直流接地极工程中外设计标准主要差异分析

王秋源，戚乐，夏泠风，陈晨，李媛媛，吴小东

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉 430071)

0 引言

接地极是高压直流换流站的重要组成部分，对于直流系统稳定安全运行至关重要。目前国内已具有较完备的设计规范、成熟的设计技术和工程经验。国内设计主要参照电力行业标准《高压直流输电大地返回系统设计技术规程》(DL/T 5224—2014)[1]、《高压直流接地极设计通用技术导则》(DL/T 437—2012)[2]，以及IEC/TS 62344—2013(Design of earth electrode stations for high-voltage direct current (HVDC) links-General guidelines)[3]。

欧美国家直流工程起步早，其接地极设计主要依据为美国电力研究院高压直流接地极技术研究状况(项目编号1467-1)报告EL2020《高压直流接地极设计》[4]，《高压直流接地极设计总则》(General Guidelines for the Design of Ground Electrodes for HVDC Links)(CIGRE 14.21 TF2—1998)[5]，《高压直流接地极设计通用导则》(CIGRE 675—2017)(General Guidelines for HVDC Electrode Design)[6]等。

我国直流工程技术随着“一带一路”倡议走出国门，关于接地极设计原则及方法，中外设计规范间差异已逐渐凸显，有必要对其主要差异进行梳理比对。

针对最大允许跨步电压，本文从人体接触电阻、感知电流、表层电阻率取值等方面进行了原理性分析；针对接地极温升计算，梳理了中外规范推荐方法的差异并给出分析；另外，针对国际工程业主较为关心的接地电阻问题进行了仿真论述，指出了接地电阻与其他设计指标间关系；并以巴基斯坦±660 kV默-拉直流工程、巴西美丽山二期±800 kV特高压直流工程、我国永仁-富宁±500 kV直流接工程及灵州-绍兴±800 kV直流工程的接地极设计方案为例，对中外接地极规范设计理念及原则的异同进行进一步说明。

1 最大允许跨步电压规范比对

1.1 人体感知电流

1.1.1 美国EL2020标准及CIGRE 675标准

有实验数据指出[7]，人手或手指感到轻微刺痛的电流平均水平为5.2 mA(直流)，建议直流电流限值考虑为5 mA，这也是美国EPRI 2020、CIGR-675及CIGRE WG14-21TF2给出的人体感知电流。

5.2 mA在CIGRE 675中被定义为“可接受”(perception)电流值，即人体可觉察的最小电流值。另外，CIGRE 675还提出了人体“摆脱电流”(let-go-current)为30 mA，即人体触电后能自主摆脱的最大电流，也即“安全电流”。此值用于计算接地极发生故障并短暂持续时间内的跨步电压最大允许值。

1.1.2 DL/T 5224及IEC 62344—2013

在我国向家坝-上海±800 kV特高压直流工程送端复龙换流站接地极(2010年投运)设计中，国家电网公司委托国网电力科学研究院、中国科学院电工所等科研单位就直流接地极的跨步电位差允许值进行了试验、统计分析及专题研究[1]，共获得960名中国人(自愿)试验数据。结果表明：超过 96%概率的样本人群感知直流电流值为5.327 mA，如果取小于95%的人群概率，感知直流电流为5.4 mA，考虑一定裕度，故我国行标DL/T 5224考虑人体感知直流电流取5.3 mA是合理的。

1.2 人体脚-脚电阻

1.2.1 美国EL 2020、CIGRE 675及CIGRE WG14-21

美国学者Dalziel曾针对23名志愿者进行开展“摆脱电流电压” (let-go currents and voltages)试验(1956年)，受试者双手潮湿、双脚站在盐水中，通电电流9 mA,双手间电压为21 V，手脚间电压为10.2 V[7]，即手-脚间电阻为1 130 Ω[8]。IEEE-80引用了此结论并将脚-脚间电阻认为与手-脚相同，取为1 130 Ω[9]。为保守起见，EL 2020及CIGRE 675、CIGRE WG14-21TF2均考虑人体电阻为1 000 Ω。

1.2.2 DL/T 5224及IEC 62344—2013

北京电力试验研究所对3人进行人体电阻测试，在不同触摸条件下的人体电阻值为1 230 Ω～7 800 Ω[10]；中国电科院的通流试验共获得940名中国人(自愿)试验数据，结果表明超过96.9%的样本个体脚-脚电阻值大于1 400 Ω，若取低于5%的人群概率，人体脚-脚电阻值为1 447 Ω。因此认为在计算跨步电压限值时亚洲人体电阻取1 400 Ω是安全合理的，至少此数值适用于中国人群。

1.3 人体脚-大地电阻

美国EL 2020报告引用学者Kimbark的研究结论[11]，认为人的一只脚(赤脚)和大地(潮湿土壤)之间的接触电阻测定为人站立处以欧姆·米计的地表土壤电阻率的3倍。

中国电科院试验结果与EL 2020报告结论类似。对5人样本进行了人脚和湿润土壤表面间接触电阻与土壤电阻率关系的试验，结果表明：脚与大地接触电阻/表层土壤电阻率的比值在3上下浮动，且在土壤干燥情况下，此比值会明显增大。故按不利因素考虑，认为接触电阻仍按3倍土壤土壤电阻率考虑是安全合理的。

CIGRE 675认为脚-大地电阻可表达为：

(1)

式中：ρs为所在表层土壤的电阻率；b为脚与地接触面等效圆直径，按0.08 m考虑。

1.4 最大允许跨步电压

基于上述感知电流、脚-脚电阻、脚-大地电阻等因素，可得最大允许跨步电压基本公式为：

Esc

(2)

式中：IBC为感知电流；RB为人体电阻；Rf为脚-大地电阻。因考虑人体跨步距离为1 m，故Esc也定义为最大电位梯度，V/m。

1.4.1 美国EL 2020及CIGRE WG14-21TF2要求值

美国EL 2020报告及CIGRE导则CIGRE WG14-21 TF2—1998导则直接引用Kimbark结论，最大允许跨步电压Esc为：

Esc=5+0.03ρs

(3)

对于体型较大的家畜如马、牛，最大允许跨步电压为：

Esc=11+0.24ρs

(4)

对于体型较小的家畜如狗，能允许的电流较小但前后腿距离也小于1 m，因此按人体最大允许跨步电压考虑。

针对水中环境的影响，EL 2020引用美国海洋接地极研究经验，指出一条鱼从头到尾压降为1～5 V时就会失去知觉且会被吸引至阳极，水中电位梯度达到1.25 V/m时，对人或鱼都是可接受的。CIGRE WG14-21导则对水中场强要求与EL2020结论基本一致，为1.25～2 V/m。

需要特别指出的是，CIGRE WG14-21导则介绍了洛杉矶Santa Monica海洋接地极的运行经验[5]，该接地极电极的表面场强为16～21 V/m。WG14-21导则规定水中电极表面场强应控制在15 V/m，需注意这是导体表面最大场强，并非指水中生物的“跨步电压”。

1.4.2 CIGRE 675要求值

由上述1.1—1.4节可得CIGRE 675导则中人体最大允许跨步电压与EL2020中要求即式(3)相同。

对于家畜动物，CIGRE 675引用了IEC TS60479-1、2、3规范[12 - 14]中使得猪、羊、牛及马等产生心室震颤的电流实测值，耐受电流最低的是羊(160～390 mA)与马(160～410 mA)，故按160 mA考虑家畜耐受电流值，可得到与EL2020相同的结论，即式(4)。

对水中环境的影响，CIGRE 675引用Kimbark结论，指出1.25 V/m的水中电位梯度对水中人及鱼类是安全的，2.5 V/m将产生不适感。

1.4.3 中国行标DL/T 5224—2014要求值

基于上述2.1.2、2.2.1及2.3节相关试验结论，得到中国行标DL/T 5224—2014中要求人体最大允许跨步电压为：

Esc=7.42+0.031 8ρs

(5)

同时行标还规定靠近接地极的鱼塘水中任意点场强不宜大于1.25 V/m，与CIGRE及EL 2020结论一致。

1.4.4 IEC 62344—2013要求值

IEC62344—2013规程为中国专家牵头编制，最大允许跨步电压与最新版行标保持一致，同式(5)，并基于中国电科院试验得到的人体电阻及感知电流结论进行了分析。

IEC62344—2013对各类家畜按与人的最大允许跨步电压相同考虑。特别地规定了鱼塘水中的电位梯度不得超过15 V/m，此结论与1.4所述的CIGRE WG14-21导则中关于电极表面梯度描述是相同的。

1.4.5 暂态故障工况下最大允许跨步电压值

CIGRE 675规定了暂态故障检修时人体最大摆脱电流为30 mA，带入式(2)计算得此时最大允许跨步电压为：

Esc=30+0.187 5ρs

(6)

为保证接地极带电检修人员安全，我国行标DL/T 5224规定在接地极故障情况下最大跨步电压差不大于50 V。

IEC 62344—2013则规定在部分极环退出运行等故障工况下最大允许跨步电压差为70 V，同时还规定若故障持续时间较短，如30 min，则可进一步适当放宽要求。

经对比可知，不同规范对暂态故障检修时接地极最大允许跨步电压差的要求均不同，范围为30～70 V范围。

1.5 表层电阻率的取值

实际工程应用中对于表层电阻率ρS的取值，国内外处理方法有所差异。

国内通常基于土壤电阻率各层、各点的测量数据，通过拟合反演方式得到纵向土壤分层，并将第一层分层结果作为表层土壤电阻率，即可计算跨步电压最大允许值为某一固定值[15]。

CIGRE 675介绍土壤分层方法时，给出了表层土壤模型，但同时还要求体现低阻区域或电阻快速变化部分，即表层土壤模型是不均匀水平分布，如图1所示。

图1 CIGRE 675简化表层土壤模型Fig.1 Example of a top layer resistivity presented in CIGRE 675

此方式考虑了土壤水平分布不均匀特性，得到了随着分布位置不同而变化的最大允许跨步电压阈值，尤其是对于低电阻区域，其阈值相对更为严苛；同时，此种分层方式更适用于位于山川、湖泊等环境下的接地极建模[16]。

1.6 比对小结

综上所述，不同规范针对最大允许跨步电压值的差异，主要为人体感知电流、脚-脚电阻、脚-大地电阻及表层电阻率等取值原则，总结如表1所示。

表1 各标准跨步电压及其影响因素的异同比对Tab.1 Comparison summary about the maximum allowable step voltage

2 最大允许温升规范比对

接地极温升包括稳态温升和暂态温升两部分。稳态温升指连续向接地极中注入恒定电流并使土壤在热交换达到稳态时的温升；暂态温升则指在接地极设计持续单极大地运行最大时间内而引起的土壤温升。

2.1 国内行标DL/T 5224—2014及IEC62344—2013

2.1.1 接地极温升特性

如果持续给接地极注入一恒定的电流，如单极直流输电系统，则接地极温度将逐步上升，直至达到稳态温度。根据热力学理论，接地极附近任意点土壤温度可表达为：

(7)

式中：θ(t)为任意时间土壤温度，℃；θmax为稳态最高温升，℃；θC为t=0时的环境温度，℃；T为接地极热时间常数，s；k为配合系数，与电极形状、土壤特性及环境条件等因素有关。

接地极温升曲线示意图如图2所示。

图2 接地极温升曲线示意图Fig.2 Temperature rise characteristic of grounding electrode

对于土壤中某特定点，其温度与环境温度、稳态最高温升、热时间常数和入地电流持续时间有着密切关系。当极址确定后，极址的环境温度和影响温升的土壤参数就确定了，影响接地极温度只有稳态最高温升θmax、 热时间常数T和入地电流持续时间t这3个参数。t属于系统输入参数，θmax和T则与接地极型式和尺寸等紧密相关。T0为接地极连续运行时间；θpm为接地极在单极大地运行设计时长内实际最高温度。对于设计者而言，控制接地极温度实际上就是选择合适的接地极型式及尺寸。

2.1.2 热时间常数

在接地极设计中，考虑到接地极址土壤电阻率、热导率和热容率等参数的测量、取值和分布很难准确界定，设计中为了慎重起见，认为极址土壤任意点温度以线性上升。在此情况下，如果将时间常数T定义为电极到达稳态温度所需要的时间(k=1)，则热时间常数可表示为：

(8)

也可表示为：

(9)

式中：T为接地极热时间常数，s；C为土壤热容率，J/(m3·K)；λ为土壤热导率，W/(m·K)；ρ为等效土壤电阻率，Ω·m；Ve为土壤承受的电压，V；J为电极表面溢流密度，A/m2；A电极焦炭表面最大面积，m2。

2.1.3 稳态最高温度

将接地极等效为埋地半球模型，忽略空气热传导，由热力学原理可推导得到稳态最高温升为：

(10)

由于国内接地极持续运行时间远低于接地极时间常数，在连续运行时间内的温升远不会达到稳态最大温度。故在实际应用时需得到接地极温升过渡曲线，再将接地极连续运行时间T0代入指数模型表达式求得接地极在单极大地运行设计时长内实际最高温度θpm， 上述方法称为“指数法”[17]。

2.2 CIGRE 14.21 TF2导则

与国内标准相同，CIGRE 14.21 TF2导则同样按式(10)得到最大稳态温升θmax。 但此变量在这两个规程中被定义为“理论值”，对于接地极工程所限定的有效运行时间内的实际温升，未采用指数方程，而是根据引入了“修正系数”做了简化处理对实际温升进行求解，即在最大连续运行时间内实际温升为：

(11)

根据CIGRE 14.21 TF2所述，推荐修正系数Cdfac取值为5。该导则还补充指出，若采用浅埋型接地极如3 m之内埋设深度，则相当一部分的运行发热将传递到空气中，真实的修正系数将会远大于5。对于埋设深度较深(50～500 m)的接地极，此修正系数将小于5但仍按大于1考虑。

若土壤条件无特殊情况，对大多数浅埋型接地极设计采用式(10)的方法计算温升且修正系数按推荐值取为5，将得到远较于真实情况更高的温升计算结果，使得设计方案非常保守。在世界上早期直流工程中，世界上存在着单极输电系统，即单极大地返回方式运行是长期正常的运行工况，此时温升往往是控制因素，在这种背景下选用修正系数法来计算暂态温升以获得较大的温升设计裕度具有一定合理性。

2.3 CIGRE 675导则

CIGRE 675导则在计算实际温升时，给出了两种途径：基于简化假设的经典计算法，及有限差分数值计算法。其中经典计算法与CIGRE 14.21 TF2导则所述相同，但校正系数依赖于电阻率情况，只有当等效土壤电阻率在100 Ω·m时，校正系数为5的取值才是较为合理的。

有限差分数值法的基本思想是利用热传导拉普拉斯差方程进行数值计算。CIGRE 675给出了有限差分数值计算的基本方法及相关方程，通常利用仿真程序实现，是当前接地极设计中常用也较为准确客观的一种设计手段。目前借助有限元软件对接地极温升进行仿真分析，该方法物理意义明确，计算精度高且便于实现，甚至能实现多场路耦合仿真，目前已有较多学术研究成果[18 - 24]。

2.4 比对小结

校正系数法计算结果相较另两种计算结论偏差较大，指数法计算仍较为保守，有限元法考虑了热交换等因素，结果最为客观准确，实际工程中建议在可研阶段考虑稍保守方法即指数法对温升进行计算，而在初步设计及施工图阶段建议采用更为准确的有限元法进行仿真计算。

3 接地电阻的要求比对

3.1 对温升影响

3.1.1 IEC 62344—2013

IEC62344及DL/T5224标准均未对接地极的接地电阻限值提出明确要求，仅规定接地电阻满足稳态温升不超过限值即可。

稳态温升指考虑接地极运行时间足够长达到稳态时最大温升。当土壤电阻率为两层模型时，最大接地电阻为：

(12)

式中Id为双极不平衡入地电流；ρm为极环埋深处的土壤电阻率。从上式中可以看出，接地电阻的限值与埋深处的土壤电阻率、等效电阻率有关。通常来说，由上述计算得到的电阻限值非常宽裕。

目前直流输电系统的运行方式决定了单极大地运行时间远小于热时间常数。进行温升计算时更应关注的是在一定的单极大地运行时间内暂态温升。IEC62344—2013引入CIGRE 675中修正系数dfac的概念，定义了最大暂态温升对应的接地电阻限值并建议Cdfac取5，故接地极限值可写为：

(13)

通常按上式(10)计算出的电阻限值非常高。这也与上文2.4节分析结论一致，校正系数法是一种考虑严苛的估算方法。

3.1.2 CIGRE 675

在CIGRE 675导则提出，接地极设计要求尽可能降低接地电阻，且在算例中也给出了0.3 Ω的接地电阻限值。但CIGRE 675导则中并未明确指出此限值适用于所有工程，该限值仅针对图中所示算例。

3.1.3 比对小结

根据热平衡关系，接地极温升可写为：

(14)

式中：C为接地极的比热容，J/(kg·℃)。

可见接地极的暂态温升与接地电阻无关，仅与接地体的面电流密度和单极大地回线运行的持续时间有关[25]。

综上所述，接地极稳态温升与接地电阻存在直接关系，接地电阻越大，稳态温升越高，但由稳态温升确定的接地极接地电阻限值将随土壤电阻率的增大而增加，且较为宽松。接地极在单极大地运行设计时间内的暂态温升则由面电流密度、极环埋设处土壤电阻率、土壤热容率共同决定，与接地电阻无直接关系，实际工程中并不排除出现：接地电阻满足要求，但因电极与土壤接触面积较小而产生较大面电流密度，却使得暂态温升超标的情况。

3.2 对跨步电压影响

本节以某一接地极设计方案为例，固定接地极极环尺寸(外径1 000 m水平双环)，土壤模型均采用两层模型，改变土壤模型和接地极埋深，对多组方案进行对比计算，计算软件为中国电力工程顾问集团中南电力设计院自主研发软件ISPEG(前身ETTG)[26 - 29]，该软件有效性已在国内外多个特高压直流工程中得到了验证。分别对上层土壤电阻率取较小值(200 Ωm)及较大值(2 000 Ωm)时，改变下层土壤电阻率，层厚取5 m，计算埋深分别为2 m、3 m和4 m时的接地电阻及跨步电压，得到图3曲线。

图3 接地电阻和跨步电压变化趋势对比图Fig.3 Comparison of changing trends of grounding resistance and step voltage

由图3曲线可知，当下层土壤电阻率较小时，两种情况下的接地电阻差别不大，但跨步电压却相距甚远，此时接地电阻与跨步电压相关性不大；而当下层土壤电阻率非常大时，两种情况的接地电阻逐步拉开差距，但跨步电压都趋于饱和，不再有大幅增加。

故接地电阻与跨步电压虽然存在一定的正相关性，但是两者的变化趋势并不相同。以接地电阻限值取0.3 Ω为例，通过改变接地极埋设深度，可以在不改变接地电阻的情况下，大幅降低接地极的跨步电压；同样，若表层电阻率较高且下层电阻率较低，也可能导致接地电阻满足要求但跨步电压不满足要求的情况发生[30]。

4 工程实例分析

本节对若干个中外实际工程实例进行介绍，通过列举接地极设计方案及关键技术指标计算值[31 - 33]，进一步佐证上文所述观点。

4.1 巴基斯坦默拉直流工程Sanghar接地极实例分析

默蒂亚里—拉合尔±660 kV直流输电工程直流电压等级为±660 kV，输电规模4 000 MW，额定直流电流3 030 A。接地极外环半径为170 m，焦炭截面边长为0.7 m，内环半径为120 m，焦炭截面边长为0.55 m，如图4所示。

图4 默蒂亚里换流站桑加尔接地极极环Fig.4 Aerial photo of Sanghar electrode in Mertiari converter station

4.1.1 接地极温升计算

考虑接地极单极大地运行方式时长为30 d，利用中国行标DL/T5224与IEC62344介绍的指数法，CIGRE 14.21 TF2与CIGRE 675介绍的校正系数法，数值计算(软件)法3种方法对接地极暂态温升进行计算，计算结果如表2所示。

表2 指数法、校正系数法及有限元法计算结果比对Tab.2 Comparison of calculation results by three different methods

可见，校正系数法计算结果相较另两种计算结论偏差较大，显然此结果受校正系数取值及土壤条件影响较大；指数法计算的热时间常数较小，30 d内温升较快，考虑仍较为保守；有限元法时间常数较大，暂态温升相对较低。主要因为有限元法考虑了：有相当的热量产生在距离接地极很远的地方，土壤与地面以上空气进行的热交换等实际情况。

4.1.2 暂态故障下跨步电压校验

本工程在设计阶段对跨步电压校验原则遵循我国行标DL/T 5224—2014及IEC 62344—2013，采用分层土壤模型表层等效电阻率计算最大允许值；而设计评审阶段中，CIGRE 675编写工作组B4.6的加拿大专家作为业主工程师，提出了最大跨步电压允许值需按表层土壤测量采样点表层电阻率最小值6.9 Ω进行计算。

正常工况下极址范围内跨步电势云图示意如下图5所示，最大跨步电压差为4.456 V/m，满足国内行标、IEC及CIGRE规范要求。

图5 极址范围内跨步电压云图(额定工况)Fig.5 The contour diagram of step voltage within the vicinity of electrode site (nominal condition)

1/4极环退出运行时，跨步电压分布仿真结果如图6—7所示，最大跨步电压差达到6.843 V/m，能同时满足上文所述国内行标、IEC及CIGRE规范对暂态检修时最大允许跨步电压差要求。

图6 极址范围内跨步电压云图(1/4极环退出)Fig.6 Contour diagram of step voltage within the vicinity of electrode site (1/4 electrode ring outage)

图7 极址范围内跨步电压分布示意图(1/4极环退出)Fig.7 Sketch diagram of the points which are exceed the limitation of normal condition in CIGER-675 (1/4 electrode ring outage)

图8 极址范围内跨步电压分布示意图(1/4极环退出)Fig.8 Sketch diagram of step voltage distribution in CIGER-675 (1/4 outage)

国内工程在暂态故障工况下一般仅校验馈线电缆通流能力，并未强调在故障检修情况下跨步电压是否满足规范要求，而CIGRE 675则对此提出要求并在算例中给出校验示例。

事实上，单段(或多段)极环退出运行的工况需要至少两条径向导流回路均断开或极环受到严重破坏，因而发生的概率极低。即便此时无法满足检修时最大允许跨步电压要求，单极大地返回运行方式将在很短时间内转为单极金属运行；另一方面，若在双极对称运行情况下发生此类故障，接地极正常安全运行在短期内也不会受到严重影响。

对于目前世界上多数接地极工程，极址处并未设置电流在线监测系统，无法实时判断极环及导流回路是否处于正常工作状态。较为现实的做法是：尽量缩短单极大地运行时间，并于计划停运时对接地极进行检修。故规范所要求的对于极环在暂态故障情况下校验其跨步电压，其现实意义较为局限。

4.2 云南永仁至富宁±500 kV直流工程接地极实例分析

本工程直流电压为±500 kV，直流输电容量为3 000 MW，直流线路长度为577 km。富宁换流站为本工程受端换流站，其接地极位于云南山区，采用那弄极址和那连极址并联的分体式设计方案，两接地极间直线距离为2 km。本工程两个接地极主要参数如表3所示。

表3 那连接地极主要技术参数Tab.3 Main technical parameters of Nalian electrode

表4 那弄接地极主要技术参数Tab.4 Main technical parameters of Nanong electrode

本工程最大允许跨步电压按国内行标DL/T 5224、IEC 62344计算，各项指标满足其要求。虽然并不满足CIGRE 675、EL-2020、CIGRE 14.21 TF2等规范要求，但该工程自2016年投产运行以来一直安全稳定运行，事实证明了国内行标设计原则较为可靠。

4.3 巴西美丽山二期直流工程里约接地极实例分析

里约换流站是巴西美丽山二期特高压直流工程的受端站，采用双极单12脉动换流方式，电压等级为±800 kV，额定电流为2 500 A，输送容量为4 000 MW。里约接地极如图9所示。

图9 巴西美丽山二期直流RIO接地极Fig.9 DC grounding electrode of Rio Ⅱ in Beautiful Moutain of Brazil

极址处的表层(20 m以内)和下层(50 m以下)土壤电阻率较大，而中间层土壤电阻率较小，以下考虑两种设计方案。

方案A按巴西业主技术要求考虑接地电阻不超过0.35 Ω限值，垂直接地体将按照图10所示路径埋设。

图10 里约接地极设计方案A布置图Fig.10 Layout diagram of the Rio grounding electrode (scheme A)

方案B不考虑接地电阻限值，仅考虑跨步电压、温升、面电流密度等技术指标。沿半径200 m的水平圆环路径埋设，如图11所示。

图11 里约接地极设计方案B布置图Fig.11 Layout diagram of the Rio grounding electrode (scheme B)

两种方案的技术经济对比如表6和表7所示。就技术角度来说，除接地电阻外，两种方案各项技术参数均能满足IEC标准相关规定，但从馈电棒材料和占地面积方面而言，方案一不可避免地远大于方案二。经过经济性比对，方案一相较方案二总投资增加1 300万雷亚尔，增幅约172%。

表5 巴西RIO接地极技术经济比较Tab.5 Technical and economic comparison of above scheme a and scheme B

表6 平凉台接地极技术指标Tab.6 Main technical parameters of PLT electrode of L-S ±800 kV UHVDC transmission project

可见，接地电阻较高情况下可以采用增加极环埋深、增大填充焦炭截面等手段，使接地极满足标准规范中的各项技术参数指标要求，保证接地极的安全稳定运行，同时可获得更优的经济性，避免不必要的投资增加。

4.4 中国灵州-绍兴特高压直流工程平凉台接地极实例分析

灵州-绍兴±800 kV特高压直流输电工程直流电压等级为±800 kV，输电规模为8 000 MW，额定直流电流为5 000 A。平凉台接地极送端灵州换流站接地极，位于灵武市东南，如图12所示。

图12 灵绍直流送端平凉台接地极Fig.12 PLT grounding electrode of Lingzhou-Shaoxing ± 800 kV UHVDC transmission project

设计方案为双圆环水平埋设方案，其技术指标如表6所示。

该接地极极址土壤分层除极环埋设处电阻率较大以外，其他各层等效视在电阻值均较小，设计方案限制因素为温升。

在此实例中，接地极接地电阻仅为0.035 Ω，远低于CIGRE 675算例所要求的0.3 Ω限值，在同类型工程中处于较低水平，跨步电压、面电流密度等指标也处于规范要求范围内，但暂态温升已接近90 ℃限值水平。此实例与3.1节式(13)结论相吻合，即在允许连续单极大地运行的一定时间内暂态温升由面电流密度、极环埋设处土壤电阻率、土壤热容率共同决定，而与接地电阻值无关。

5 结论

本文基于中国电力行业标准DL/T 5224—2014、IEC/TS 62344—2013，美国电力研究院报告EL2020《高压直流接地极设计》、CIGRE 14.21-TF2—1998、CIGRE 675—2017等国内外直流接地极设计标准，针对接地极最大允许跨步电压、最大允许温升、接地电阻限值等关键参数指标设计理念及原则的差异进行了比对分析，并列举了目前国内外4个直流接地极工程技术参数指标，比对结论如下。

1)针对最大允许跨步电压，中国标准DL/T 5224与IEC 62344原则相同，而与CIGRE 14.21 TF2及CIGRE 675不同，两者区别来源于不同时期、不同地域人群对应的试验结果差异。CIGRE标准原则更适用于欧美项目采用，中国行标及IEC标准更适用于中国或亚洲项目采用。此外，两者标准体系对于人之外的动物所能承受最大跨步电压差也有区别。

2)部分极环退运等暂态故障工况下，CIGRE 675规定了人体最大摆脱电流，我国行标DL/T 5224及 IEC 6234规定了最大允许跨步电压差为70 V且可适当放宽要求。但多数接地极工程无法实时判断极环及导流回路是否处于正常工作状态，接地极单段(或多段)极环退出运行的工况发生概率极低，即便发生后直流系统也会在短时内切换运行方式。应尽量缩短单极大地运行时间，并于计划停运时对接地极进行检修，规范中对暂态故障情况下跨步电压的要求具有一定现实局限性。

3)针对接地极温升计算，指数法由于未考虑土壤与空气发生的热交换因素，设计方案具有一定的裕度，通常来说也较为可靠；校正系数法仅针对浅埋型接地极、等效电阻率为100 Ω左右或具有长期单极大地运行需求的接地极，设计方案将留有较大温升裕度；有限元建模分析法则更为客观准确，具备较为合理的设计裕度及较优的经济指标。实际工程中建议在可研阶段考虑稍保守方法即指数法对温升进行计算，而在初步设计及施工图阶段建议采用更为准确的有限元法进行仿真计算。

4)接地极暂态温升不受接地电阻的影响，而由面电流密度、极环埋设处土壤电阻率、土壤热容率等共同决定。当接地电阻大于CIGRE算例限值0.3 Ω时同样可实现暂态温升、跨步电压、面电流密度等技术指标满足标准要求的方案，并不影响接地极安全稳定运行；反之在接地电阻较小的情况下，也可能导致接近90 ℃临界值的温升。若将接地电阻纳入技术指标之一进行控制，则将对工程造价造成明显影响。