特高壓直流輸電接地極設計研究綜述

劉玲

（國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司±800 千伏伊克昭換流站，內蒙古 鄂爾多斯 016200）

引言

我國地域遼闊，各地區能源分布、電源結構和經濟發展不平衡，可開發建設的能源呈北煤西水分布，而負荷中心則主要集中在東部沿海和南部地區。

特高壓直流輸電的優點顯而易見，可以節省空間走廊，減少網損和投資，提高系統穩定性等；但是當系統單極大地回線運行時，會有強大的直流電流經接地極注入大地，此時在極址土壤中將形成一個恒定的直流電流場，伴隨著的是大地電位升高，出現地面跨步電壓和接觸電勢等，可能對極址附近的人畜產生影響。

雖然我們已經有了數條直流輸電線路的設計與運行經驗，但是直流輸電技術在國際上尚無運行先例，如此高的電壓等級和數千安的直流電流流入大地，將對極址附近的人畜、電力設備、金屬管道等產生多大影響，都無經驗可循。因此，對于這種特高壓、大容量的直流接地極的設計和優化以及對周邊環境的影響評估需要更深入細致的研究，以便為接地極的選址和設計提供一定的依據。

一、國內外研究現狀

特高壓直流輸電是20 世紀50 年代發展起來的一種新型輸電方式，在直流接地方面，國外開展的研究較早。在極址選擇和電極設計等方面，美國和加拿大開展了大量的研究。美國在接地極設計方面通過研究和實驗，積累了豐富的經驗，其研究成果目前已被很多國家在直流接地極設計時所參考。加拿大在土壤建模、接地系統分析方面也做了很多工作。

從總體上講，隨著特高壓直流輸電在我國的快速發展，我國對此的重視也日益深入，但特高壓直流輸電作為一個新的電壓等級，尚需開展大量的研究。所以，本課題的主要出發點就是通過對電極的優化設計及其影響分析，為特高壓直流接地極的設計工作提供一定的借鑒與參考。

二、直流接地極設計

（一）設計原則

1.系統條件

①接線方式和運行方式。直流系統大地回線運行時，接地極的極性一極為陽極，另一極為陰極。對于單極工程，極性往往是固定不變的；對于雙極工程，一極先建成投運時，極性也是固定的，待雙極建成后，極性將隨系統運行的需要而變化，它主要取決于兩極電流之差的方向。②工作時間。運行壽命可以分為可更換和不更換兩種形式，大多數工程按不更換設計安裝，其運行壽命與直流系統相同。③入地電流。正常額定電流、最大過負荷電流、最大暫態電流、不平衡電流等。

2.最大允許跨步電壓

大地土壤并非是良導體，因此在電流經土壤散流時，土壤中將有壓降。當人在接地極附近行走或作業時，兩腳將處于大地表面不同的電位點上，其電位差統稱為跨步電壓，它表示人兩腳接觸該地面上水平距離為1m 的任意兩點間的電壓。最大跨步電壓是指當接地極流過最大電流時，人兩腳水平距離為1m時所能接觸到最大電壓。顯然，當最大跨步電壓超過某一安全數值時，可能會對人和動物的安全產生影響，為此必須對接地極最大跨步電壓加以限制，或采用相應的安全措施來保證人身和動物的安全。

3.最大溫升

當強大的直流持續地注入大地后，極址土壤的溫度將緩慢上升，緊靠電極表面的土壤溫度上升最快。如果環境溫度超過100℃土壤中的水將較快地被蒸發驅散，從而容易導致接地極故障，因此接地極最高溫度必須嚴格控制在100℃以下。

（二）電極形狀優化

目前世界上已投運的直流接地極可以分為兩類：一類是陸地電極，另一類是海洋電極。陸地接地極敷設方式又可以分為兩種形式：一種是淺埋型，也稱溝型，一般為水平埋設；另一種是垂直型，又稱井型，它是由若干根垂直于地面布置的子電極組成。陸地電極饋電棒一般采用導電性能良好、耐腐蝕且無污染的金屬或石墨材料，并且周圍填充石油焦炭。

從我國建設的直流工程接地極來看，大多數為陸地接地極，因此，本論文主要針對陸地接地極來進行優化設計和分析計算。陸地接地極敷設方式又可以分為兩種形式：一種是淺埋型，也稱溝型，一般為水平埋設；另一種是垂直型，又稱井型，它是由若干根垂直于地面布置的子電極組成。陸地電極饋電棒一般采用導電性能良好、耐腐蝕且無污染的金屬或石墨材料，并且周圍填充石油焦炭。水平電極埋深一般為數米，可以充分利用表層土壤電阻率較低的有利條件。因此，淺埋型電極具有施工方便、造價低廉等優點，特別適用于表層土壤電阻率低、場地寬闊且地形較平坦的極址。垂直型電極底端埋深一般為數十米，少數達到數百米。如在瑞典南部穿越波羅的海直流電纜輸電工程中的試驗電極，采用了深井型電極，其端部埋深達550m。垂直型電極最大的優點是占地面積小，由于這種電極可直接將電流導入地層深處，因此對環境的影響也很小。但這種形式的電極施工難度較大，運行時端部溢流密度過高，產生的氣體也不易排出，此外，由于子電極之間相對獨立，若將這些子電極連接起來，必將增加導流接線的難度，因此垂直型電極一般適用于表層土壤電阻率高而深層較低的極址或極址場地受到限制的地方。

1.垂直型電極。垂直型電極一般是由若干根依地形要求布置的電極組成，其運行特性取決于子電極的布置形狀、長度和根數等因素。當一根根子電極布置成圓環形，每根子電極可以獲得相同的電流。否則，就有可能出現位于端部的子電極得到的電流大大高于其他子電極的情況。因此，為了獲得比較好的電流分布特性，充分發揮每一根子電極的作用，在條件允許的情況下，子電極應盡可能布置成圓環形。另外，不同的子電極長度及數目對電極運行也會產生明顯的影響。

2.水平直線電極。水平直線電極一般適應于狹長的地形，在布置上較圓環型電極更為靈活，而且可方便地分段或分支運行，因此應用也比較廣泛；但缺點是極體上電流密度分布不均勻，端部電流密度較大。為了克服端部電流過大的缺點，工程上通常在直線電極端部加一個圓弧狀的輔助電極，從而可以獲得較為均勻的電流密度。水平電極埋深一般為數米，可以充分利用表層土壤電阻率較低的有利條件。因此，淺埋型電極具有施工方便、造價低廉等優點，特別適用于表層土壤電阻率低、場地寬闊且地形較平坦的極址。垂直型電極底端埋深一般為數十米，少數達到數百米。

3.星型電極

星型電極一般有三個以上的分支臂，由于這些分臂可以延伸到各種類型的土壤分層中，能夠充分利用極址的低電阻率區，因此可獲得較小的接地電阻；但星型電極的分支數也不宜過多，這是因為隨著電極分支數的增加，電流不均系數k 值會進一步增加，但接地電阻只是逐步降至某一定值。所以，其分支數一般以不超過6 個為宜。星型電極和水平直線電極一樣（實際上水平直線電極是一個分支數為2 的星形電極），電流沿極體分布是很不均勻的，為了克服電極端部的溢流密度高出平均值數倍的缺點，也可在其分支端部加裝一個大小合適的屏蔽環—圓弧狀屏蔽電極。模擬分析表明，加裝屏蔽環后的星型電極，電流分布特性得到了明顯的改善，從而大大改善了接地極的運行特性。需指出的是，由于分臂之間的屏蔽作用較大，有效利用系數較小，因此除丘陵地區或者土壤電阻率變化較大極址外，一般情況下，在實際中星型電極并不常用。

4.圓環型電極一般為同心布置，這樣可以達到同一圓環上溢流密度處處相等。圓環的數量應根據技術經濟比較后擇優選擇。一般講，如果土壤電阻率較高，入地電流大且時間長，則采用雙環或多環電極，否則可采用單環電極。應該指出，過多地增加圓環數量是不經濟的，通常不要超過三個圓環。

從廣義上講，只要極址條件允許，并且能夠滿足系統運行的技術要求，采用任何形式布置的接地極都是可以的。但從上述分析結果看，不同形狀的電極，其運行特性有著很大的差別。換言之，在滿足相同的系統運行條件下，選擇不同形狀的電極對工程造價會產生重大的影響。因此，在選擇或確定電極形狀時應遵循以下基本原則。

（三）共用接地極方案設想

接地極在直流輸電系統中的主要作用是作為直流電流的回路、限制中性點電位以及流過兩極不平衡電流。由于單極運行時大地作為直流回路損耗低、干擾小，因此我國目前所建設的直流工程，均是一站一極形式，在單極先投產或單極檢修的情況下，均把大地回線作為一主要的運行方式。由于單極運行時間一般為幾個月，時間較短，所以接地極利用率并不高；另外，在換流站密集的地方，若每個換流站都建設自己的接地極，則存在重復建設、資源浪費現象。

共用接地極的設計思路涉及到換流站和直流輸電線路的運行方式、接地極的電流容量選擇以及電極形式設計等眾多問題，近年來，國內圍繞這方面也開展了大量的研究工作，以期解決選址難、提高極址利用率等問題。

三、電極埋設深度優化

一般來講，電極埋深在設計過程中是一個矛盾體。不同的電極埋深反映出的地面最大跨步電壓、土壤參數的設計取值以及施工土方開挖量是不同的。從控制地面最大跨步電壓的角度講，電極埋深越深越好；但隨著深度增加，土方開挖量將隨之增加，對地面環境的破壞也將越嚴重。所以合理確定電極埋深是一個極其重要的問題。下面通過實例模型來分析水平接地極的埋深控制問題。

四、接地極對環境的影響

在直流系統單極大地回線運行方式下，直流電流從整流器高壓端流出，通過直流線路送到逆變器，然后從逆變器高壓端到中性端，再經大地回到整流器中性端，構成了直流系統的輸電回路。當強大的直流電流經接地極注入大地時，在極址土壤中將形成一個恒定的直流電流場。此時，如果附近有變壓器中性點接地的變電站、地下金屬管道等金屬構件，由于這些設施可能給地電流提供比大地土壤更為良好的導電通道，因此一部分電流將沿著并通過這些設施流向遠方，可能給這些設施帶來不良影響。

接地極地電流可能使埋在極址附近的金屬構件產生電腐蝕，這是由于這些金屬設施為地電流傳導提供了比周圍土壤導電能力更強的導電特性致使在構件的一部分段匯集地中電流又在構件的另一部分段將電流釋放到土壤中去的結果。

五、總結

特高壓直流輸電在遠距離、超大容量輸電中占有極其重要的位置。但是直流輸電線路在系統調試或發生故障情況下會處于單極大地回路運行方式這時將有非常大的電流從直流接地極流入大地，該電流使附近大地形成較大的電位差將對交流系統、地下金屬構件等產生不利影響，按照接地極的設計原則對不同的接地極形式進行分析，得到工程中最佳接地特性的接地極形式對電力系統的安全運行具有重要的意義。