劉駿，鐘偉華

(中南電力設(shè)計院，武漢市， 430071)

0 引言

隨著直流輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，我國特高壓直流輸電工程越來越多應(yīng)用于大型水電站外送。由于特高壓直流輸電輸送容量大，系統(tǒng)直流電流也越來越大，其接地極的設(shè)計越來越困難。隨著極址資源的日益稀缺，多回直流系統(tǒng)共用接地極設(shè)計越來越成為直流系統(tǒng)接地極設(shè)計的發(fā)展趨勢[1-10]。

金沙江一期送端向家壩、溪洛渡左岸、溪洛渡右岸的3個換流站，系統(tǒng)規(guī)劃輸送容量均為6 400 MW，每回直流系統(tǒng)額定輸送電流為4 kA，3個直流系統(tǒng)按共用接地極設(shè)計?，F(xiàn)階段，由于系統(tǒng)方案調(diào)整，送端為向家壩和溪洛渡左岸2個換流站，其中向家壩－上?！?00 kV直流系統(tǒng)輸送容量為6 400 MW，額定輸送電流為4 kA;溪洛渡左岸－浙西±800 kV直流系統(tǒng)輸送容量為7 200 MW，額定輸送電流為4.5 kA。2個直流系統(tǒng)按共用接地極設(shè)計。

1 共用接地極設(shè)計原則、運行條件、技術(shù)要求

1.1 設(shè)計原則

共用接地極設(shè)計遵循“安全可靠、技術(shù)先進、合理投資、適度超前”的原則，并滿足下列要求：

（1)接地極一次性建設(shè)，運行壽命不小于40年;

（2)在滿足系統(tǒng)運行的前提下，允許1個換流站以單極大地返回方式連續(xù)運行1個月;

（3)允許1個直流系統(tǒng)以1.2倍過負荷2 h單極大地返回方式運行;

（4)允許2個換流站同時以同極性單極大地回線方式短時（20 min)運行。

1.2 系統(tǒng)運行條件

接地極應(yīng)同時滿足最大跨步電壓、最高允許溫度和允許最大接地電阻的要求，主要設(shè)計原則如下：

（1)額定電流。額定電流取1個直流系統(tǒng)以單極大地回路方式運行時的電流與其他雙極系統(tǒng)正常運行時的不平衡電流之和。

（2)過負荷電流（1.2 pu)。允許1個直流系統(tǒng)以單極大地返回方式過負荷運行，過負荷電流不小于閥片最大過負荷電流。

（3)暫態(tài)電流（1.5 pu)?？紤]1個直流系統(tǒng)以單極大地回線方式運行，其他直流系統(tǒng)雙極正常運行。

（4)最大允許電流?？紤]2個直流系統(tǒng)同時出現(xiàn)同極性單極大地回線運行方式，此電流大于暫態(tài)電流，計算跨步電壓時應(yīng)按此電流控制，持續(xù)運行時間不超過20 min。

（5)不平衡電流。受控制系統(tǒng)和設(shè)備影響，不平衡電流一般取額定電流的1%左右。

（6)最大持續(xù)運行時間。額定電流下最大持續(xù)運行時間按30天考慮。

（7)電腐蝕壽命。電極的電腐蝕壽命取決于接地極陽極運行的累計安時數(shù)，根據(jù)直流系統(tǒng)運行條件，每個直流系統(tǒng)設(shè)計取不小于30 MAh。

共用接地極性能要求如表1所示。

表1 共用接地極性能要求Tab.1 Performance requirements of commom ground elecrode

1.3 技術(shù)要求

（1)地面允許的最大跨步電壓。根據(jù)DL/T 5224—2005《高壓直流輸電大地返回運行系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，考慮接地極運行時不影響農(nóng)民的正常生產(chǎn)活動，最大跨步電壓設(shè)計值（人能感覺到的最大跨步電壓)可用式（1)計算：

式中：E為計人體最大跨步電壓限值，V;ρs為表層土壤電阻率，Ωm。

現(xiàn)階段，根據(jù)國家電網(wǎng)公司特高壓建設(shè)部、科技部組織的“直流接地極附近地面跨步電壓取值的試驗研究”科研課題研究成果，最大跨步電壓設(shè)計值用式（2)計算：

（2)接觸電勢。接觸電勢設(shè)計允許值按跨步電壓設(shè)計允許值進行計算。

（3)轉(zhuǎn)移電勢。轉(zhuǎn)移電勢設(shè)計允許值采用GB 6830—86《電信線路遭受強電線路危險影響的容許值》規(guī)定的不大于60 V的要求，超過此值應(yīng)采取防范措施。

（4)接地電阻。根據(jù)系統(tǒng)要求，接地極在額定電流情況下單極大地回線方式運行時間按1個月考慮。

（5)設(shè)計壽命。接地極一次性建成投產(chǎn)，與換流站運行壽命同步。

2 饋電元件選擇

目前，直流輸電工程接地極采用的饋電元件主要有：鋼（鐵)、高硅鉻鐵、石墨、銅及其他合金。與鐵等饋電元件相比，高硅鉻鐵具有更強的抗腐蝕性，其鑄件表面容易氧化形成致密的SiO2簿膜，產(chǎn)生鈍化，從而阻礙進一步腐蝕。共用接地極入地電流特別大，電腐蝕較單回直流系統(tǒng)嚴重，因此，饋電元件采用高硅鉻鐵。

通常使用的活性材料是焦碳或焦碳碎屑，前者是煤碳干餾的產(chǎn)物，后者是精煉石油裂化過程留下的小顆粒固體殘留物。至目前為止，焦碳和焦碳碎屑作為活性材料均可以應(yīng)用于接地極。

3 接地極形式及電極布置

3.1 電極埋設(shè)型式

陸地接地極主要以土壤電解液為導(dǎo)電媒介，其敷設(shè)方式分2種：淺埋型，也稱溝型，一般為水平埋設(shè);垂直型，也稱井型電極，由若干根垂直于地面布置的子電極組成。水平埋設(shè)的淺埋型電極埋設(shè)深度一般為數(shù)m，以充分利用較低的表層土壤電阻率。淺埋型電極具有施工方便、造價低廉等優(yōu)點，特別適用于極址表層土壤電阻率低、場地寬闊且地形較平坦的區(qū)域。

共用接地極工程電極采用水平埋設(shè)。

3.2 電極埋設(shè)深度

不同的電極埋設(shè)深度所要求的地面最大跨步電壓、土壤參數(shù)的設(shè)計取值、施工土方開挖量是不同的。因此，確定電極埋設(shè)深度一般應(yīng)按控制地面跨步電壓、電極埋設(shè)層土壤性能良好、減少土方開挖量、避免外部因素破壞等方面要求，進行技術(shù)經(jīng)濟比較后合理取值。

共用接地極工程外環(huán)電極埋深為4 m，內(nèi)環(huán)電極埋深為3.5 m。

3.3 電極形狀及布置

電極的布置形狀可以是任意的，不同的形狀，其技術(shù)性能與經(jīng)濟指標有很大差別，這些都取決于電流分布密度。為了獲得比較均勻的電流分布特性，電極布置按下述要求設(shè)計：

（1)在場地允許的情況下，一般應(yīng)優(yōu)先選擇單圓型電極，其次是多個（2個及以上)同心圓環(huán)型電極。

（2)在場地條件受到限制而不能采用圓環(huán)型電極的情況下，也應(yīng)盡可能地使電極布置得圓滑些，盡量減少圓弧的曲率。

（3)對于受溫升和跨步電壓條件控制的接地極，選用同心雙圓環(huán)或多圓環(huán)布置，可以分散熱量、減少電極外緣尺寸、降低跨步電壓。

3.4 電極尺寸

確定電極尺寸主要考慮接地極的接地電阻、接地極表面溫度、電極表面電流密度、地面跨步電壓和腐蝕壽命等因素。一般情況下，接地極短時（小于接地極熱時間常數(shù))以單極大地回線方式下運行，接地極外緣尺寸或占地面積往往受跨步電壓控制，接地極填充焦碳截面往往受額定電流及其持續(xù)時間控制，饋電元件的尺寸與陽極電流運行時間、電極尺寸等有關(guān)。

4 電極布置方案

共用接地極采用共用共樂1個極址。根據(jù)選定的共樂極址地形條件，電極采用同心雙圓環(huán)布置：內(nèi)環(huán)半徑為240 m（周長1 507.2 m)，極環(huán)埋深3.5 m;外環(huán)半徑為315 m（周長1 978.2 m)，極環(huán)埋深4 m。

經(jīng)計算，接地極各項技術(shù)指標如表2所示。

表2 接地極主要技術(shù)指標計算值Tab.2Specifications(calculated value)of commom ground elecrode

（1)最大跨步電壓計算值為8.05 V，滿足式（2)的控制值要求。但根據(jù)以往工程經(jīng)驗，由于土壤電阻率分布不均勻以及電極端部效應(yīng)，實測最大跨步電壓值多數(shù)比計算值高10%～15%，即為8.86～9.3 V;

（2)極環(huán)溫升滿足運行要求;

（3)焦炭表面場強計算值為19 V/m，大于13 V/m的控制值要求，在以陽極方式單極大地運行時，有電滲透現(xiàn)象。由于本工程為雙極同時建成投運，系統(tǒng)以陰極方式單極大地運行或以陽極方式單極大地運行的時間非常短，可以不考慮焦炭表面場強的控制要求。若按滿足焦炭表面場強控制值要求，則外環(huán)焦炭截面將增大至0.9 m×0.9 m，焦炭將增加1 300 t（場強為12.6 V/m);

（4)外環(huán)導(dǎo)流電纜最大電流為810 A，內(nèi)環(huán)導(dǎo)流電纜最大電流為340A。

為了進一步優(yōu)化外環(huán)跨步電壓，可以考慮在電極內(nèi)、外環(huán)加裝均流電阻。經(jīng)計算，若外環(huán)串聯(lián)0.1 Ω的電阻，最大跨步電壓計算值為6.96 V，考慮土壤電阻率分布不均勻以及電極端部效應(yīng)，跨步電壓最大值為8.0 V，完全滿足式（2)的控制值要求。其中，外環(huán)分配額定電流為2.1 kA，為了最大程度優(yōu)化均流電阻的發(fā)熱特性，外環(huán)串聯(lián)的均流電阻（0.1 Ω)采取4臺并聯(lián)的方式，其中每臺均流電阻阻值為0.4 Ω，額定電流為600 A，額定功率為144 kW。所以，現(xiàn)階段共用接地極按預(yù)留加裝均流電阻位置考慮。

5 導(dǎo)流系統(tǒng)設(shè)計

5.1 設(shè)計原則

為了保證導(dǎo)流系統(tǒng)安全運行和獲得比較均勻的電流分布特性，導(dǎo)流系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

（1)對于多回直流系統(tǒng)共用接地極，為提高系統(tǒng)運行的可靠性、穩(wěn)定性，安全性，設(shè)計考慮各自獨立。

（2)導(dǎo)流線布置與電極形狀相配合，對于對稱型的接地極，導(dǎo)流線布置應(yīng)是對稱結(jié)構(gòu)。

（3)適當增加導(dǎo)流線分支數(shù)目，至少應(yīng)考慮1個分支回路停運（損壞或檢修)時不影響其他分支回路的安全運行，提高系統(tǒng)的可靠性。

（4)導(dǎo)流電纜應(yīng)有足夠的載流量，絕緣外套化學(xué)特性應(yīng)具有較好的熱特性。

（5)導(dǎo)流電纜應(yīng)盡量避免接在接地極電流密度大的地方，防止土壤發(fā)熱而導(dǎo)致電纜熱變形，損壞電纜。

（6)連接點要牢固可靠。

5.2 導(dǎo)流系統(tǒng)布置

為提高共用接地極運行的可靠性、穩(wěn)定性，導(dǎo)流系統(tǒng)按各自獨立的原則設(shè)計：

（1)接地極線路故障定位檢測裝置、均流裝置（預(yù)留)設(shè)置于引流處，形成小型配電裝置，便于運行維護。

（2)接地極線路自中心進線構(gòu)架引下后，依次經(jīng)管型母線、線路故障定位裝置后采用直埋電纜分4路引流至各電極環(huán)，以減少占地，不影響當?shù)剞r(nóng)民耕作。

（3)若1/4的電極退出運行，導(dǎo)流系統(tǒng)必須正常運行，故埋地電纜采用單芯6 kV YJV22-1×300的銅電纜，每個支路均采用雙根電纜并聯(lián)。

（4)引流電纜采用直埋敷設(shè)方式，中心進線構(gòu)架至電極外環(huán)開挖4條電纜溝，上方用混凝土預(yù)制板覆蓋，防止耕種造成的破壞，各極環(huán)內(nèi)側(cè)2 m處開挖電纜溝用于電纜與電極體連接。

（5)各極環(huán)內(nèi)側(cè)引流電纜每間隔16～20 m破口，與高硅鉻鐵的引流導(dǎo)線集中焊接，并用環(huán)氧樹脂包扎密封。

導(dǎo)流系統(tǒng)平面布置圖和斷面圖如圖1～2所示。

5.3 電纜敷設(shè)方式

導(dǎo)流電纜采用直埋敷設(shè)：中心進線構(gòu)架至電極外環(huán)開挖4條電纜溝，開挖深度不小于1.2 m，上方用混凝土預(yù)制板覆蓋，防止耕種造成的破壞;各極環(huán)內(nèi)側(cè)2 m處開挖電纜溝，開挖深度不小于1.2 m。

5.4 電極的接續(xù)

導(dǎo)流電纜與配電電纜、饋電元件電纜與配電電纜的連接可采用弧光焊或放熱焊。

共用接地極饋電元件采用高硅鉻鐵，饋電元件間不需要焊接，配電電纜與饋電元件電纜的連接采用放熱焊接。

6 運行監(jiān)測系統(tǒng)

為了確保電極運行安全可靠，必須經(jīng)常對電極運行情況進行檢查，以便發(fā)現(xiàn)問題，及時解決。運行人員可現(xiàn)場檢測電極溫升、土壤濕度、電流分布和地面跨步電壓等。

共用接地極采用常規(guī)的在極環(huán)上方設(shè)置檢測井進行現(xiàn)場監(jiān)測的方式。

7 注水裝置

7.1 作用與用途

由于強大的入地電流產(chǎn)生的電能絕大部分集中在電極附近，將全部轉(zhuǎn)換為熱能，極址土壤溫度升高、水分汽化、土壤電阻率增大、熱導(dǎo)率和熱容率下降，導(dǎo)致電極溫度進一步升高。

影響電極溫升的主要土壤參數(shù)是電阻率、熱導(dǎo)率和熱容率，這些參數(shù)均與土壤濕度緊密相關(guān)。因此，電極運行中為了滿足設(shè)計要求，土壤參數(shù)值不超過設(shè)計取值允許范圍，采取必要的手段使土壤保持潮濕是十分重要的。

7.2 注水方法

若極址地表水源充足，地下水位高，無須采用專門的注水裝置，依靠自然條件可使土壤保持潮濕。但為了提高可靠性，考慮在適當?shù)奈恢茫ㄈ缭陔姌O與水溝交叉處)設(shè)置滲水井，利用水溝將地面水引入電極。若極址地表水缺乏則要考慮專用的注水管道。

滲水井另一個作用是為接地極在運行中產(chǎn)生的氣體提供釋放通道。

8 地電流對周圍環(huán)境的影響

共用接地極入地電流大、持續(xù)時間長，極址附近大地電位升高，可導(dǎo)致極址附近地下金屬管道、鎧裝電纜產(chǎn)生電腐蝕，以及直流電流流過具有接地系統(tǒng)的電氣設(shè)施可能影響電氣設(shè)備的正常運行。

由于土壤電性參數(shù)設(shè)計取值與實測值的差異，需在工程投入運行后，對周圍可能受影響的金屬管道、鎧裝電纜產(chǎn)生電腐蝕、變壓器中性點進行實地測量以評估其影響程度，并提出具體的解決措施。

[1]朱藝穎.多個特高壓直流系統(tǒng)共用接地極的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（10)：22-27.

[2]黎亮，蔡上，聶國一.向家壩換流站共用接地極研究[J].電力建設(shè)，2007，28（6)：17-19.

[3]戚迎，鐘偉華，戚樂.±800 kV復(fù)龍換流站共用接地極設(shè)計特點[J].電力建設(shè)，2008，29（4)：16-19.

[4]咼虎，朱藝穎，楊銘.多個特高壓直流系統(tǒng)送端共用接地極的內(nèi)過電壓研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（10)：5-10.

[5]曾連生.金沙江一期UHVDCT程三換流站共用接地極的研究[J].電力建設(shè)，2007，28（9)：8-12.