高壓直流輸電工程共用接地極運行風險及防范措施工程應用

熊 偉，賈培亮，陳達軒，張天浩，王瑞顯

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 511300）

0 引 言

隨著電力需求的不斷增長和能源互聯網的不斷發展，高壓直流輸電工程已經成為了現代電力系統中不可或缺的一部分[1]。在高壓直流輸電系統中，共用接地極作為一個關鍵的組成部分，發揮著重要的作用[2]。因此，深入研究高壓直流輸電工程共用接地極的運行問題，分析其中的風險，并提出有效的防范措施，變得至關重要。

1 高壓直流輸電工程共用接地極簡介

高壓直流輸電是一種利用直流電在遠距離輸送大功率的技術，主要由整流站、逆變站、直流輸電線路、接地極、接地極引線以及控制保護系統等組成[3]。接地極是高壓直流輸電系統中必不可少的組成部分，當系統運行于單極大地回線方式或雙極不平衡運行方式時，為系統雙極間不平衡電流流通提供通路，能夠防止雷擊和漏電等故障[4]。共用接地極運行方式根據有無電流流過共用接地極，可分為有電流流過運行方式和無電流流過運行方式。

有電流流過運行方式是當2 個或多個高壓直流輸電系統采用同一接地極時（見圖1），由于各系統的運行方式不同或者相同但不平衡，導致共用接地極中存在不平衡電流[5]。該運行方式的特點是共用接地極的電位會隨著各系統的運行狀態而變化。

圖1 分流等效電路

無電流流過運行方式是當2 個或多個高壓直流輸電系統采用同一接地極時，由于各系統的運行方式相同且平衡，導致共用接地極中不存在不平衡電流。該運行方式的特點是共用接地極的電位相對穩定，對環境和設備的影響較小。但在實際運行中，由于各系統之間存在參數差異和控制誤差，完全無電流流過共用接地極的情況很難實現。

2 高壓直流輸電工程共用接地極運行風險分析

2.1 共用接地極對系統運行方式的影響

在高壓直流輸電工程中，共用接地極的運行方式直接關系著整個系統的穩定性、可靠性和安全性。正常情況下，高壓直流輸電系統通過共用接地極實現電流的均衡分布，以保持系統的雙極運行狀態。然而，共用接地極導致正負極逆變器和直流換流變的工作狀態不一致，進而影響系統的電氣穩定性。在某些情況下，系統需要采用單極大地回線方式運行，共用接地極的存在會干擾這種運行模式的實施。共用接地極的電勢變化影響系統中單極運行模式下的電壓分布，從而使得系統難以穩定地維持單極運行狀態，導致系統的直流功率調節困難，影響系統的運行靈活性和可靠性。

2.2 共用接地極對系統運行性能的影響

共用接地極上電流的變化會引起接地極電壓波動、過熱以及電阻增大等問題。電流的變化會導致接地極電壓的波動，進而影響系統的電氣穩定性。過高的電流使得接地極過熱，導致接地極材料受損，從而降低其可靠性。同時，共用接地極的運行方式會對系統的控制和保護功能造成潛在風險。特別是在有電流流過的共用接地極中，當一個系統發生故障時，其他系統也會受到影響，導致整個系統運行不穩定。例如，如果A 系統發生直流斷路器故障，共用接地極上的電流變化導致B 系統的直流電壓波動，影響B 系統的功率控制。這種相互影響導致控制系統出現誤判，增加系統發生故障的風險，甚至引發事故。共用接地極對系統的經濟性和效率也會產生影響，電流在共用接地極上的流動會引起能量損耗，從而降低系統的傳輸效率，能量損耗不僅浪費電能，還增加系統的運行成本。

2.3 共用接地極對環境和設備的影響

共用接地極的運行會對相關設備造成影響。電流在共用接地極上的變化會導致接地極材料內部產生焦耳熱，從而使接地極過熱。過高的溫度會損害接地極材料的結構強度和導電性能，從而降低接地極的可靠性。電流變化還會改變接地極電阻，影響其有效的接地效果。這種接地效果的不穩定性會影響系統的電氣穩定性，甚至可能引發設備故障。共用接地極中電流的變化還會引發電磁場輻射，對周圍的設備和人員產生電磁輻射干擾。這種干擾會影響設備的正常運行，甚至可能對人員的健康造成一定影響。因此，在共用接地極的設計和運行過程中，需要綜合考慮這些因素，以確保系統的穩定性和設備以及環境的安全性。

3 高壓直流輸電工程共用接地極運行風險防范措施

3.1 接地極選址措施

在高壓直流輸電工程中，接地極選址的合理性決定了其與土壤環境及周圍設施的相互影響。土壤電阻率的評估是關鍵的一步。土壤電阻率直接影響接地極的電阻情況，較高的話能有效減少接地極的電阻，從而降低電化學腐蝕和土壤溫升等風險。通常情況下，土壤電阻率不應超過100 Ω·m，最好控制在10 Ω·m以下。此外，足夠的土壤含水量也有助于降低土壤的溫度變化，從而有利于控制土壤溫升。通常要求土壤含水量不低于10%，最好保持在20%以上。同時，雖然高鹽分含量能提高土壤的導電性，降低接地極的電阻，但是過高的鹽分含量會加劇土壤的腐蝕性，影響土壤和水質的性質。通常要求土壤的鹽分含量不應超過0.5%，最好控制在0.1%以下。此外，土壤的酸堿度也是需要考慮的因素之一。在選址時，土壤的pH 值一般應保持在6.5 ～8.5，最好接近7。對于地下的金屬構件，如管道、光纜、鐵軌等，應避免或遠離接地極選址，以減少電位差和電化學腐蝕的風險。

3.2 系統運行方式和控制策略優化

3.2.1 系統運行方式選擇和切換優化

不同的運行方式會在不同情況下影響系統性能。對于雙接地極系統，可以選擇雙極平衡運行、單極大地回線運行或開環控制運行等方式。選擇適當的方式需要綜合考慮負載情況、系統穩定性和效率等因素。例如，在高負載情況下，選擇雙極平衡運行可以更好地平衡系統，而在部分負載情況下，選擇單極大地回線運行更合適。同時，切換不同運行方式時，需要確保平穩、快速和可靠的轉換。一種優化策略是基于模糊邏輯的方式切換。這種方法可以根據各系統的直流功率、電壓、極性等因素，動態調整切換條件和時間。例如，當一個系統的功率遠超過其他系統時，系統可以根據模糊邏輯規則自動切換到另一種運行方式，以平衡系統負荷。

3.2.2 系統電壓和電流控制策略優化

由于共用接地極中存在不平衡電流，需要優化系統的電壓和電流控制策略。一種有效的策略是滑模變結構控制。該方法引入滑模面和滑模變量，通過在系統出現擾動時自適應地調整控制量，實現對電壓和電流的健壯性控制，有助于抵消不平衡電流帶來的影響，保持系統的穩定性。另一種策略是考慮不同系統之間的耦合效應。耦合效應導致系統參數不匹配，影響控制精度。因此，控制策略應該采取協調的措施，確保系統之間的電壓和電流保持穩定。

3.3 環境和設備保護措施

當2 個或多個高壓直流輸電系統共用接地極時，需要安裝和維護相應的監測與保護設備，以實時監測共用接地極的運行狀態，及時發現并處理出現的故障和異常。

接地極電位監測裝置一般由電位計、參比電極、信號傳輸線等組成，安裝在接地極附近的合適位置，定期或連續地記錄接地極電位，并將數據傳送到控制中心或現場顯示器。接地極電位監測裝置可以幫助分析共用接地極對系統運行方式的影響，判斷共用接地極是否發生故障或異常。

金屬管道腐蝕監測裝置一般由電流密度計、電位差計、溫度計以及pH 計等組成，安裝在金屬管道或結構物的表面或內部，定期或連續地測量金屬管道或結構物的電流密度、電位差、溫度以及pH 值等參數，并將數據傳送到控制中心或現場顯示器。金屬管道腐蝕監測裝置可以幫助制定合理的防腐蝕和絕緣措施，并判斷金屬管道或結構物是否需要更換或修復。

4 共用接地極工程應用實例分析

云廣特高壓直流輸電工程是全球首個±800 kV直流輸電項目，覆蓋從云南省楚雄市到廣東省廣州市，輸電距離達1 438 km，額定容量為5×106kW。貴廣Ⅱ回直流輸電工程則是國內±500 kV 直流輸電項目，橫跨自貴州省興仁市至廣東省深圳市，全程長達1 225 km，額定容量為3×106kW。這2 個工程共同采用單極大地回線運行方式，共用一個位于廣東清遠市的接地極。

共用接地極方案的設計與評價主要涵蓋以下3個方面。

第一，接地極選址和設計。考慮2 個工程的運行參數與條件，選擇了位于廣東省清遠市飛來峽鎮的沼澤濕地作為共用接地極的位置。該位置具有土壤濕度高、導電性好、土壤酸度低以及金屬管道稀少等優勢，從而降低接地極的電阻和腐蝕風險。這種方案采用創新的雙層網狀結構，結合不銹鋼網和鋁網，以獲得卓越的導電性和耐腐蝕性。

第二，系統運行方式和控制策略。2 個工程均采用同極性的單極大地回線運行方式，即云廣特高壓直流輸電工程采用正極大地回線，貴廣Ⅱ回直流輸電工程采用負極大地回線，因此共用接地極中的電流等于2 個系統的電流之和。正常運行時，按功率需求執行恒功率控制，并根據實際情況進行微調。當其中一個系統發生故障或異常時，另一個系統會自動切換至恒電壓控制，并根據故障性質和范圍進行相應的調整。當2 個系統同時出現故障或異常時，會優先確保云廣特高壓直流輸電工程的運行，并根據情況進行調節。

第三，環境和設備保護措施。針對共用接地極產生的不平衡電流對周圍環境和設備的影響，采取了一系列的保護措施。這包括定期監測和分析接地極周圍的土壤與水質，評估污染程度和影響范圍，然后采取相應的改善和治理措施，如調整土壤pH 值、增加有機物含量、施加脫鹽劑以及種植耐鹽植物等。另外，需要定期檢查和維護接地極附近的金屬管道與結構物。

運行結果表明，這一方案在各方面都表現出可行性，為2 個工程的運行提供了有力的支持。接地極的電阻、電位變化等指標表現出穩定性和可控性，同時有效控制了對周圍環境和設備的影響。

5 結 論

高壓直流輸電工程共用接地極的運行問題需要全面考慮和解決，各方共同努力。只有通過科學的分析、切實可行的防范措施以及經驗總結的不斷積累，才能確保電力系統的穩定運行，為能源輸送提供可靠支持，同時為電力行業的可持續發展做出貢獻。