±800kV與±500kV換流站共用接地極時入地電流對極址附近電位分布的影響

張富春，郭婷，黎曉辰，周文俊，黃海，喻劍輝

(1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣州市510400;2.武漢大學電氣工程學院，武漢市430072)

0 引言

±800kV楚穗直流和±500kV興安直流換流站廣東境內的接地極址在魚龍嶺共用。±800kV楚穗直流工程西起云南楚雄換流站，東至廣東廣州穗東換流站，全長1 373 km，雙極輸送容量5 000MW，額定電流3 125 A;穗東換流站接地極線路起于魚龍嶺接地極出線構架，終點位于增城市朱村鎮的穗東換流站構架，全線長94.2 km。±500kV興安直流工程西起貴州興仁換流站，東至深圳寶安換流站，長度約1 250 km，雙極輸送容量 3 000MW，額定電流為3 000 A;寶安側接地極線路起于魚龍嶺接地極出線構架，終點位于廣東省深圳市寶安換流站，接地極線路全長189.202 km(其中183.514 km與直流線路共塔，接地極專用線路全長5.688 km，桿塔18基)。

此類直流線路，需長時間滿負荷運行，年度停電檢修期間，2條線路同時停電的概率極小［1］。截至2012年，楚穗直流投運2年后，經歷了2次年度停電檢修;因共用接地極極址帶來的線路運行檢修問題［2］，在未弄清接地極極址電位分布的情況下，在極址附近10 km范圍內，尚未開展過相應接地極線路的檢修工作。當一回線路停電檢修時，另一回線路若為單極大地回路運行方式，此時的入地電流較大且持續時間較長，極址附近地電位變化大，對線路檢修的安全有影響［3］。

關于直流輸電接地，目前國內外研究的重點是多個直流系統共用接地極的可行性。文獻［4-5］對共用接地極的可靠性進行了評價，文獻［6］對共用接地極的方式提出了設計要求，文獻［7-8］則對系統中可能會出現的問題進行了研究。文獻［7］研究了共用接地極系統中的某個系統發生某些故障時對非故障系統以及對直流系統穩態運行的影響;文獻［8］則計算了當一回接地極線路發生故障后通過共用接地極轉移到故障點的直流電流。這些研究都針對設計階段，尚無針對共用接地極的單條線路檢修另一條線路單極大地回路運行時的檢修維護策略。文獻［9］提出了直流共用接地極極址運行轉檢修時的操作方式，但其極址附近地表電位幅值較小，且其檢修線路上的電位分布無詳細介紹;文獻［10］提出了±800kV直流輸電線路在正常運行時進行帶電作業的方式，但對于接地極檢修線路而言，其流過的電流幅值較小［11］，甚至可能無電流流過，且線路檢修時導線附近的電場強度遠小于正常運行時的電場強度，因此，±800kV直流輸電線路的帶電作業方式不適用于接地極檢修線路。文獻［12］研究了直流多環接地極地表電位和跨步電壓的分布規律。文獻［13］則對±800kV特高壓直流輸電系統的運行檢修技術體系進行了闡述，但對接地極線路的檢修描述甚少，且未考慮共用接地極。

為保障檢修線路時檢修人員的安全，有必要開展共用極址入地電流對極址附近電位分布影響的研究。本文針對一回線路停電檢修，另一回線路單極大地回路運行時，用CDEGS接地計算軟件根據實際系統參數進行了建模仿真計算，分析了極址附近地表電位、跨步電壓和接觸電壓的分布特性，并與系統調試期間的實測數據進行了比較，分析結論可為魚龍嶺接地極線路的檢修工作提供指導。

1 魚龍嶺接地極概況

1.1 魚龍嶺接地極基本參數

魚龍嶺接地極極址的出線布置圖如圖1所示。

圖1 魚龍嶺極址出線布置圖Fig.1 Outlets layout of Yulongling grounding electrode

本文需要計算極址周圍10 km范圍內的電位分布，根據實測選擇了土壤結構的計算模型，其土壤分層數據見表1。

表1 魚龍嶺接地極土壤分層和土壤電阻率Tab.1 Soil stratification and resistivity of Yulongling grounding electrode

魚龍嶺接地極的設計參數為:接地極處土壤電阻率為70 Ω·m;地面最高電位升719.5 V;接地電阻計算值0.228 Ω;允許最大跨步電壓控制值為7.1 V/m。特別指出，魚龍嶺接地極的額定入地電流為3 155 A，額定入地電流為某一直流輸電系統的額定電流加上另一系統的不平衡電流［14］，如云廣直流輸電系統的額定電流為3 125 A，貴廣Ⅱ回額定電流為3 000 A，不平衡電流為額定電流的1%，從而算出整個系統的額定電流為IN=3 125 A+3 000A×1%=3 155 A;該額定入地電流是在2個直流工程都處于運行狀態時計算得出的，本文所討論的單條接地極線路檢修狀態下，另一條直流線路單極大地回路運行時，流入接地極的電流為運行線路的額定電流。

如圖2所示，魚龍嶺接地極采用φ940m+φ700m二同心圓環電極布置，電極外環采用φ70 mm鋼棒，埋深4.0m，內環采用φ60 mm鋼棒，埋深3.5m。焦碳斷面為1.1m ×1.1m(外環)、0.7m ×0.7m(內環)。為便于運行檢修，在接地極線路與接地極之間設置隔離開關。通過經濟技術比較選取鋼(鐵)作為饋電元件;為滿足填充材料的性能要求，選取焦炭為活性填充材料。

圖2 魚龍嶺接地極型式示意圖Fig.2 Schematic diagram of Yulongling grounding electrode

接地極為全電纜導流方式:從換流站接地極引流線到接地極中心構架后，入地電流分4路利用電纜直埋分別敷設接到電極的內外環，每一路采用4根饋電電纜。電纜與饋電棒、饋電棒與饋電棒間用電弧焊接。在電極周邊設置電纜工井、檢測井、滲水井等裝置，監測電極溫升，土壤溫度，電流分布和跨步電壓等。

1.2 電位差產生的原因

2個直流工程在正常雙極運行情況下，正負極自成回路，理論上不存在不平衡電流以外的入地直流電流;實際正常運行時，接地極線路上不平衡電流數值小于系統額定電流的1%，流入接地極的電流很小［15］。但是當某回直流線路的接地極線路進行檢修而將接地極極址隔離開關斷開時，另一回直流線路若處于單極大地回路運行狀態，系統的額定電流通過接地極線路流入魚龍嶺接地極，該電流數值較大，會在極址周圍區域產生較高的地電位，對附近的檢修線路產生影響［16］:直流電流通過接地極向大地散流時，接地極和整個大地都將呈現一定的電位，地面電位從接地導體上方的地面向遠方遞減，在接地極環上方達到最大值，愈靠近極環，地表等位線愈密。當直流接地極附近檢修線路的桿塔電位不同時，若該檢修線路未采取一定的絕緣措施，直流電流將從大地中流入電位較高的桿塔接地體，然后通過避雷線流向電位較低的桿塔接地體;直流電流甚至可能從桿塔的一個塔腳流進，從另一個塔腳流出，造成在同一基桿塔上也存在電位差，影響檢修線路上檢修人員的安全。

2 計算條件及結果分析

2.1 計算條件

為分析接地極對地表電位分布以及跨步電壓、接觸電壓的影響，根據魚龍嶺接地極的實際參數，利用CDEGS建立了相應的仿真計算模型。建模時，對接地極每個1/4圓環用3段直線段代替簡化，從電流注入點分別連接到內外極環上，每一路饋電電纜用一根電纜代替。

本研究考慮的計算條件為2種情況:

(1)當 ±800kV楚穗直流接地極線路檢修，±500kV興安直流單極大地回路運行，即入地電流為3 000 A時魚龍嶺極址附近的電位分布;

(2)當 ±500kV興安直流接地極線路檢修，±800kV楚穗直流單極大地回路運行，即入地電流為3 125 A時魚龍嶺極址附近的電位分布。

為了解電位分布趨勢，計算了以接地極環圓心為中心，半徑在10 km范圍內的電位分布圖。因電位在接地極環附近變化較快，特別給出了內外極環附近的電位分布。

2.2 地面電位分布

2.1 節中2種情況下魚龍嶺極址地表電位分布如圖3、4所示。

圖3 接地極附近10 km區域內地表電位分布Fig.3 Potential distribution of 10 km around grounding electrode

圖4 接地極1 km內地表電位分布Fig.4 Potential distribution of 1 km around grounding electrode

由圖3可看出，與極環相距越遠，電位衰減速度越慢。由圖4可以看出，極環上方呈現地表電位峰值，這是因為極環處的電流密度最大;同時，內環上方地表電位比外環略高。隨著觀測點與極環距離的增加，地表電位逐漸衰減;極環附近，衰減迅速，距極環中心約1 500m處，地表電位已衰減至最大值的50%，由于極環的屏蔽效應，接地極內環地表電位衰減速度低于外部。

2.3 內外環及各饋電電纜分流

分流電流由流至土壤的橫向電流和傳遞到接地體遠端的縱向電流組成［17］。由于該模型為理想的軸對稱模型，內、外環饋電電纜流過的電流各自相同，且內、外極環上分流的電流也呈軸對稱分布，圖5中只顯示了接地極環1/4部分的電流分布，其余部分的電流分布則相同，其中括號內的數字為橫向電流的大小。電纜因有屏蔽層和絕緣層包裹，流至土壤的橫向電流很小，而極環上的橫向電流則較大。當入地電流為3 000 A時，外環每根饋電電纜的縱向電流為465 A，4根電纜共分流1 860 A;內環的每根饋電電纜的縱向電流為285 A，4根電纜共分流1 140 A;計算得出，接地極內環分流占入地電流的38%;外環分流占入地電流的62%。同樣，可計算出當入地電流為3 125A時，接地極內環分流約占入地電流的37.9%;外環分流約占入地電流的62.1%。

圖5 各導體段的橫向電流和縱向電流Fig.5 Transverse current and longitudinal current of each conductor section

2.4 跨步電壓

由圖6可以看出，跨步電壓峰值呈現于極環兩側數米之內;內環跨步電壓峰值比外環小;在峰值兩側，跨步電壓隨著觀測點與極環距離的增大而迅速衰減;距極環中心約500m處，跨步電壓已衰減至最大值的50%，距極環中心700m時，曲線已變平坦，后緩慢衰減至接近于0。跨步電壓峰值2.9 V/m，小于最大跨步電壓控制值7.1 V/m。

圖6 接地極附近跨步電壓分布Fig.6 Step voltage distribution near grounding electrode

2.5 接觸電壓

為避免接地極入地電流對附近桿塔的基礎造成腐蝕，DL/T 5224—2005《高壓直流輸電大地返回運行系統設計技術規定》規定:對靠近接地極約2 km以內的桿塔，基礎對地和桿塔對基礎應絕緣。對于2 km以內的桿塔，建議避雷線與桿塔不連接，桿塔單點接地，如圖7所示。圖中，a桿塔與接地極的距離在2 km以內，避雷線與桿塔間的“S”表示二者相互絕緣。

圖7 降低接觸電壓的措施示意圖Fig.7 Schematic diagram of reducing contact voltage

由于桿塔采用了單點接地，人觸摸桿塔時承受的接觸電壓等于桿塔接地點與人體兩腳接觸地面處兩點間的電壓，按照接觸電壓的定義，人體與桿塔的水平距離為1m，即此時的接觸電壓為該處的跨步電壓，當接地極的跨步電壓滿足限值要求時，該點的接觸電壓低于限值7.1 V/m。此外，由于避雷線與桿塔斷開，避免了直流電流在相鄰桿塔間的流通而對接地導體造成腐蝕［18］。對于魚龍嶺接地極線路，5 km內的桿塔單點接地，理論上不存在接觸電壓超標的問題。

3 現場實測結果

興安直流極Ⅱ系統調試期間，在接地極現場進行了相關參數的測試，其中包括:饋電電纜分流、極址區域最大跨步電壓、最大接觸電壓、接地極接地電阻測試、接地極地面電位分布等項目。該測試結果驗證了建模計算結果的正確。測試時所施加的電流為魚龍嶺接地極的額定入地電流3 155 A。

3.1 內外環及各饋電電纜分流

入地電流通過接地極散流時，由于土壤電阻率分布不均勻以及地中電流場的作用，導致各饋電電纜的分流各不相同［19］。測量時，入地電流分4路分別接到電極的內外環，每一路采用4根饋電電纜。在額定入地電流3 155 A的情況下，外環16根電纜分流值最大的為204.0 A，內環16根電纜分流值最大的為126.7 A;其他內、外環饋電電纜分流值均小于以上值，接地極內環分流約占分流電流的36.1%，外環分流約占分流電流的63.9%。

結合第2.3節可以看出，內外環分流計算值與實測值相差較小，說明計算與實測結果相符。

3.2 跨步電壓

在額定入地電流3 155 A的情況下，對極環附近區域的跨步電壓進行了測量。表2中給出了各測點所測出的最大跨步電壓的位置及幅值。

表2 極環附近跨步電勢測量數據Tab.2 Measurement data of step voltage near grounding ring

表2中的測量結果表明:

(1)在系統大地回路運行時，3號測點與7號測點分別是內、外環上電流密度最大的區域，原因是這2個測點位于極址南部，此處土壤電阻率較其他測點區域要低，電流較其他區域更易集中，有較多的電流流向此方向。另外，由于外環分流更多，電流密度更大，因此外環上各測點處的跨步電勢水平高于內環。

(2)在接地極外環7～10m處跨步電壓值最大，為5.321 V/m，但小于設計控制值7.1 V/m。從內側徑向3～5m至外側徑向3～10m，跨步電壓值偏高區域面積共約200m2。

3.3 接觸電壓

測試了魚龍嶺極址區域內2基鐵塔及饋電電纜構架，塔腳接觸電壓全部小于設計控制值7.1 V/m。

實測時跨步電壓和接觸電壓存在部分區域稍偏高(也小于設計控制值)，原因是此處土壤電阻率較其他測點區域要低，電流較其他區域更易集中，有較多的電流流向此處，而計算時的土壤模型為均勻的理想條件，因此得到的跨步電壓和接觸電壓均偏小。但建模計算時跨步電壓極大值所在位置的分布規律與實測及文獻［12］中的一致。

3.4 接地極接地電阻及地面電位分布

在額定入地電流3 155 A運行條件下，接地極最大電位升為:600.42 V，10 km外的電位梯度不大于0.15 V/km。接地電阻實測值為0.19 Ω。接地電阻計算值更接近設計值，實測值相對偏小。因接地電阻值的不同，地面電位升有差異，但地面電位與接地極的距離衰減規律與實測結果一致。

4 結論

(1)入地電流為3 000 A和3 125 A時具有相似的地表電位分布:極環上方呈現地表電位峰值，且內環上方地表電位高于外環，極環附近電位衰減迅速，由于極環的屏蔽效應，接地極內環內的地表電位衰減速度低于外部。

(2)計算結果顯示接地極內環分流約占入地電流的38%，外環分流約占入地電流的62%;實測時接地極內環分流約占分流電流的36.1%，外環分流約占分流電流的63.9%。

(3)跨步電壓峰值位于內、外極環上方，其中外極環上方跨步電壓最大，但小于設計值7.1 V/m;對桿塔采用單點接地措施后的接觸電壓，滿足限值要求。

(4)實測結果與計算結果一致，部分區域因土壤電阻率較低造成電流分布更集中，使得該區域跨步電壓值稍偏高，但仍小于設計控制值。為保證檢修人員的安全，在作業時應采取絕緣防護措施。

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