高压直流输电工程共用接地极运行风险及防范措施工程应用

刘茂涛，严海健，徐攀腾，朱 博，李果明，龙建华

（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州 510663）

引言

接地极是直流输电工程的重要组成部分[1]，当直流系统单极大地回线运行时，接地极为运行电流提供通路。随着我国高压直流输电工程建设的快速发展，换流站接地极选择困难的问题越来越突出，采用共用接地极，减少占地、节约投资，经济效益和社会效益明显，在国内已有广泛的工程应用[2]。共用接地极的多回直流输电系统既相互独立又相互影响，一回直流输电系统的入地电流，可能造成另一回直流输电系统保护动作跳闸或设备损坏，极端情况下还可能对人身安全造成威胁[3]。因此，必须采取措施加以防范。

1 共用接地极分流回路原理分析

1.1 共用接地极分流回路原理分析

多回直流共用接地极时，虽然通过接地极电气上互相有连接，但是各回直流独立运行，互不影响[4]。当直流处于双极平衡运行或单极金属回线时，接地极不流过入地电流，因此不会通过接地极对另一回直流产生影响；当直流处于单极大地回线时，接地极虽然有电流流过，但是在另一回直流没有通路，因此也不会通过共用接地极分流至另一回直流[5]。

然而，若由于某些特殊原因或特定方式，一回直流单极大地回线运行（为方便描述称为直流系统A），另一回直流（为方便描述称为直流系统B）换流站内存在两个接地点时，如接地极线路刀闸00500 和高速接地开关0040 同时合上，接地极和站内接地网同时接入系统，此时共用接地极、接地极线路、站内接地网将形成分流回路，直流系统A 的电流将有一部分流入直流系统B，见图1。

图1 分流等效电路

根据欧姆定律及基尔霍夫定律，IA=IE+IB 且IE*R1=IB*(RL+R2)，计算可得：

式中：IA 为直流系统A 单极大地运行电流；IB 为直流系统B 分流电流；R1 为共用接地极电阻；RL 为直流系统B 接地极线路电阻；R2 为直流系统B 站内接地网电阻。目前，南方电网在运的共有三个共用接地极，均是逆变站共用，根据式（1）及各回直流接地极、直流线路、站内接地网电阻，可计算得出各回直流单极大地满燮荷运行时另一回直流分流值见表1。

表1 系统A 单极大地满燮荷运行系统B 分流情况表

1.2 形成分流回路的情况分析

1.2.1 单极金属与单极大地方式转换

在单极金属转单极大地时，逆变站合上接地极线路隔离刀闸00500 后、断开高速接地开关0040 前；单极大地转单极金属时，逆变站合上高速接地开关0040后、拉开接地极线路隔离刀闸00500 前，接地极和站内接地网同时接入，逆变站形成两个接地点，为分流回路提供条件[6]。

1.2.2 接地极开路保护动作合上高速接地开关

在直流系统双极运行或单极大地运行时，接地极及接地极线路接入系统，为防止接地极线路断线导致系统失去接地点，进而造成站内中性母线过压，通常配置有接地极开路保护59EL，59EL 动作均会合上0040[7]。除非燮制保护系统测量故障或保护误动，此时应及时开展对应检查，及时明确排查并解除故障，必要时申请直流停运。

1.2.3 接地极线路检修

当直流系统B 接地极线路需要检修时，需将接地极线路隔离（拉开00500），对应的直流系统B 的状态为双极停运或单极金属回线运行。若直流系统A 单极大地运行，将有直流电流流过接地极线路，此时将直接威胁在接地极线路上检修人员的人身安全[8]。

2 共用接地极分流风险分析

2.1 共用接地极对燮制保护系统风险分析

查阅各直流工程设计规范相关研究表明共用接地极对闭环和开环燮制均无影响[9]，本节重点分析对保护系统的影响。

由上文分析可知，共用接地极产生的分流电流主要反应在Idee1、Idee2 和IdSG，因此本节讨论也是基于判据中采集上述3 个电流的相关保护，主要有接地网过流保护76SG、接地极不平衡保护60EL、接地极过流保护76EL、接地极母线差动保护87EB。其中，分流电流平均流过两条接地极线路，Idee1、Idee2 电流相等，因此60EL 不会动作；分流电流远小于76EL 保护定值，因此76EL 也不会动作。87EB 动作判据还需结合刀闸位置进行判断，也不会动作。因此，受影响的主要是76SG 保护，各回直流76SG 保护定值见表2。

表2 各回直流76SG 保护定值

2.2 对设备安全运行的影响分析

接地极线路刀闸00500 为隔离刀闸，不具备电流分断能力。高速接地开关0040 结构上没有灭弧燮，也不具备电流分断能力[10]。根据设备技术规范，00500 和0040 具备一定的电流转移能力，应具有将双极运行时不平衡电流转移到接地极的能力，一般情况下，换流站双极不平衡电流按照小于额定电流的1%设计。

2.3 对人身安全的影响分析

独立接地极的直流输电系统，接地极线路检修时安措为拉开站内接地极线路隔离刀闸00500、合上接地极线路地刀0050017，但是对于共用接地极的直流输电系统，该安措不足，还需拉开共用接地极侧刀闸（如00602），彻底断开接地极线路与接地极之间的电气联系。若直流系统A 单极大地运行，将有直流电流流过接地极线路，直接威胁在接地极线路上检修人员的人身安全[11]。

3 共用接地极风险防范措施

3.1 优化运行方式和倒闸操作方式

当共用接地极直流系统A 为单极大地运行时，不应进行直流系统B 单极金属和单极大地的互相转换。若因特殊原因一定要进行转换，应尽快采取措施消除直流系统A 的入地电流，如将运行中的单极闭锁或将其转金属回线运行或恢复双极平衡运行，待消除入地电流后再进行直流系统B 的转换操作。

3.2 优化接地方式，避免形成分流回路

直流输电系统正常运行或者方式转换过程中，需确保始终有可靠的接地点，双极及单极大地运行时接地点为接地极，单极金属回线运行时接地点为逆变站站内接地网，在单极金属与单极大地转换过程中，部分时间逆变站两个接地点同时存在。鉴于转换过程中，两个接地点同时存在，有分流的风险，因此可考虑接地点不进行切换，单极金属回线运行时逆变站仍采用接地极接地。

3.3 配置直流断路器，切断分流电流

由2.2 节分析可知，共用接地极分流电流可能损坏00500 设备，或者导致0040 断开失败，根本原因是该设备不具备开断直流电流的能力。因此，可参考换流站中性母线开关HSNBS、金属回线转换开关MRTB（MRS），配备专门的振荡回路和吸能避雷器，将高速接地开关改造为具有直流电流切换能力的开关，同时在接地极线路及站内中性母线之间增加配置高速开关（与00500 串联）。

3.4 加装限流电阻，减小分流电流

根据式（1）可增大分母，即在高速接地开关刀闸00401 两侧加装并联限流电阻，通过与00401 刀闸的配合操作，实现并联电阻的接入和退出，见图2 及图3，最终降低分流电流。按照将分流电流限制在10A 来燮制，根据式（1）及各回直流相关电阻参数，可计算出兴安、楚穗、高肇、普侨、牛从直流分别需加装的电阻为69Ω、68Ω、69Ω、65Ω、74Ω。

图2 限流电阻接入示意图

图3 限流电阻退出示意图

4 共用接地极改造工程应用

南方电网公司各直流工程逆变侧站前期采用3.1节方案一优化运行方式和操作方式管理型防范措施。

2020 年4 月至2021 年4 月，南方电网公司牛从、普侨、禄高肇、兴安、新东、楚穗直流工程陆续完成共用接地极加装限流电阻改造项目施工，实际工程应用如图4 所示。

图4 高压直流工程加装限流电阻实际应用

各直流工程加装限流电阻改造项目完成后进行现场调试，调试项目包括直流系统A 单极大地回线方式下进行直流系统B 的单极大地与单极金属回线方式转换，相关直流保护均未动作，试验结果均符合设计要求。

5 结论

本文结合南方电网在运的直流输电工程，从理论上分析共用接地极分流回路的原理，并定量计算了满燮荷情况下共用接地极各回直流分流电流的大小，分别分析对燮制保护、设备运行、人身安全存在的风险，并从倒闸操作、设备配置、系统设计方面，提出在运工程、新改建工程风险防范措施并得以实际工程应用。各项防范措施有利于保证电网、设备、人身的安全，对后续共用接地极直流工程的系统设计和设备运维具有重大的借鉴意义。