陈安村接地极近区地电位及电网偏磁电流计算

2022-08-09胡锦根陈文强魏华兵朱贵池

浙江电力 2022年7期

胡锦根，陈文强，魏华兵，朱贵池，姚晖

（国网浙江省电力有限公司超高压分公司，杭州 311121）

0 引言

±800 kV UHVDC（特高压直流输电）系统在单极大地方式运行时，接地极的额定入地电流可达到5 000 A 或6 250 A，由于接地极的入地电流大且接地极近区的电网相对密集，多数UHVDC工程的建设都需考虑变压器的偏磁治理［1］。在溪洛渡—浙西（以下简称“溪浙”）UHVDC 工程建设中，由于大量采用电容隔离装置治理金丝接地极的直流偏磁，造成一些被治理厂站的偏磁电流转移，导致治理规模扩大［2］。目前，白鹤滩—浙北UHVDC 工程已开工建设，需要研究如何治理该工程接地极的偏磁影响。

大地电阻率决定地表电位分布，是导致接地极近区交流厂站变压器偏磁的根本原因，在大地电阻率建模中采用的大地数据是准确评估变压器偏磁风险的关键。工程采用的模型包括均一模型［3］、分层模型［4］和基于MT（电磁测深）数据的三维模型［5］，其中：均一模型过于理想化，已经很少使用；分层模型将大地电性结构进行分层等效，建模过程相对简单，计算量小，使用最多，但计算值与实测结果的误差较大；三维模型相对准确，但对接地极地电流影响范围MT 数据的精度要求高。文献［6-7］所用模型是普通接地仿真中小区域土壤模型的等效，没有证据表明可代表大范围的地质情况，有关规程规定设计中需测量地下20 km的大地电阻率［8-9］，但实际中通常仅测量接地极极址中心的大地电阻率，按接地极初步设计的MT数据测量范围及深度，建立地下20 km 的大地模型计算厂站地电位和电网偏磁电流，计算值与实测值误差很大。

为准确计算接地极电流的地电位，本文收集大量的大地MT 历史数据，利用所获的浅层和深层MT 数据，通过延拓接地极周边MT 剖面图，建立以陈安村接地极为中心，半径150 km、深300 km 的三维大地模型，计算接地极周边厂站的地电位和电网的偏磁电流，旨在为陈安村接地极近区厂站地电位计算和陈安村接地极的偏磁治理方案提供准确、有效的数据支撑。

1 接地极近区大地模型

1.1 大尺度电阻率数据

根据文献［10］深部探测计划项目的MT 数据和文献［11-12］长江中下游找矿的MT数据，归纳整理浙江省各地区和上海、安徽相关地区的深层大地电阻率，见表1。文献［10］的MT测点经纬度为4°×4°，测试深度达350 km。文献［11-12］的长江中下游MT 为浙江南部和西部建模提供数据。由于测深点的尺度和测试的深浅不同，仅根据表1数据建模会产生计算误差，还需要收集更多的数据与资料，对表1电阻率数据进行补充和处理。

1.2 大地数据补充与处理

浙江西部位于郯庐断裂东侧，郯庐断裂以东的长江中下游地区相对呈高阻特征［10］。浙江西北和东南地质构造的发展演化史与浙西不同，地质构造的差异导致大地电性的差异［13-15］。陈安村接地极距太湖较近，湖州市和湖州—嘉善东西向断裂、长兴—奉化北西向断裂和学川—湖州东北深断裂构造岩层富含裂隙水［16-18］。利用这些影响因素对表1数据进行补充和处理，得到建立大地构造模型的数据，其中：距陈安村接地极110 km 的杭州湾水深100 m，取海水电阻率为1 Ω·m；距陈安村接地极60 km的太湖平均深度2 m，取太湖水电阻率为10 Ω·m。

表1 浙江省各地区和上海、安徽相关地区大地电阻率数据

1.3 大地模型建立方法

根据表1 和文献［13-18］数据，建立以陈安村接地极为中心，半径150 km 范围的分区块大地模型，三维大地模型示意图和建立的坐标系如图1所示，以地理方位的正南方向为X轴、正东方向为Y轴、垂直大地方向为Z轴建立三维模型，图1中标注粗黑线区域为1 个区块第1 层电阻率数据模型，基于电阻率的接地极影响范围的多层多区块数据，构成整个接地极影响范围的大地模型。根据大量MT 数据建立的大地模型，比均一模型和一维分层大地模型更符合实际。

图1 接地极近区大地三维模型

2 地电位计算与结果验证

2.1 算法和计算结果

用ANSYS软件对建立的大地模型进行网格划分，将大地模型横向水平分为100层，每层划分为100×100 水平网格，如图2 所示。然后以接地极注入大地电流为激励，应用ANSYS软件计算接地极入地电流、在极址周边形成的地电位分布和各厂站地电位。

图2 陈安村极址大地模型网格划分

单级大地方式下，陈安村接地极额定入地电流为5 000 A，应用ANSYS 软件计算得到距接地极150 km 范围内，220 kV 及以上电压等级124 个厂站的地电位。表2 给出10 个厂站地电位计算结果，极址近区地电位分布云图如图3 所示，其中，极址中心的地电位最大值为50.609 7 V。

表2 陈安村极址近区220～1 000 kV厂站地电位

图3 极址近区地电位分布计算结果

2.2 计算结果的误差分析

在2014 年溪浙直流工程调试期间，对金丝接地极的偏磁影响进行过实测。根据国网浙江省电力有限公司电力科学研究院提供的500 A地电流工况下浙江电网220 kV和500 kV厂站变压器中性点电流的实测数据，采用文献［10-18］数据建立金丝接地极大地模型，计算2014 年浙江电网各厂站的地电位，再建立2014年浙江电网的偏磁电流模型，计算流过主变压器中性点的偏磁电流，将计算结果与实测结果比较，证明算法的有效性和大地模型的准确性。金丝接地极影响的厂站数量比较多，表3 给出6 座500 kV 厂站和4 座220 kV 厂站实测值和计算值。

表3 500 A工况下变压器偏磁电流实测值与计算值比较

从表3的比较结果可见，中性点电流的计算值与实测值存在一定误差，距接地极较近站点的误差相对较大。造成误差的原因有：一是目前能收集到的可用大地电阻率数据资料较少，所建立的大地模型仍然不够精细；二是离接地极越近，地电位变化梯度越大，而且大地的电性及其构造极其复杂，基于收集到的MT数据建立的大地模型，还不能精细反映地电位的特征。

计算电网偏磁电流，主要是为直流调试阶段的电网偏磁电流的实测选点和直流工程建设阶段的偏磁治理提供数据支撑。表3 的计算结果表明，虽然计算值与实测值存在一定的误差，但计算确认的超标站点数量和治理站点数量是准确的，证明大量MT 数据的收集和对大地模型数据的处理是有效的，与均一模型和分层模型相比，三维模型的精度更高。

在溪浙直流工程的建设中，按变压器中性点偏磁电流的规定限值，对超标厂站变压器进行偏磁治理，溪浙直流的额定电流为5 000 A，将表3厂站变压器的偏磁电流折算到额定值，表3厂站的变压器都进行了偏磁治理。溪浙直流工程金丝接地极偏磁治理的站点较多，其原因是浙西大地电阻率较大［10］。

3 浙北电网偏磁电流计算

根据计算的厂站地电位，建立电网偏磁电流模型，计算偏磁电流并提出治理方案。

3.1 电网偏磁电流算法

根据浙江220 kV 及以上电压等级电网接线［19］和计算获得的124 个厂站地电位数据，按照文献［19］中关于GIC（地磁感应电流）建模的标准，建立距陈安村接地极150 km 内电网的直流模型，采用文献［20］方法可计算接地极近区电网各座厂站变压器中性点的偏磁电流水平。

3.2 浙北电网偏磁电流

截至2020年6月，浙江电网有3座1 000 kV变电站、56座500 kV变电站和近400座220 kV变电站。在距陈安村接地极半径150 km 范围内，有1 000 kV 安吉站、27 座500 kV 厂站和近150 座220k V 厂站。根据这150 座厂站相连线路、变压器电阻和厂站接地电阻等数据，按照文献［19］的GIC 算例模型，建立陈安村接地极影响的电网偏磁电流模型。表4 给出量值较大的10 个厂站变压器中性点偏磁电流计算结果。按UHVDC 建设中性点电流不超18 A 的标准，这些厂站主变压器的偏磁电流均超标。

表4 5 000 A工况极址近区部分厂站偏磁电流计算结果

4 陈安村接地极偏磁治理建议

浙北经济相对发达，浙北电网的500 kV 厂站数量较多，500 kV 线路的长度相对较短，因此在陈安村接地极5 000 A地电流工况下，浙北电网受影响的厂站数量相对较少。本文的计算结果表明，表3 的10 座厂站变压器的偏磁电流超标，需要进行接地极偏磁治理。

2014 年，在±800 kV 溪浙直流工程建设中，大量采用电容型隔直装置治理变压器中性点偏磁电流，造成治理厂站变压器偏磁电流转移，治理的厂站数量增多。另外，文献［19］的研究结果表明，采用电容型隔直装置治理接地极的偏磁电流，会使电网一些厂站变压器中性点的GIC 增大，例如：在1989 年3 月13 日地磁暴的GMD（地磁扰动）作用下，500 kV宁海站变压器中性点GIC的最大值从32.31 A 增大到103.1 A；在2004 年11 月9日和2017 年9 月7 日地磁暴的GMD 作用下，500 kV宁海站变压器中性点GIC的最大值从10 A增大到90 A［19］。

为防止偏磁治理造成的电网偏磁电流大范围转移，以及综合考虑电网GIC变压器偏磁的治理，借鉴文献［21］基于小电阻均摊电网GIC 偏磁电流的优化方法，提出综合治理陈安村接地极和地磁暴偏磁的方案。另外，针对不锈钢电阻片治理装置耐受电流能力不高、经常损坏，以及治理装置的保护单独配置、运维管理不便等问题，提出使用基于无感绕线电阻的偏磁治理装置，并将治理装置的保护纳入厂站自动化系统的解决方案。