高壓直流輸電系統(tǒng)共用接地極檢修作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析

馬正霖 任振宇 陳 諾 朱旭東 辛業(yè)春

（1、中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明650217 2、東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012）

所謂接地極指的就是在實(shí)際工程中，與大地相連接的電極，在高壓直流輸電中接地極起著非常重要的作用。接地極能夠?qū)⑸⒘骼琢魅氪蟮禺?dāng)中，在直流工程中接地極就是將直流電流所產(chǎn)生的能量安全泄入到大地中，作為整個(gè)換流站電位的零參考點(diǎn)。接地極應(yīng)用主要設(shè)備有接地極線路、阻波器、隔離開(kāi)關(guān)、匯流管母、饋電電纜、接地極體、監(jiān)測(cè)設(shè)備等[1]。

現(xiàn)如今高壓直流輸電技術(shù)的迅速發(fā)展，接地極的設(shè)置也應(yīng)當(dāng)綜合考慮多方面因素，如：周圍環(huán)境、自然條件以及地形因素等。為了減少這些因素的影響，共用接地極如今在工程中被廣泛使用，其作用效果也達(dá)到了十分可觀的程度。雖然共同接地極的作用效果已被認(rèn)可，但這種方式下的檢修與維護(hù)卻有一定的難度。因此本文主要是針對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)共用接地極檢修作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行研究。

1 共用接地級(jí)的優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題

共用接地極在工程中能夠被廣泛應(yīng)用自然是有很多優(yōu)點(diǎn)，但不可否認(rèn)的是共用接地極仍然存在一定的不足。

1.1 共用接地級(jí)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的接地極相比共用接地極的優(yōu)點(diǎn)在于：

共用接地極的可靠性強(qiáng)，即當(dāng)一個(gè)接地極出現(xiàn)故障時(shí)，其他與之共用的接地極可以替代該失效接地極工作。

共用接地極的經(jīng)濟(jì)性好，即共用接地極能夠有效地減少接地極的數(shù)量，進(jìn)而減少對(duì)于接地極設(shè)備的投資。

共用接地極的安全性高，即當(dāng)系統(tǒng)中的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，共用接地極會(huì)將故障電流經(jīng)由金屬性回路向電源處流，進(jìn)而會(huì)使得產(chǎn)生的短路電流值較大，使得過(guò)電流保護(hù)裝置動(dòng)作的可能性大大提高。此外，當(dāng)出現(xiàn)雷電所產(chǎn)生雷擊的現(xiàn)象時(shí)，為將雷擊的程度降低到一定的程度，采用共用接地極將防雷接地保護(hù)與系統(tǒng)中設(shè)備的接地有效連接在一起，這樣能夠使得接地裝置上面的壓降減小，避免出現(xiàn)過(guò)電壓的現(xiàn)象，保證這設(shè)備工作的安全性。

1.2 共用接地級(jí)存在的問(wèn)題

共用接地極除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，其接地故障電流有可能使接地點(diǎn)電位升高而危及共用接地的相關(guān)系統(tǒng)、設(shè)備及建筑，接地電流引起的電位增高就會(huì)波及到共用接地的所有設(shè)備。為此,在選取共用接地的地點(diǎn), 需要從共用接地極電位升高以及入地電流的性質(zhì)這兩方面綜合分析共用接地可能存在的問(wèn)題，即共用接地極是否會(huì)給設(shè)備或系統(tǒng)造成干擾[2]。一般應(yīng)考慮單極運(yùn)行、計(jì)劃停運(yùn)、不平衡電流等因素。為了確保接地極在規(guī)定的運(yùn)行年限里正常運(yùn)行，在接地極設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有一定的裕度。

2 共用接地極附近電位分布分析

對(duì)于相同的連接段內(nèi)，共用接地極線路中其中一條線路進(jìn)行檢修，而另一條線路繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，會(huì)使得輸電線路周圍形成合成電場(chǎng)，其電位幅值可到達(dá)正常運(yùn)行時(shí)3-4 倍。

當(dāng)直流電流流入系統(tǒng)中的接地部分時(shí)，電流從接地極向周圍的土壤中流散時(shí)，由于土壤的導(dǎo)電能力并不是很強(qiáng)，進(jìn)而在土壤中會(huì)產(chǎn)生壓降，極址的電位會(huì)有所上升，會(huì)使得接地處的電位上升，此時(shí)當(dāng)工作人員在此接地進(jìn)附近進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)，工作人員的雙腳就會(huì)在土壤表面的不同的電位上，兩腳之間的電位差成為跨步電壓。若該電位上升的過(guò)高會(huì)引起接觸電壓和跨步電壓的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于不同的地點(diǎn)，所產(chǎn)生的接觸電壓和跨步電壓也是不相同的。最大跨步電壓表示當(dāng)接地極流過(guò)的電流最大時(shí)，人兩腳接觸該地面上的水平距離為1m 所能夠接觸到的最大的電壓。當(dāng)最大跨步電壓超過(guò)其安全范圍時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生安全方面的影響。因此，為了檢修人員的人身安全著想，對(duì)于共用接地極電位進(jìn)行分析是非常有必要的，通常計(jì)算出最大跨步電壓進(jìn)而能夠確定該接地極是否滿足要求。我國(guó)現(xiàn)行《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》為：直流接地極在最大短時(shí)工作電流時(shí)的最大允許跨步電壓為2.5V。在實(shí)際工程中經(jīng)常采用公式（1）作為判斷接地極的最大跨步電壓依據(jù)。

其中，ρs為表層土壤的電阻率。

當(dāng)測(cè)量電流注入被測(cè)接地網(wǎng)，向無(wú)窮遠(yuǎn)處流散時(shí)，地網(wǎng)相對(duì)于無(wú)窮遠(yuǎn)處的電壓與測(cè)試電流的比值即為接地網(wǎng)的接地電阻。然而，輔助電極不可能布置在無(wú)窮遠(yuǎn)處，無(wú)法測(cè)量地網(wǎng)相對(duì)于無(wú)窮遠(yuǎn)處的電位。需要在有限遠(yuǎn)處布置一個(gè)輔助電極，與地網(wǎng)形成回路。當(dāng)測(cè)試電流從輔助電極流回電源，地面電位發(fā)生了畸變，地網(wǎng)相對(duì)于無(wú)窮遠(yuǎn)處地電位有所降低。此時(shí)需要將電壓極布置在某一點(diǎn)上補(bǔ)償?shù)鼐W(wǎng)上的電位降落[3]。

3 共用接地極檢修過(guò)程中入地電流的分析

高壓直流輸電系統(tǒng)中，共用接地極也需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)對(duì)其進(jìn)行檢修，這種檢修可能是臨時(shí)性的抽檢，也可能是定期的檢修保養(yǎng)。對(duì)于兩個(gè)直流輸電系統(tǒng)采用共用接地極時(shí)，當(dāng)其中一個(gè)直流系統(tǒng)正常工作運(yùn)行，而另外一個(gè)處于檢修狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)因?yàn)榘l(fā)生故障而導(dǎo)致正常運(yùn)行的系統(tǒng)發(fā)生不平衡運(yùn)行，或者是出現(xiàn)單極大地回線運(yùn)行，此時(shí)就會(huì)與正在檢修的接地極線路構(gòu)成一個(gè)回路，進(jìn)而會(huì)對(duì)于檢修人員產(chǎn)生相應(yīng)的安全隱患。

下面以兩個(gè)直流系統(tǒng)共用同一個(gè)接地極為例進(jìn)行分析。根據(jù)圖1 等效電路可以計(jì)算出流過(guò)處于檢修狀態(tài)的接地極線路下的直流電流和流過(guò)換流變中性點(diǎn)的直流電流。圖中的Ig 表示直流輸電系統(tǒng)的入地電流，R1 為極址處檢修接地等效電阻，R2為處于檢修狀態(tài)的接地極線路電阻，R3 為交流系統(tǒng)以及換流變所的等效電阻，R4 為直流系統(tǒng)2 中性線出線側(cè)檢修接地等效電阻，R5 為正常情況下共用接地極電阻，I1 表示處于檢修狀態(tài)接地極線路所流過(guò)的電流，I2 為正常工作下共用接地極所流過(guò)的電流，I3 為流過(guò)換流變中性點(diǎn)總電流，I4 為流過(guò)直流系統(tǒng)2 中性線出線側(cè)檢修接地等效電阻的電流。

圖1 接地極等效電路圖

處于檢修狀態(tài)接地極線路所流過(guò)的電流I1，如式（2）所示：

由式（2）可以看出，共用接地極的檢修情況根據(jù)流過(guò)電流情況的不同，其所對(duì)應(yīng)的電流的分布情況也是有所不同的。檢修處到接地極之間經(jīng)過(guò)檢修接地部分和換流變壓器與交流運(yùn)行系統(tǒng)可等效看作一個(gè)電阻，該等效電阻的阻值大小與檢修處到接地極之間的距離成正比。二者距離越遠(yuǎn)，等效電阻阻值越大，反之二者距離越近，等效電阻阻值越小。并且，這個(gè)等效電阻與實(shí)際的接地位置、土壤狀況等因素均有關(guān)，因此，在實(shí)際工作中，該等效電阻準(zhǔn)確數(shù)值是難以確定的。

此外，換流變的中性點(diǎn)是與站內(nèi)的接地網(wǎng)相連，因此入地電流所分流的直流電流通過(guò)該路徑進(jìn)入相應(yīng)的交流線路之中，再根據(jù)大地電位較低的變電站的中性點(diǎn)重新流入大地。流經(jīng)檢修接地極線路的電流，一個(gè)等效流通路徑為兩站之間大地間電阻，該電阻的阻值較大，受等值交流變電站接地點(diǎn)的變化影響較小；另一個(gè)等效流通路徑為換流變中性點(diǎn)交流線路電阻，相對(duì)較小，受交流系統(tǒng)運(yùn)行方式變化影響較大，所以只能通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量出流經(jīng)換流變壓器中性點(diǎn)的電流，進(jìn)一步估算對(duì)于換流變壓器的影響[4]。

在實(shí)際的工作運(yùn)行場(chǎng)合，針對(duì)共用接地極臨時(shí)性的檢修，會(huì)出現(xiàn)入地電流直接被正在檢修的接地極線路引入到直流系統(tǒng)中，由于直流系統(tǒng)與換流變壓器的中性點(diǎn)直接連接在一起，這就會(huì)使得換流變壓器出現(xiàn)直流偏磁的現(xiàn)象，變壓器的直流偏磁出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致其勵(lì)磁電流的幅值與相位發(fā)生變化，首先會(huì)使得變壓器損耗增加，包括鐵損耗和銅損耗。系統(tǒng)中變壓器一般采用的為YNd 與YNdyn 接線方式，即使諧波分量存在于勵(lì)磁電流中，變壓器主磁通依然為正弦波，所以在變壓器繞組中的直流電流對(duì)于鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗不會(huì)有太多的影響。但是由于勵(lì)磁電流達(dá)到了磁化曲線的飽和區(qū)域，使得變壓器的漏磁大大增大，漏磁的增大會(huì)引起附加損耗的增大。對(duì)于大型變壓器而言，其附加損耗與鐵損耗差距不大，甚至?xí)嘤阼F損耗，這就表示若變壓器中的直流量增加，其附加損耗也會(huì)相應(yīng)增加。除此之外，直流電流的存在會(huì)使得變壓器的勵(lì)磁電流大幅增大，所以對(duì)于變壓器的銅損耗也會(huì)有大幅度的增加。

另外，當(dāng)變壓器繞組中流入直流電流時(shí)，使得勵(lì)磁電流顯著增多，當(dāng)直流電流達(dá)到勵(lì)磁電流額定值的4 倍時(shí)，對(duì)于單相變壓器而言，此時(shí)變壓器的噪聲會(huì)提高20dB，并且，變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象會(huì)增加了諧波的成分，進(jìn)而使得變壓器的噪聲頻率發(fā)生改變，當(dāng)變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件與噪聲頻率達(dá)到同一頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振，令變壓器的噪聲進(jìn)一步增大。若這種現(xiàn)象未能及時(shí)處理將會(huì)使得變壓器的保護(hù)裝置動(dòng)作。

而對(duì)于接地極定期的檢修和保養(yǎng)情況下，工作人員會(huì)令檢修部分處于停止工作的狀態(tài)，這樣就會(huì)將檢修部分與運(yùn)行系統(tǒng)出現(xiàn)一個(gè)電氣方面的隔離，此時(shí)便不會(huì)出現(xiàn)等效電阻換流變壓器與交流運(yùn)行系統(tǒng)的部分，故等效電阻阻值減小，若想減小入地電流，便要適當(dāng)?shù)膶⒔拥貥O的等效電阻阻值增加。

4 結(jié)論

對(duì)于直流系統(tǒng)中采用共用接地極的方式，雖然能夠很好的解決接地極項(xiàng)目的投資以及減少資源的利用，但這種方式下的檢修與維護(hù)卻有一定的難度。通過(guò)對(duì)接地極附近電位以及對(duì)入地電流的分析，得出的結(jié)論如下：

4.1 檢修人員對(duì)接地極線路進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)，盡可能的停電進(jìn)行檢修。進(jìn)行帶電檢修工作下，若出現(xiàn)接地極附近的合成電場(chǎng)超過(guò)最大跨步電壓情況時(shí)，此時(shí)檢修人員需要佩戴絕緣手套、穿絕緣鞋，來(lái)保證自身安全。

4.2 共用接地極的檢修情況根據(jù)流過(guò)電流情況的不同，其所對(duì)應(yīng)的電流的分布情況也是有所不同的。共用接地極的等效電阻和接地極之間的距離成正比，與入地電流成反比。二者距離越遠(yuǎn)，等效電阻阻值越大，入地電流越小；反之二者距離越近，等效電阻阻值越小，入地電流越大。因此若想減小入地電流，便要適當(dāng)?shù)脑黾咏拥貥O的等效電阻阻值，盡可能的減小對(duì)工作人員的傷害。