特高壓直流輸電深井型接地極結構分析

馮月

（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

接地極是直流輸電工程中非常重要的組成部分。隨著直流工程數量的逐年增多，直流接地極極址的選擇更為困難，尤其是土地資源緊張的經濟發達地區，要找到遠離其他電力、通訊和重要地下金屬設施而且寬闊而又導電性能良好的大地散流區域，越來越不容易。與傳統淺埋型直流接地極相比，深井型接地極占用土地面積小，適用于極址場地受限制或者對地面設施干擾嚴重的情況下。上千安培的直流電流長時間通過接地極注入大地，會導致極址土壤發熱，極址大地電位升高，甚至在地面上產生危害性的電壓。大地電位升高可能對極址附近地下金屬管道、鎧裝電纜和接地電氣設施（如電力系統、通訊系統）的安全運行造成不利影響。深井型接地極可以將入地電流直接導入地層深處，顯著降低入地電流在地表引起的跨步電壓、地表電位和最大溢流密度，對環境影響小。

一般將接地極長度在100m 以下的接地極稱為垂直接地極，將長度在100m 以上的接地極才稱為深井接地極。

一、接地極相關數值計算方法的研究現狀

隨著電子計算機技術的快速發展，數值計算方法大量地使用到接地系統的分析研究中，能夠比較全面的考慮接地極的實際大小，土壤的實際分層模型以及接地極周圍地表電位、溢散電流分布的不均勻性，從而較準確的計算接地極的發熱特性。

（一）矩量法

國外學者R.F.Harrington 在1968 年，發表了矩量法的經典著作，系統分析了細導體結構的電磁場計算問題，認為在細導體內只有沿軸向方向的電流。基于R.F.Harrington 有關于矩量法的的理論基礎，從20 世紀70 年代開始，不斷有學者提出相關的改進計算方法。T.N.Giao 和M.P.Sarma 首次在接地參數的計算中提出了把電極分段的概念。隨后，文獻分別提出了求和法（將微段作為點源）和積分法（將微段作為線源）來計算地中任意一點的電位和電阻系數。1979 年，Heppe 在文中詳細地推導了各線性導體段的自電阻和互電阻的計算公式，有利于我們采用計算機編寫程序。其后，有一系列有關矩量法改進和相關接地計算的論文發表。在我國，21 世紀初期，清華大學將矩量法與邊界元法相結合對高壓直流接地極鋪設碳床后的溫度分布進行了研究分析。矩量法在土壤介質的非線性特性上有難以逾越的障礙。另外，隨著接地系統規模的不斷擴大，該方法的計算效率較低。

（二）鏡像法

1848 年，W.湯姆遜最先提出了用于計算一定形狀導體面附近的電荷所產生的靜電場，叫作電像法；后來發展到可以計算某些穩定電磁場，現在稱作鏡像法。具體到接地極的電流場計算問題時，把實際上非均勻介質（空氣，不同電阻率的土壤）看成是均勻的，對于所研究的場域，用閉合邊界外虛設的接地電流源來代替復雜的邊界效應。根據唯一性原理，只要虛設的接地極電流源與實際接地電流源在邊界上迭加產生的電場能滿足給定的邊界條件，就能得到正確的結果。浙江大學1994 年在文獻中，利用鏡像法在單層土壤和雙層土壤模型下，進行了三圓環直流輸電接地極的電流場分布特性研究。J.E.T.Villas 和C.M.Portela 在文獻中，采用鏡像法計算了雙層土壤模型時，接地極分別埋設在第一層土壤和第二層土壤時的地表電位分布。

鏡像法常常很簡便的得到場的解析解，但只在處理兩層土壤大地模型時有較高的實用性，在處理三層及以上大地模型時，鏡像法的計算效率在工程上將難以接受，而且只有邊界面的幾何形狀很簡單的情形才可能成功的設置鏡像，固不是普通使用的方法。

（三）邊界元法

邊界元法以定義在邊界上的邊界積分方程為控制方程，通過對邊界分元插值離散，化為代數方程組求解，降低了問題的維數，從而顯著降低了自由度數，邊界的離散也方便得多，可用較簡單的單元準確地模擬邊界形狀，最終得到階數較低的線性代數方程組。1983 年，陳慈萱教授分別用邊界元零次插值法和邊界元一次插值法計算各邊界元的泄漏電流分布。文獻將邊界積分變換法引入接地計算，該方法是利用拉普拉斯方程及其邊界條件，使用帶權ω 積分意義下的平均逼近來計算接地體參數。此方法對于計算介質分布較復雜的土壤中接地極的性能參數比較簡便。隨后，文獻研究了基于邊界元法在三層土壤中計算接地參數的程序。由于利用邊界元法在不同土壤層的分界面上需要引入大量電荷變量，導致該方法計算量較大。

（四）有限元法

有限元法的基本思想是將一個復雜的連續介質的求解區域分解為有限個形狀簡單的子區域，形成原區域的等效離散區域，從而把求解連續體的場變量問題簡化為求解有限個單元節點上的場變量問題，而后應用伽遼金法或傳統的變分法將求解描述真實連續場變量的微分方程組簡化為求解代數方程組，得到近似的數值解。用有限元法分析接地體的接地性能是可以方便地考慮土壤結構、土壤電阻率、接地極的埋深和注入電流等各種因素的影響。文獻都采用了有限元法分析了接地極的接地特性。特別是文獻采用三維有限元法計算了直線型直流接地極端部區域的電流密度，并提出了解決端部散流密度過分集中等問題的措施，為工程設計提供了一定的參考。

二、深并接地極仿真模型建立

依托通用有限元分析軟件ANSYS 來建立深井接地極電流場和溫度場合計算的仿真模型。有限元法W場的形式進行計算，選用具有中節點的高階單元可對接地極與區域邊界進行精確模擬，也可減小離散化±壤時帶來的計算誤差。參照有限元分析的一般流程，采巧ANSYS 計算深井接地極的溫升按W下H個步驟進行：

1.前處理：包括建立深井接地極幾何模型，定義饋電棒、焦炭、止壤等材料屬性，選擇單元類型，網格劃分、離散化導體與±壤區域等內容；

2.加載與求解：包括指定分析類型（智態或穩態計算），加載注入電流和邊界條件，（對智態分析）設置求解時間與步長，設置求解選項等內容；

3.后處理：主要包括結果查看與導出等操作，如提取饋電椿的溢流密度和溫度分布、截取接地極溫度分布云圖、獲得熱點區域的溫升曲線等。

深井接地極幾何模型中，電極與止壤區域邊界尺寸相差懸殊，饋電椿自身徑向與軸向的尺寸也相差懸殊——模型結構上的特殊性極大提升了剖分難度，對網格的要求也較高。若單純減小單元邊尺寸，單元量劇增可能使計算效率低下。為減小運算量，在建模時應盡可能利用模型的對稱性：對于單根深井接地極，可僅建立二維軸對稱模型，將三維問題簡化為二維問題；對于子電極對稱分布的由多根電極并聯組成的深井接地極，也可對其最小重復區域建模。例如，針對一個H根電極呈正王角形布置的深井接地極，根據其在圓周方向上的對稱性，在各向均勻的±壤中，其電流場和溫度場理論上是對稱分布的，因此可僅對其整體模型的六分之一建模。

三、不同因素改變對垂直形接地極散流性能的影響分析

（一）接地極長度

接地極長度關乎深井接地極的導流性能，為了滿足工程中對接地極溢流密度的要求，當接地極處于故障或者檢修時，有上千安的入地電流通過接地極流入大地，接地極的長度不能太短，否則會導致最大溫升及接地參數不符合工程的安全規定，同時一味的增加接地極長度會導致資源的浪費，工程費用的增加，所以通過分析計算選擇合適的接地極長度具有重要的意義。

接地極的接地電阻、跨步電壓及最大溢流密度均是隨著接地極的長度增加而不斷減小，溢流密度降低的程度非常明顯，接地電阻和跨步電壓都較小，避免了為滿足跨步電壓的要求而需要較大極址場地的征地問題。

（二）接地極埋深

有的地區表層土壤電阻率太大，采用增加接地極的埋深，使接地極位于電阻率低的土壤中，同時可以將接地極的入地電流導入深層土壤，降低對地表電位和跨步電壓的影響。

（三）焦炭截面

饋電棒長期在土壤中會存在熱腐蝕和電腐蝕的問題，焦炭作為一個普遍的填充材料，敷設在饋電棒周圍，其相比于周圍土壤的高電阻率可以有效降低接地極的溢流密度，不僅可以加快散熱，還也對可以降低饋電棒被腐蝕的速率。

四、接地極布置型式對接地特性影響分析

（一）注入點位置對溫升的影響

如果只采用一個注入點時，上千安培的電流通過頂端流入接地極，會導致端部的電流密度過大，所以通過適當增加注入點個數，來減小接地極的端部效應。

（二）分段數目對溫升的影響

對于直線型接地極，由于電極的端部電流太過于集中造成端點處腐蝕量加快，采用分段處理的方式不僅可以減小端部電流過于集中問題，并且在工程實際中，更加便于接地極的運輸、維護、檢測，提高了接地的穩定性。

總體來說，采用分段處理的深井型接地極，不僅可以便于運輸，并且溫升可以有效的降低，同時隨著分段數目的增加，會導致饋電電纜的長度增加，綜合考慮建議工程中采用兩段分段處理。

（三）分段數目長度

結合上一節的分析可以得出，通過增加饋電棒的分段數目可以減小接地極的最溫升，不過分段的長度應該盡可能的大，這是由于通過分段減小端部電流的堆積，使得電流的分布更加的均勻，接地極的電流密度減小。在工程中，建議將接地極分為兩段處理，兩段的長度盡可能的長，對工程實際有一定的指導意義。

（四）接地極并聯根數

目前已經投運的直流接地極采用三根并聯運行，通過增加接地極并聯根數，可以看出接地特性有明顯的改變，接地電阻、跨步電壓、電流密度等電氣特性都有一個明顯的降低，隨著越來越多的直流輸電工程的落地，共用接地極方案可以有效的減少資源浪費。

五、特高壓直流輸電系統接地極電流的影響

（一）對變壓器的影響

當變壓器繞組中有直流電流流過時由于直流電流的偏磁影響可能使得勵磁電流工作在鐵芯磁化曲線的飽和區導致勵磁電流的正半波出現尖頂負半波可能是正弦波。

噪音增大。當變壓器線圈中有直流電流流過時勵磁電流會明顯增大。對于單相變壓器當直流電流達到額定勵磁電流時噪音增大若達到倍的額定勵磁電流噪音增大。此外變壓器中增加了諧波成分會使變壓器噪音頻率發生變化可能會因某一頻率與變壓器結構部件發生共振使噪音增大。

（二）對地下金屬構件腐蝕

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。

六、結論

分析了深井接地極地極電阻、跨步電位差和溢流密度受入地電流、接地極埋深、焦炭直徑及接地極根數的影響，接地電阻隨埋深的增加略有增大，隨焦炭直徑和接地根數的增加呈減小趨勢;接地極的溢流密度隨焦炭直徑和接地極根數的增加顯著減小。引起變壓器中性點直流電流偏高形成變壓器的直流偏磁導致其噪音增大、電壓波峰變平、損耗增加、鐵芯拉板的溫度升高。