譚威，孔志達(dá)，簡(jiǎn)翔浩

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663)

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垂直型直流接地極設(shè)計(jì)探討

譚威，孔志達(dá)，簡(jiǎn)翔浩

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663)

針對(duì)不同系統(tǒng)運(yùn)行條件及土壤電阻率對(duì)接地極設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析，指出了額定電流持續(xù)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱問(wèn)題嚴(yán)重，電極井孔徑擴(kuò)大，增加施工難度，土壤電阻率對(duì)溢流密度及不均勻程度、跨步電壓值的影響較大。提出了合理優(yōu)化接地極設(shè)計(jì)條件，降低額定電流持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，盡量降低最大溢流密度及不均勻程度，減小電極地面跨步電壓值的建議。此外，計(jì)算表明與水平型接地極相比，垂直型直流接地極并不能減小對(duì)周圍環(huán)境的影響，不同型式直流接地極對(duì)周圍環(huán)境的影響差別很小。

垂直型直流接地極；溢流密度；跨步電壓

直流接地極是高壓直流輸電工程中的一個(gè)重要組成部分，它的作用體現(xiàn)在：一是單極大地運(yùn)行時(shí)作為直流返回通路的一部分直接為直流系統(tǒng)輸送電力，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和可用率；二是鉗制換流站中性點(diǎn)電位，避免兩極對(duì)地電壓不平衡而損害設(shè)備。

國(guó)內(nèi)已建直流接地極均為陸地型接地極，一般均采用水平淺埋型接地極方案，要求極址平坦，可利用面積大，大地散流特性好，對(duì)周圍環(huán)境影響小。近年來(lái)隨著西電東送和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)步推進(jìn)，我國(guó)直流輸電正朝著高電壓、大容量的方向發(fā)展，直流落點(diǎn)越來(lái)越多，系統(tǒng)額定電流也逐步提高，按照常規(guī)水平淺埋型接地極方案進(jìn)行極址選擇工作難度越來(lái)越大。尤其是在珠三角、長(zhǎng)三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地帶，人口密度大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下金屬設(shè)施眾多，土地資源尤為緊缺。因此，如何對(duì)接地極布置型式進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，盡量減少占地，具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。垂直型直流接地極具有占地小、對(duì)地形要求不高的優(yōu)勢(shì)，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

1 國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用情況

垂直型直流接地極目前在國(guó)內(nèi)外的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)極少。在波羅的海直流電纜輸電工程中曾經(jīng)采用長(zhǎng)度為500 m的深井接地極試驗(yàn)井，退役后，采用一個(gè)直徑2 km的銅環(huán)替代[1]。國(guó)內(nèi)糯扎渡直流工程中送端接地極設(shè)計(jì)采用一種雙圓環(huán)布置的垂直型直流接地極布置方案。

國(guó)內(nèi)科研單位針對(duì)垂直型直流接地極的研究起步較晚。武漢大學(xué)開展了暫態(tài)溫升計(jì)算，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[2]。針對(duì)不同布置形式的垂直接地極進(jìn)行了技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的計(jì)算比較，得出垂直型直流接地極附近土壤溫升過(guò)高的現(xiàn)象，水平雙圓環(huán)接地極較垂直直流接地極在現(xiàn)場(chǎng)更具可行性的結(jié)論[3]。

2 垂直型直流接地極布置方案介紹

垂直型直流接地極一般采用若干口垂直電極井呈圓環(huán)形等間距布置，垂直電極井通過(guò)引流電纜分組與主電纜連接。垂直電極井頂部至地面按滲水井進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保持垂直電極井及附近土壤潮濕。

圖1 垂直型直流接地極平面布置示意圖Fig. 1 Layout of DC vertical ground electrode

為提高接地極運(yùn)行可靠性，單口垂直電極井內(nèi)部可根據(jù)需要設(shè)置為多段子電極并聯(lián)。每段子電極中心固定饋電棒，周圍采用焦炭包裹。

3 垂直型直流接地極設(shè)計(jì)探討

接地極主要材料為接地極饋電材料(一般為鋼棒或高硅鉻鐵材料)、活性填充材料(石油焦炭)、引流電纜等。接地極設(shè)計(jì)主要控制因素為接地極占地面積、饋電棒直徑、焦炭截面、電纜截面、跨步電壓及溫升指標(biāo)等。接地極材料及各關(guān)鍵控制因素均是由系統(tǒng)運(yùn)行條件和極址條件所共同決定的[4-5]。

以下通過(guò)某直流工程垂直接地極的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行垂直型直流接地極的設(shè)計(jì)探討。

3.1 設(shè)計(jì)輸入條件參數(shù)

某直流工程垂直接地極的土壤電阻率分層厚度和電阻率如表1所示，設(shè)計(jì)輸入條件參數(shù)如下，

1)系統(tǒng)運(yùn)行條件：(1)額定入地電流為3 000 A；(2)最大過(guò)負(fù)荷電流為3 300A；(3)局部最大跨步電壓< 7.42 + 0.031 8ρs；(4)土壤最大允許溫度為90 ℃；(5)額定電流連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為30天。

2)極址土壤特性：(1)極址土壤熱容率為2.0×106J·m-3·K-1；(2)熱導(dǎo)率為1.0 W·m-1·K-1。

表1 土壤電阻率分層

Tab. 1 Layering of soil resistivity

層序厚度/m電阻率/(Ω·m)151002100200310005004Infinite100

3.2 不同系統(tǒng)運(yùn)行條件對(duì)接地極設(shè)計(jì)的影響

截止到目前，垂直型直流接地極仍然無(wú)法得到廣泛推廣應(yīng)用，其中一個(gè)很重要的原因就是垂直型直流接地極存在端部效應(yīng)問(wèn)題，發(fā)熱問(wèn)題不易解決。垂直型直流接地極發(fā)熱問(wèn)題主要是由于接地極連續(xù)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量造成饋電棒及周圍土壤溫升不斷升高所致。在以往直流工程接地極設(shè)計(jì)中，需考慮工程建設(shè)初期的系統(tǒng)調(diào)試期間，單極大地連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不超過(guò)30 d。根據(jù)國(guó)內(nèi)已建直流工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，雙極直流輸電系統(tǒng)在單極出現(xiàn)故障的條件時(shí)，另一極自動(dòng)轉(zhuǎn)金屬回線，金屬回線自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程需要30 min～2 h；2 h后，系統(tǒng)進(jìn)入金屬回線運(yùn)行方式，單極大地回線不作為一種正常的運(yùn)行方式。在本文中，針對(duì)單極大地不同連續(xù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行方案設(shè)計(jì)比較，不同布置方案如表2所示。

表2 不同連續(xù)運(yùn)行時(shí)間下接地極土壤最高溫度

Tab. 2 Max temperature of soil under different continuous running time

焦炭截面直徑/m持續(xù)運(yùn)行下接地極土壤最高溫度/℃(最高允許溫度90℃，土壤初始溫度30℃)30d10d72h48h24h2h22825475353335318302131804802451400350304075488202981964647331505104636891317978639328

注：土壤溫度均為理論計(jì)算值。

由表中計(jì)算結(jié)果可以看出，不同額定電流持續(xù)時(shí)間，對(duì)應(yīng)不同焦炭截面，其土壤最大溫升也不同。一般來(lái)講，額定電流持續(xù)運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，其土壤溫升速度越快，發(fā)熱問(wèn)題越嚴(yán)重，所需焦炭截面也越大，垂直電極井孔徑越大，施工難度相應(yīng)增加。

3.3 不同土壤電阻率參數(shù)對(duì)接地極設(shè)計(jì)的影響

極址附近土壤電阻率是確定接地極尺寸的依據(jù)性數(shù)據(jù)，關(guān)系到接地極設(shè)計(jì)及運(yùn)行特性。本節(jié)中針對(duì)不同類型的土壤電阻率分層模型分別進(jìn)行接地極技術(shù)性能計(jì)算，不同類型土壤電阻率分層模型如表3所示,計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 不同土壤電阻率分層

Tab. 3 Different types of Layering of soil resistivity

層序(厚度/m)/(電阻率/〈Ω·m〉)模型1模型2模型3模型4模型515/1005/505/1005/1005/1002100/200100/200100/20015/5015/20031000/5001000/5001000/50085/20085/504Infnite/100Infinite/100Infinite/501000/5001000/5005---Infinite/100Infinite/100

表4 不同土壤電阻率分層時(shí)接地極技術(shù)性能

Tab. 4 Technical performance of ground electrode under different types of Layering of soil resistivity

模型12345接地極布置方案?300m單元環(huán)等間距布置，子電極長(zhǎng)度為30m/30根，埋深5m，焦炭截面為?22m跨步電壓/V94347663943360113522接地電阻/Ω05580527055503690258最高溫度℃82575682512191629最大溢流密度/(A·m-1)4845486479

根據(jù)上表的計(jì)算結(jié)果，不同土壤模型對(duì)接地極的技術(shù)性能指標(biāo)有較大的影響，以下從幾個(gè)方面分別進(jìn)行分析：

1)表層土壤電阻率?？绮诫妷嚎刂浦等Q于表層土壤電阻率的大小。較高的表層土壤電阻率，其跨步電壓控制值也相對(duì)較大。根據(jù)土壤模型1和2兩種不同情況下的計(jì)算結(jié)果，表層土壤電阻率較高，其計(jì)算跨步電壓值也較大。在接地極方案設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)合理控制極環(huán)埋深，以保證計(jì)算跨步電壓值低于控制值，且預(yù)留一定裕度。

2)子電極所在位置的土壤電阻率。本文中垂直接地極子電極長(zhǎng)度為30 m，埋深5 m。土壤模型1中，子電極埋設(shè)于均一土壤電阻率中；土壤模型4中，子電極上半部分埋設(shè)于較低土壤電阻率中，上半部分埋設(shè)于較高土壤電阻率中；土壤模型5中，子電極上半部分埋設(shè)于較高土壤電阻率中，上半部分埋設(shè)于較低土壤電阻率中。對(duì)土壤模型1、4、5進(jìn)行比較可以看出：

電極埋設(shè)位置的土壤電阻率對(duì)最大溢流密度的影響較大。一般來(lái)講，電流流向土壤電阻率較低的土壤中，相應(yīng)的，處于較低電阻率的土壤中，饋電棒溢流密度大；反之，處于較高電阻率的土壤中，饋電棒溢流密度小。溢流密度越大的地方發(fā)熱越嚴(yán)重，同一焦炭截面下連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)土壤最高溫度也越高。

圖2 不同土壤電阻率分層時(shí)子電極溢流密度分布Fig. 2 Current releasing density distribution of each ground electrode under different type of Layering of soil resistivity

圖2所示對(duì)應(yīng)土壤模型1、4、5情況下子電極溢流密度分布。可以看出，垂直型直流接地極存在端部效應(yīng)，溢流密度不均勻程度高。而電極埋設(shè)處的土壤電阻率對(duì)溢流密度分布也存在較大的影響。處于均一土壤電阻率中的電極溢流密度偏差較小。土壤模型4中電極上半部分土壤電阻率較低，溢流密度較大，土壤模型5中由于電極上半部分土壤電阻率較高，溢流密度較大。

從土壤模型1、4、5中接地極跨步電壓計(jì)算值的比較可以看出，若垂直接地極上半部分溢流密度較大，則較多的電流流向大地表面，不利于地面跨步電壓的控制；反之，當(dāng)垂直接地極下半部分溢流密度較大時(shí)，更多的電流將流向大地深層，表層跨步電壓值更容易控制。

3)深層土壤電阻率。從土壤模型1和3中接地極計(jì)算結(jié)果可知深層土壤電阻率的高低對(duì)于跨步電壓、接地電阻、溢流密度等指標(biāo)并無(wú)明顯的影響。

4 不同型式直流接地極對(duì)周圍環(huán)境影響比較

當(dāng)直流接地極流過(guò)強(qiáng)大的直流電流時(shí)，在極址土壤中形成一個(gè)恒定的直流場(chǎng)。極址周圍土壤會(huì)產(chǎn)生不同程度的地電位升，若極址附近有中性點(diǎn)直流接地的變壓器、地下金屬管道或鎧裝電纜等金屬設(shè)施，由于這些設(shè)施可能給地電流提供了比大地土壤更為良好的導(dǎo)電通道，因此一部分電流將沿著并通過(guò)這些設(shè)施流向遠(yuǎn)方，從而可能給這些設(shè)施帶來(lái)不良影響。

接地極對(duì)周圍環(huán)境設(shè)施的影響根源在于設(shè)施不同接地點(diǎn)之間存在地電位升的差異。因此，極址周圍土壤地電位升是分析接地極對(duì)周圍環(huán)境影響的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為垂直型直流接地極可直接將電流導(dǎo)入地層深處，因而對(duì)周圍環(huán)境的影響較小。為比較不同類型直流接地極對(duì)周圍環(huán)境影響，本文中針對(duì)同一土壤模型(表3中土壤模型1)分別設(shè)計(jì)不同類型接地極方案，計(jì)算其周圍地電位升情況并比較，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同型式接地極周圍地電位升曲線Fig. 3 Electrical potential rise of different types of ground electrode

由圖3可知，不同型式接地極周圍地電位升基本相同。水平型接地極與垂直型直流接地極相比，極址周圍土壤地電位升差異僅僅體現(xiàn)在極址周圍5 km范圍以內(nèi)，且相差不超過(guò)5%。根據(jù)接地極工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，接地極與中性點(diǎn)直流接地的變壓器、地下金屬管道或鎧裝電纜等金屬設(shè)施的距離一般都在10 km范圍以上。因此，可以認(rèn)為垂直接地極并不能減小對(duì)周圍環(huán)境的影響，不同型式直流接地極對(duì)周圍環(huán)境影響差別很小。

5 結(jié)論

1)垂直型直流接地極和水平型接地極相比，具有占地小的優(yōu)勢(shì)，但仍存在端部效應(yīng)及垂直電極井施工困難問(wèn)題。

2)不同系統(tǒng)運(yùn)行條件尤其是額定電流持續(xù)運(yùn)行時(shí)間影響接地極焦炭截面的確定。額定電流持續(xù)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱問(wèn)題嚴(yán)重，電極井孔徑擴(kuò)大，施工難度增加。建議根據(jù)現(xiàn)有已建直流工程經(jīng)驗(yàn)，降低額定電流持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，合理優(yōu)化接地極設(shè)計(jì)條件，降低施工難度。

3)極址土壤電阻率是接地極設(shè)計(jì)的關(guān)鍵輸入條件，決定了接地極技術(shù)性能指標(biāo)。

表層土壤電阻率是計(jì)算跨步電壓控制值的依據(jù)。在接地極方案設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)合理控制極環(huán)埋深，以保證計(jì)算跨步電壓值低于控制值，且預(yù)留一定裕度。

電極所在位置的土壤電阻率對(duì)最大溢流密度及不均勻程度、跨步電壓值的影響較大。在接地極方案設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)極址土壤電阻率分層情況合理設(shè)置電極長(zhǎng)度及埋深，盡量降低最大溢流密度及不均勻程度，減小電極地面跨步電壓值。

4)垂直接地極并不能減小對(duì)周圍環(huán)境的影響，不同型式直流接地極對(duì)周圍環(huán)境的影響差別很小。

[1] 趙畹君. 高壓直流輸電工程技術(shù) [M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2]王羽，李曉萍，羅思敏，等. 垂直型直流接地極暫態(tài)溫升計(jì)算與試驗(yàn) [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013(10)：184-191.

[3]王建武，杜忠東，李家源，等. UHVDC垂直接地極技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能分析 [J]. 高電壓技術(shù)，2006，32(9)：59-61.

[4]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則：DL/T 437—2012[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[5]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).高壓直流輸電大地返回運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定：DL/T 5224—2014[S].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

(責(zé)任編輯 黃肇和)

Discussion on DC Vertical Ground Electrode Design

TAN Wei, KONG Zhida, JIAN Xianghao

(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China )

The influences on DC vertical ground electrode design are analyzed in view of different operating conditions and layering of soil resistivity. Heating problem is more serious while continuous running time under rated current is longer. Radius of electrode well should be enlarged and the construction difficulties become higher, accordingly. Distribution of current releasing-density and step voltage are under the influence of different type of Layering of soil resistivity. The suggestions are given as follows: optimize the input criterion sensibly, reduce continuous running time under rated current, current releasing-density and step voltage of electrode. In addition，for vertical ground electrode ,the impact to surroundings can’t be reduced compared to horizontal ground electrode. The difference of impact to surroundings is small for different type of ground electrodes.

DC vertical ground electrode; current releasing-density; step voltage

2016-03-11

中國(guó)能建廣東院科技項(xiàng)目：特高壓直流換流站設(shè)計(jì)(EX03621W)

譚威(1987)，男，湖北黃岡人，工程師，碩士，主要從事直流換流站及接地極電氣一次設(shè)計(jì)(e-mail)tanwei@gedi.com.cn。

10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2016.04.012

TM862

A

2095-8676(2016)04-0060-04