直流接地系統電熱磁效應的研究進展

梅科軍

摘 要：當直流輸電采取單極運行方式時，巨大的注入電流會在土層中形成直流地電場。地電場分布可能對人畜、地下管網及電力設備產生一定的負面效應，主要是電化效應、熱力效應及電磁效應。文章首先介紹了求解直流地電場的泛定方程及邊界條件，列出了計算土層直流電位分布的各種函數形式；其次，概述了三種效應的危害及其研究進展，包括計算方法、模型及實驗；最后，提出了目前存在的問題及相關建議。

關鍵詞：直流輸電；直流地電場；電化效應；熱力效應；電磁效應

中圖書分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）32-0098-04

目前，世界上許多國家都在研究并應用直流聯網模式。如，印度采用直流聯網將國家電網分割成四個同步電網；美國中東部電網與西部電網、南部電網和加拿大電網采用直流隔開、限制同步電網規模的聯網方式；我國的全國聯網與西電東送是緊密結合的，大力發展特高壓直流輸電是實現全國資源優化配置的必由之路。

在特高壓送端及受端地區，直流輸電建成初期的單極運行方式也帶來了一系列問題。巨大的直流電流注入大地后，在方圓近百公里的范圍內形成直流地電場，引發電化效應、熱力效應、電磁效應三種負面影響。管網、土壤及設備都有可能遭受一定的破壞，嚴重時還有可能危及到交直流混聯系統的安全穩定運行。國內外專家學者對這三種效應做了大量研究工作，在研究時利用了諸多方法，如鏡像法、遞推法、有限元法、邊界元法；提出了諸多模型，如地下管道傳輸線模型、變壓器直流偏磁電路—磁路模型、動態磁滯損耗模型等；開展了諸多實驗，如勵磁電流實驗、耐直能力實驗等；提出了諸多措施，如陰極保護、電容隔直等。

本文針對直流接地系統的電熱磁效應，首先介紹了求解直流地電場的泛定方程及邊界條件，列出了計算土層直流電位分布的各種函數形式；其次，概述了三種效應的危害及其研究進展，包括計算方法、模型及實驗；最后，提出了目前存在的問題及相關建議。

1 直流地電流場

直流地電場的研究主要集中在直流注入電流引起的地電位分布及地電流分布。地電位分布會引起跨步電壓，而地電流分布不僅會引起地下管網發生電化腐蝕，還有可能竄入地上電磁設備引起偏磁效應。

2 電化效應

電化學效應的研究主要集中在高壓直流輸電入地電流對接地極一定范圍內地下設施的電腐蝕影響。為了充分發揮直流輸電的優勢，避免其不利影響，需要分析直流電流地下散流對埋地管網等設施的電化腐蝕特性，提出防護措施。

3 熱力效應

直流接地極的熱穩定性直接影響到變電站的安全運行，近些年來由于地下腐蝕，導體截面不夠，接地引下線燒斷等因素引起的重大設備事故屢有發生。目前對直流輸電系統接地極的熱力效應的研究主要是分析接地極周圍的熱場分布，從而對接地極的設計提出相關的建議。

文獻[23]主要闡述了接地極熱力效應產生的原理。由于土壤并非是良導體，在電流的作用下，土壤溫度將升高。當溫度升高到一定程度，土壤中的水分將可能被蒸發掉，土壤導電性能將會變差，電極出現熱不穩定，嚴重時可使土壤燒結，電極喪失運行功能。所以，為保證電極在運行中擁有良好的熱穩定性能，土壤要有良好的電熱、導電性能，具有較高的濕度和較大的熱容系數。

此計算方法適用于水平雙層土壤結構的發熱分布計算；在接地極10m范圍內的土壤中，其溫度變化率較大，且最高溫度出現在接地體的下表面附近；其正確性尚待模擬實驗的驗證。

文獻[29]基于有限差分法原理，針對云廣和貴廣Ⅱ回直流輸電系統共用接地極的3個備選極址的不同土壤參數，對共用接地極設計方案的溫升曲線進行時域分析，建立了一套可對直流接地極周圍溫度場參數進行時域分析的數值算法。推導了三種類型的土壤內部空間節點的計算公式，該方法避免了現有接地極溫升計算公式將接地極體視為等溫體的缺點，提高了運算的準確性。

從以上的歸納和分析可以看出，利用有限差分法對單接地極的溫度場進行分析計算的相關研究較多，而針對共用接地極的研究只是少數。隨著直流輸電工程的興建，在一些地區將會出現多個接地極共存的現象。此時地下溫度場分布更加復雜，需要考慮相互之間的耦合關系。

5 結 論

高壓直流單極運行會在大地層形成電場分布，目前的主流計算方法是復鏡象法和邊界元法，前者地質剖分簡單，但計算精度較差；后者地質剖分復雜，但計算時間過長，建議在距離接地極較近處及重點區域采用邊界元法，較遠處采用復鏡像法。直流地電場分布還會引發三種負面效應：電化效應、熱力效應及電磁效應。建議對地下管網采用陰極保護和加涂絕緣層的方法，保護大面積管道及絕緣層破壞處。建議在直流系統前期帶電試驗時通過降低功率的運行方式了解直流地電流分配特點，在直流量入侵較嚴重的站廠采取電容隔直的方法。

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