±800 kV換流站接地極對金屬圍柵轉移電位的影響及治理方案

李學鵬，李慶軍，趙國仲，薛峰，張萬祥，曹鑫，韓志萍

(1. 中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，西安710075；2. 國網青海省電力有限公司，西寧810008；3. 國網青海省電力建設公司，西寧810008)

0 引言

接地極是直流輸電工程的重要組成部分，起著鉗制換流站中性點電位，通流不平衡電流以及在線路檢修或單級大地運行時提供大地返回通道的作用[1-6]。青稞羊村接地極是青海—河南±800 kV特高壓直流輸變電工程送端海南換流站接地極，極址位于青海省海南藏族自治州貴南縣森多鄉東偏南約8.5 km，距海南換流站直線距離約69 km。極址地貌為平緩草場，自然地面高程在3 300～3 315 m之間，場地最大高差約15 m，以草地為主，局部有少量青稞地，極址區域存在大量牧民用于分隔草場而建的金屬圍柵。

2020年7月中國電力科學研究院在青海—河南特高壓直流輸電工程單極大地運行方式調試期間，在接地極入地電流3 000 A工況下，測得極址地表金屬圍柵對地最大轉移電位[7-8]超過100 V，折算至2 h過負荷工況下(6 231 A)，最大轉移電位可能超過200 V，存在一定安全隱患。轉移電位是指當短路電流或雷電過電流流過接地裝置時，一端與接地裝置連接的金屬導體傳遞接地裝置對地的電位。

為研究接地極轉移電位超標問題，本文依據實測的青稞羊村接地極大地電阻率成果，考慮凍土和非凍土兩種工況，在2 h過負荷6 231 A入地電流下，對極址地表電位分布和轉移電位的幅值進行了模擬，通過與實測值對比，提出了接地極金屬圍柵轉移電位治理的具體措施。

1 接地極大地電阻率模型及設計方案

1.1 接地極大地土壤電阻率測量

根據極址電流場分布原理，極址周邊區域的電位主要由淺層土壤電阻率決定；遠離極址的電位分部主要與極址深層土壤電阻率和周邊大范圍的土壤電阻率有關。四極法具有局部分辨率高的特點，但測深不足，難以穿越高阻層；大地電磁法(MT法)，測深可達數百甚至上千千米，但無法取得地下1 km深度范圍內的大地電阻率分布。接地極工程一般對淺層土壤電阻率采用四極法測量，對深層土壤電阻率采用大地電磁勘探(MT)法測量[9-11]。

青稞羊村接地極采用同心雙圓環布置，外環半徑600 m，內環半徑470 m。極址區平面布置圖上共布置25個淺層土壤電阻率測點，編號為DS01—DS25，測點深度為0～200 m；9個0～2 000 m土壤電阻率測點和5個0～30 000 m土壤電阻率測點與淺表層土壤電阻率測點重合，直流接地極極址的大地電阻率勘探位置如圖1所示。

圖1 極址的大地電阻率勘探位置示意(測點間距500 m)Fig.1 Sketch diagram of location of the earth resistivity survey in electrode site (distance of measuring points is 500 m)

考慮到極址表面轉移電位主要由淺層土壤電阻率決定，故從簡化計算的角度，采用土壤電阻率反演軟件，將接地極土壤電阻率擬合為水平四層大地模型。針對凍土和非凍土兩種情況，分別進行了計算，其中表1為非凍土季節時極址大地電阻率模型，表2為凍土季節時極址大地電阻率模型。

表1 不考慮凍土層時大地模型參數Tab.1 Geodetic model parameters without considering permafrost

表2 考慮凍土層時大地模型參數Tab.2 Geodetic model parameters with considering permafrost

對于土質結構已經固定的土壤，影響土壤電阻率的兩種最明顯的季節因素就是降雨和冰凍，降雨導致電阻率降低，而冰凍則引起電阻率升高[12-15]。

青海地處我國西北高原地區，冰凍周期長，季節性凍土非常明顯，根據多年在西北高寒地區工程設計的經驗，不同季節土壤電阻率差異較大，故跨步電壓的計算必須考慮季節性凍土對土壤電阻率的影響。

為了準確得到不同季節的土壤電阻率，設計單位在2017年12月進行了可研階段的土壤率測量，2018年5月進行了初步設計階段的土壤電阻率測量，計算中依據不同季節的土壤電阻率測量結果對表層電位進行了模擬。

經查，西北電力設計院有限公司編制的《接地極巖土勘察報告》及《水文氣象報告》[16-17]中引用的相關國家標準及氣象站資料，青稞羊村接地極所在區域季節性凍土層厚度在1.2～1.6 m，主要集中在當年11月至次年4月，土壤電阻率分層模型中凍土層均按照1.6 m 考慮。

1.2 青稞羊接地極設計方案

青海海南換流站青稞羊村接地極系統額定電流5 523 A，2 h過負荷電流為6 231 A，雙極不平衡電流為10 A。

根據接地極區域土壤電阻率及地形條件，青稞羊接地極采用淺埋型陸地接地極，電極形狀為同心雙圓環形，外環半徑為600 m，內環半徑470 m；電極材料采用Φ50高硅鉻鐵棒，電極埋深為4.0 m；活性填充材料為石油焦炭，焦碳截面外環、內環均為0.80 m×0.80 m。

2 接地極金屬圍柵接地分析

青稞羊接地極表面的金屬圍柵主要是當地牧民用來劃分地界的障礙物，圖2為金屬圍欄俯視圖，圖3為金屬圍欄現狀。

圖2 接地極金屬圍欄位置示意圖Fig.2 Sketch diagram of metal fence position of electrode site

圖3 接地極金屬圍柵現狀圖Fig.3 Scene picture of metal fence of electrode site

接地極金屬圍柵的接地工況主要有3種。

1)金屬圍柵的支撐部分(圍柵樁)對地電氣絕緣，而且金屬圍柵的金屬體(鐵絲)也嚴格對地絕緣的。一般情況下經過了放電以后，可以認為懸浮的鐵絲與大地具有同一電位，此時不存在電位轉移的問題。因為鐵絲是對地嚴格絕緣的，人接觸到鐵絲以后可能會有輕微的感應電荷放電，電荷放電后不再對人體進行放電，故人體是安全的。

2)圍柵樁為金屬材質且良好接地，即鐵絲通過圍柵樁多點接地。在這種情況下鐵絲對人體存在輕微的轉移電位問題，轉移電位最大的工況是人站在某圍柵樁處安裝鐵絲，人對相鄰的圍柵樁放電，此時圍柵樁的間距就決定了轉移電位的大小。以通信線路的人體安全電壓60 V作為標準，在各種工況下，只要控制圍柵樁的間距，確保兩樁間的電位差不超過60 V，就可以認為是安全的。

3)長距離鐵絲單點接地。這種情況是轉移電位最為嚴重的情況，在這種情況下只要人接觸到了鐵絲，人體就會承受站立點與鐵絲接地點之間的地表電位差。如果人體承受電位差超過60 V就認為有觸電風險。

在本工程接地極調試期間，入地電流3 000 A時，現場測量的最長的不接地金屬圍欄對地存在超過100 V的轉移電位，折算至2 h過負荷工況下，該轉移電位可能超過200 V，因此也是最嚴重的情況。

綜合以上3種情況可見，地表電位是研究轉移電位是否安全的一個重要標準。根據行業標準DL/T 5524—2014《高壓直流輸電大地返回系統設計技術規程》[8]中對轉移電位差定義為人站在接地極附近地面觸摸遠方引入的接地導體或人站在遠處接觸極址附近引出的接地導體所能承受的接觸電位。接地極設計時極址上部金屬網狀圍柵上的轉移電位設計值可采用國家標準推薦的不大于60 V作為限值。

3 直流接地極的地表電位分布

根據直流輸電系統的工作原理，采用單極大地返回運行方式時，會在接地極地表產生電位最大值。青稞羊村接地極位于青海高寒地區，必須考慮凍土層對地表電位分布的影響，故針對凍土和未考慮凍土分別進行了計算分析。

3.1 非凍土季節地表電位分布

圖4是直流接地極極環位置示意圖，圖5為非凍土季節時距離極環中心不同距離的地表電位分布曲線，地表電位最大值為576.71 V，發生在內環附近，外環附近地表的最大電位升高為572.34 V。

圖4 接地極雙環位置示意圖(鳥瞰圖)Fig.4 Sketch dragram of ground electrode double ring position (aerial view)

圖5 距離極環中心的不同距離的地表電位分布曲線(不考慮凍土)Fig.5 Curve of surface potential at different distances from the center of polar ring (without considering frozen soil)

3.2 凍土季節地表電位分布

由圖6可得，內環附近地表電位最大值為634.39 V，內環附近地表的最大電位升高為630.77 V。

從圖6可以看出，考慮凍土層后地表電位較未考慮凍土層有所升高，地表電位梯度也有所增加，在這種情況下轉移電位的風險是最高的，故轉移電位的治理方案應該考慮凍土層的因素。

3.3 轉移電位治理范圍分析

通過圖6可見，地表電位的兩個峰值分別對應接地極內外環上，在接地極內環內側，由接地極中心至350 m范圍內，地表電位變化較為平緩，其轉移電位差不大于60 V；接地極外環外側距接地極中心680 m處向遠方無窮遠處的地表電位變化也較平緩，其轉移電位差也不大于60 V，因此可以認為在距接地極中心350 m范圍內以及距接地極中心680 m之外的范圍內(如圖7所示)，轉移電位差不需要治理。

圖6 距離極環中心的不同距離的地表電位分布曲線(考慮凍土)Fig.6 Curve of surface potential at different distances from the center of polar ring (with considering frozen soil)

圖7 需要治理的范圍示意圖(陰影部分)Fig.7 Diagram of scope to be treated (shaded part)

根據地表電位計算結果，距接地極中心350 m處至距接地極中心680 m的范圍內的金屬圍柵由于轉移電位差變化幅度較大，需要采取措施。而轉移電位差的大小同電位轉移的距離有很大關系，因此確定轉移電位差允許值所對應的電位轉移距離是治理的前提。

考慮一定安全裕度，金屬圍柵轉移電位的治理方案限值取50 V，按照最嚴苛的工況，即圍柵樁一端接地，另一端加之人體上的情況下計算，得出相鄰圍柵樁之間的最大跨度為20 m。因此若要滿足轉移電位不超過50 V，則相鄰圍柵樁間隔最大不能超過20 m，若超過需要在中間加設接地圍柵樁。

另外為保證對無窮遠處的防護效果，在距接地極中心800 m處設置接地樁，阻止地表電位向更遠處傳播。

4 轉移電位治理方案

根據對接地極轉移電位的計算分析，依據不同的治理思路，可采取以下兩種具體的治理方案。

4.1 控制轉移電位的轉移距離

1)在需要對轉移電位進行治理的范圍內，嚴格控制金屬圍柵相鄰圍柵樁之間的最大間距不超過20 m，對不滿足條件的需要增設接地圍柵樁。

2)在間距不超過20 m的原有圍柵樁增加一根垂直接地體，所有圍柵樁上的鐵絲都與接地體相連。

3)距離極環中心處680～800 m區域內的圍柵鐵絲，在800 m處增加一根垂直接地體，垂直接地極與鐵絲網相連，用于阻止轉移電位向更遠超轉移。

4)垂直接地體可采用2.0 m長的50 mm×50 mm×5 mm鍍鋅角鋼或Φ16 mm鍍鋅圓鋼，打入地中不少于2 m。

此方案的治理思路是依據對轉移電位的計算結果，將金屬圍柵分割為20 m的小段并兩端接地，使最大轉移電位滿足規程要求值，且限制電位最大不超過50 V，考慮金屬圍柵單個回路電阻較大，故雙端接地產生的閉環電流不會對人體及金屬圍柵本身產生影響。

4.2 采用非導電材質替換導電材質的圍柵

將治理范圍內的金屬圍柵全部更換為非導電材質圍柵(如PVC圍柵)，以此隔斷轉移電位傳播路徑，從而達到降低電位差的目的。原有支撐金屬圍柵的支柱由于不存在電位差，可不更換。

此方案的治理思路是徹底從物理上對電位轉移路徑進行阻隔，斷絕了轉移電位產生的可能。

以上兩種方案施行后，均需在接地極極址范圍內樹立永久標識牌，提醒牧民在極址區域內禁止設立長度超過20 m的金屬圍柵，并應向當地政府報備。

青稞羊村接地極工程采用了第一種控制方案，將金屬圍柵分割為15 m的小段并兩端接地，在工程最終投運前，對金屬圍柵的轉移電位測量結果表明最大電位差不大于40 V，達到了治理目標。

5 結論

1)在接地極地表當人站在遠處接觸極址附近引出的接地不可靠的金屬圍柵時，會存在轉移電位的問題，長距離非有效接地的金屬圍柵可能對人生安全帶來威脅。

2)轉移電位更多受淺層土壤電阻率影響，采用四極法和MT法測量的土壤電阻率建立的分層土壤模型能夠反映接地極實際土壤情況，可以用于表面電位分別計算。

3)通過對比計算結果，考慮凍土層情況下的轉移電位要較不考慮凍土層的轉移電位大，地表電位最大值出現在接地極極環附近，并向兩端快速衰減。青稞羊村接地極距接地極中心350 m處至距接地極中心680 m的范圍內的金屬圍柵轉移電位差變化幅度較大，需要采取措施。

4)依據規范及考慮一定裕度，青稞羊接地極金屬圍柵轉移電位限值可控制為50 V，按照最嚴苛的工況，具有良好接地的相鄰圍柵樁之間的最大間距不超過15 m，可滿足要求。在距接地極中心800 m米處再設置一道接地樁，阻止轉移電位向更遠處傳播。

5)根據不同的治理思路，討論了通過有效接地控制轉移電位轉移距離和更換非導電材料兩種可行的治理方案。