法引入接地计算，该方法是利用拉普拉斯方程及其边界条件，使用带权ω 积分意义下的平均逼近来计算接地体参数。此方法对于计算介质分布较复杂的土壤中接地极的性能参数比较简便。随后，文献研究了基于边界元法在三层土壤中计算接地参数的程序。由于利用边界元法在不同土壤层的分界面上需要引入大量电荷变量，导致该方法计算量较大。

（四）有限元法

有限元法的基本思想是将一个复杂的连续介质的求解区域分解为有限个形状简单的子区域，形成原区域的等效离散区域，从而把求解连续体的场变量问题简化为求解有限个单元节点上的场变量问题，而后应用伽辽金法或传统的变分法将求解描述真实连续场变量的微分方程组简化为求解代数方程组，得到近似的数值解。用有限元法分析接地体的接地性能是可以方便地考虑土壤结构、土壤电阻率、接地极的埋深和注入电流等各种因素的影响。文献都采用了有限元法分析了接地极的接地特性。特别是文献采用三维有限元法计算了直线型直流接地极端部区域的电流密度，并提出了解决端部散流密度过分集中等问题的措施，为工程设计提供了一定的参考。

二、深并接地极仿真模型建立

依托通用有限元分析软件ANSYS 来建立深井接地极电流场和温度场合计算的仿真模型。有限元法W场的形式进行计算，选用具有中节点的高阶单元可对接地极与区域边界进行精确模拟，也可减小离散化±壤时带来的计算误差。参照有限元分析的一般流程，采巧ANSYS 计算深井接地极的温升按W下H个步骤进行：

1.前处理：包括建立深井接地极几何模型，定义馈电棒、焦炭、止壤等材料属性，选择单元类型，网格划分、离散化导体与±壤区域等内容；

2.加载与求解：包括指定分析类型（智态或稳态计算），加载注入电流和边界条件，（对智态分析）设置求解时间与步长，设置求解选项等内容；

3.后处理：主要包括结果查看与导出等操作，如提取馈电椿的溢流密度和温度分布、截取接地极温度分布云图、获得热点区域的温升曲线等。

深井接地极几何模型中，电极与止壤区域边界尺寸相差悬殊，馈电椿自身径向与轴向的尺寸也相差悬殊——模型结构上的特殊性极大提升了剖分难度，对网格的要求也较高。若单纯减小单元边尺寸，单元量剧增可能使计算效率低下。为减小运算量，在建模时应尽可能利用模型的对称性：对于单根深井接地极，可仅建立二维轴对称模型，将三维问题简化为二维问题；对于子电极对称分布的由多根电极并联组成的深井接地极，也可对其最小重复区域建模。例如，针对一个H根电极呈正王角形布置的深井接地极，根据其在圆周方向上的对称性，在各向均匀的±壤中，其电流场和温度场理论上是对称分布的，因此可仅对其整体模型的六分之一建模。

三、不同因素改变对垂直形接地极散流性能的影响分析

（一）接地极长度

接地极长度关乎深井接地极的导流性能，为了满足工程中对接地极溢流密度的要求，当接地极处于故障或者检修时，有上千安的入地电流通过接地极流入大地，接地极的长度不能太短，否则会导致最大温升及接地参数不符合工程的安全规定，同时一味的增加接地极长度会导致资源的浪费，工程费用的增加，所以通过分析计算选择合适的接地极长度具有重要的意义。

接地极的接地电阻、跨步电压及最大溢流密度均是随着接地极的长度增加而不断减小，溢流密度降低的程度非常明显，接地电阻和跨步电压都较小，避免了为满足跨步电压的要求而需要较大极址场地的征地问题。

（二）接地极埋深

有的地区表层土壤电阻率太大，采用增加接地极的埋深，使接地极位于电阻率低的土壤中，同时可以将接地极的入地电流导入深层土壤，降低对地表电位和跨步电压的影响。

（三）焦炭截面

馈电棒长期在土壤中会存在热腐蚀和电腐蚀的问题，焦炭作为一个普遍的填充材料，敷设在馈电棒周围，其相比于周围土壤的高电阻率可以有效降低接地极的溢流密度，不仅可以加快散热，还也对可以降低馈电棒被腐蚀的速率。

四、接地极布置型式对接地特性影响分析

（一）注入点位置对温升的影响

如果只采用一个注入点时，上千安培的电流通过顶端流入接地极，会导致端部的电流密度过大，所以通过适当增加注入点个数，来减小接地极的端部效应。

（二）分段数目对温升的影响

对于直线型接地极，由于电极的端部电流太过于集中造成端点处腐蚀量加快，采用分段处理的方式不仅可以减小端部电流过于集中问题，并且在工程实际中，更加便于接地极的运输、维护、检测，提高了接地的稳定性。

总体来说，采用分段处理的深井型接地极，不仅可以便于运输，并且温升可以有效的降低，同时随着分段数目的增加，会导致馈电电缆的长度增加，综合考虑建议工程中采用两段分段处理。

（三）分段数目长度

结合上一节的分析可以得出，通过增加馈电棒的分段数目可以减小接地极的最温升，不过分段的长度应该尽可能的大，这是由于通过分段减小端部电流的堆积，使得电流的分布更加的均匀，接地极的电流密度减小。在工程中，建议将接地极分为两段处理，两段的长度尽可能的长，对工程实际有一定的指导意义。

（四）接地极并联根数

目前已经投运的直流接地极采用三根并联运行，通过增加接地极并联根数，可以看出接地特性有明显的改变，接地电阻、跨步电压、电流密度等电气特性都有一个明显的降低，随着越来越多的直流输电工程的落地，共用接地极方案可以有效的减少资源浪费。

五、特高压直流输电系统接地极电流的影响

（一）对变压器的影响

当变压器绕组中有直流电流流过时由于直流电流的偏磁影响可能使得励磁电流工作在铁芯磁化曲线的饱和区导致励磁电流的正半波出现尖顶负半波可能是正弦波。

噪音增大。当变压器线圈中有直流电流流过时励磁电流会明显增大。对于单相变压器当直流电流达到额定励磁电流时噪音增大若达到倍的额定励磁电流噪音增大。此外变压器中增加了谐波成分会使变压器噪音频率发生变化可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音增大。

（二）对地下金属构件腐蚀

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。

六、结论

分析了深井接地极地极电阻、跨步电位差和溢流密度受入地电流、接地极埋深、焦炭直径及接地极根数的影响，接地电阻随埋深的增加略有增大，随焦炭直径和接地根数的增加呈减小趋势;接地极的溢流密度随焦炭直径和接地极根数的增加显著减小。引起变压器中性点直流电流偏高形成变压器的直流偏磁导致其噪音增大、电压波峰变平、损耗增加、铁芯拉板的温度升高。