特高压接地极线路基础保护技术研究

彭福先，张 玮，韩梦梦

（1.国网江西省电力有限公司超高压分公司，江西 南昌 330096；2.南昌工程学院，江西 南昌 330096）

0 引言

目前，特高压直流输电系统具有输送功率大、距离长、损耗小、占地较少等突出优势，因此，特高压直流输电已成为大型风电、火电、水电送出的重要途径，有利于满足地区间能源外送需求，支撑经济快速发展具有重要战略意义[1]。±800 kV 特高压直流输电系统主要由送端换流站、送端接地极线路、送端极址、直流输电线路、受端换流站、受端接地极线路、受端极址等组成。以雅中—江西±800 kV 特高压直流输电工程为例，在双极对称运行时，接地极线路流过极址的不平衡电流不超过10 A，电压不超过35 kV；而系统故障单极运行时，接地极线路流过极址电流多达5000 A，电压不超过35 kV。由于极址需要承受大电流，考虑运行需要，故极址选择需满足以下几个条件：1）极址的土壤导电性能良好；2）需与换流站保持一定的距离；3）极址土壤应含有丰富的水份和较好的导热性，含盐量低、酸碱度趋于中性，满足接地极在长期运行时热稳定的要求，以及减少对极体的腐蚀。根据极址选择可得知，极址一般位于低洼有水的区域，土壤电阻率较低处。由于杂散电流腐蚀和土壤电阻率低，接地极线路2 km范围内杆塔、基础的腐蚀性就越强，故在靠近极址2 km 范围内基础需做绝缘防腐或者阴极保护[2-4]。考虑到接地极线路按照5 年一遇洪水设计，2 km 范围内基础会有水淹情况，为满足杆塔使用年限满足要求，需考虑对铁塔的阴极保护。

1 基础杆塔电腐蚀原理

接地极线路是在特高压直流输电系统中连接换流站直流电压中性点与接地极之间的架空绝缘线路。换流站在双极对称运行时，接地极线路中只会通过不平衡电流，但是当特高压直流输电系统发生故障，在单极带电运行方式下，接地极线路上流过的电流等于输送功率/输送电压。该电流通过极址双圆环导流电缆向四周发散，会在极址附近区域形成跨步电压，使潮湿土壤导电，从而加快极址附近埋地金属构件的电腐蚀[5-6]。

电腐蚀出现的主要原因是埋地金属构件的电导率比周围土壤的电导率更小，使得电流更容易通过金属构件[7]。由于埋地金属构件的这种集流效应，会使得金属构件电荷密度较大，一部分电荷会从金属构件流到周围土壤溶液中，在这个过程中，金属会失去电子变成离子融入到土壤中，这就形成了金属构件的电腐蚀。

由于靠近极址范围内不平衡电流和单极回路大电流的影响，同杆塔之间、不同杆塔之间会存在电流回路，从而加快对基础、杆塔、接地的电腐蚀。存在回路主要有以下几种：1）同一杆号基础之间通过杆塔形成的回路；2）同一杆号接地线之间通过杆塔形成的回路；3）不同杆号杆塔基础之间通过接地光缆形成回路；4）不同杆号杆塔接地通过接地极光缆形成的回路。

2 直流接地极线路基础绝缘保护

2.1 基础绝缘保护原理

绝缘基础保护原理主要基于防止电流形成回路，进而降低对基础、杆塔、接地造成的电腐蚀。具体保护措施如下：

1）极址2 km范围内同一基础存在跨步电压，会使基础通过铁塔形成回路，进而使铁塔、基础受到腐蚀，故将基础对地绝缘、铁塔对基础绝缘和单点接地，防止基础通过铁塔形成回路；

2）在极址5 km范围内，同一杆号杆塔会通过接地形成回路，为了避免对接地和杆塔造成的电腐蚀，极址5 km范围内铁塔采取单点接地的措施；

3）由于极址不平衡电流一直存在，为防止10 km范围内不同杆号基础、杆塔通过光缆形成回路，进而对基础和杆塔受到腐蚀，故需将电缆对杆塔绝缘。

2.2 绝缘基础施工工艺

为防止极址入地电流对铁塔和基础的电腐蚀，对靠近接地极约2 km以内的杆塔，基础对地、杆塔对基础应绝缘防腐处理[8]。

基础对地的绝缘防腐工艺：

1）采取绝缘措施处理的基础均须做C15素混凝土垫层，待垫层达到50%强度后，清理垫层表面；

2）在垫层上涂刷第一道双组份聚氨酯防水涂料，待风干后，涂刷第二道，共涂刷5道，每道厚度不低于40 um；

3）铺设第一层玻璃纤维布（厚度≥1.2 mm），涂抹环氧树脂，再铺设第二层玻璃纤维布，两层之间利用环氧树脂进行胶粘；

4）在玻璃纤维布上涂刷5道双组份聚氨酯防水涂料，铺设第一层防水卷材。在第一层防水卷材涂刷5道防水涂料之后，铺设第二层防水卷材，再次涂刷5道防水涂料；

5）经过以上各个工序后，开始绑扎钢筋，支护模板进行浇筑。待立柱混凝土强度达到50%后，拆模，反方向对立柱及柱面进行以上工序。基础底面施工工艺详见图1；

图1 基础底面防水绝缘截面图

6）待基础涂刷完成回填后，需对基础进行接地电阻测试，根据接地极线路施工验收规范要求，基础对地电阻需大于500 Ω。根据现场情况，电阻大概在2000 Ω 以上，需选择合适量程的设备进行测量。

杆塔对基础的防腐绝缘工艺：

1）组塔前，需提前安装玻璃钢垫板和玻璃钢套筒，再开始塔脚板安装。安装完塔脚板后，需安装玻璃钢垫片，拧紧双螺帽，开始组塔作业。通过玻璃钢垫板、玻璃钢套筒和玻璃钢垫片使地脚螺栓和铁塔自检绝缘；

2）待铁塔组立完成后，需对铁塔与基础地脚螺栓之间电阻进行测量，其阻值应大于500 Ω。验收合格后，需做环氧树脂保护帽密封[9-11]，详见图2绝缘基础安装示意图。

图2 绝缘基础安装示意图

3 直流接地线路基础阴极保护

3.1 基础阴极保护原理

阴极保护主要是指供给被保护金属足够多的游离电子，使其整个金属表面处于受保护的负电位，进而保护该金属表面的金属原子不易失去电子。埋地金属构件的阴极保护有以下两种方法：1）牺牲阳极法；2）外加电流源法。

基础阴极保护作用是防止对基础中钢筋、地脚螺栓的电化学腐蚀。由于野外外加电流源是很难实现的，故一般采用牺牲阳极法。牺牲阳极法是指在相同潮湿土壤环境中，利用电缆将活性强的金属和被保护金属构件相连接，活性强的金属失去电子转移到被保护金属构件上，使被保护金属构件表面游离大量的电子，从而不易失去自身电子变成离子游离在土壤溶液中。该方法一般用于土壤电阻率较低的环境下（土壤电阻率≤100 Ω/m）的金属构件。

3.2 基础阴极保护施工方法

为了防止极址入地电流对2 km 范围内的基础和接地装置造成破坏，故该范围内的基础和接地装置需进行阴极保护。

针对不同类型基础型式，阴极保护施工方法几乎近似相同。具体基础阴极保护施工方法如下：

1）在基础钢筋绑扎时，从基础ABCD 腿顶部钢筋引出接地扁钢至接地埋设深度（1 m），将水平接地体与ABCD 腿引出的接地扁钢焊接连接（如图3所示）；

图3 基础阴极保护平面布置图

2）牺牲阳极与被保护接地体之间采用电缆连接，埋设前，电缆与阳极钢芯需可靠的放热焊接，并浸泡水中至饱和，电缆长度也应留有一定裕量；

3）牺牲阳极水平接地体应等距离均匀布置，采用卧式开槽埋设，与水平接地体距离不小于500 mm，阳极顶部埋深距地面不小于1 m 或与水平接地体埋设在同一标高；

4）阳极电缆与水平接地体采用放热焊接，待测试桩电缆引入塔基或塔身后，方可进行回填。

测试桩施工方法（详见图4）：

图4 阴极保护剖面图

1）根据基础水淹情况，测试桩需在塔基中抬高或者布置塔身处。将水平接地体的一处电缆、锌合金连接电缆和参比电极引出电缆一起引出至塔基中或者塔身高处，进行回填或者固定。参比电极可提供参考零电位，减少土壤电流引起的电位偏移的作用；

2）根据设计方案及运行要求，测试桩采用混凝土浇筑或者固定塔身高处，方便后期检测，确保阴极保护正常运行；

3）待阴极保护施工完成一星期后，需进行保护电位测量，使用万用表测量参比电极和锌合金阳极电位，要求电位小于等于-0.85 V[12]。

4 基础保护方法对比分析

从以上绝缘基础、阴极保护原理分析以及相应施工方法的介绍，可知绝缘基础和阴极保护施工及运维主要优缺点，如表1所示。

表1 绝缘基础和阴极保护优缺点

5 结语

特高压直流接地极线路基础保护是一个技术含量较高的课题，通过该课题研究，可为极址附近的线路基础、杆塔、接地电腐蚀提供保护方案。文中通过对绝缘基础和阴极保护的原理分析、施工介绍和施工运行对比分析，为建设管理单位、运行单位根据工期要求、现场环境勘查等情况审查设计2 km范围内基础保护类型提供参考，也为运行单位掌握线路基础保护情况、大修技改等方面提供技术支撑。