周 新，高春英，霍思潼

（中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021）

隨著國內直流工程建設規(guī)模不斷增大，輸送容量不斷增加，接地極的功能也變得尤為重要。直流輸電大地回線方式為換流站運行方式之一，當單極大地運行方式時，直流接地極的入地電流達數(shù)千安，且可能較長時間運行，因此直流接地極的設計顯得尤為重要。合理設計直流接地極不僅能夠為特高壓直流輸電系統(tǒng)提供保障，且能夠減少工程投資。

目前，直流接地極計算軟件及模型應用軟件也各不相同。CDEGS軟件集合電流分布（Current Distribution）、電磁場（Electromagnetic Fields）、接地（Grounding）和土壤結構分析（Soil Structure A-nalysis）等功能組成，為電力系統(tǒng)接地、電磁場分析及干擾提供了計算基礎。本文基于CDEGS軟件，設計了直流特高壓輸電系統(tǒng)接地極仿真模型，并應用于實際工程中；在此基礎上，本文提出了優(yōu)化直流接地極各項參數(shù)的方法。

1 高壓直流接地極主要設計參數(shù)

直流換流站系統(tǒng)運行方式一般為：單極大地、雙極運行和單極金屬回線三種運行模式。當直流輸電系統(tǒng)單極大地運行時，直流接地極不僅需鉗制高壓直流（HVDC）系統(tǒng)中性點電位，且需為直流電流提供入地通路，因此最大入地電流為接地極設計的主要參數(shù)。當接地極運行時，其周邊區(qū)域產(chǎn)生對地電勢，為滿足人畜正?；顒?，需控制其跨步電勢［1］；對長時間運行的接地極，還需考慮接地極本體溫升等問題［2］。

1.1 入地電流

接地極入地電流分為額定電流、最大過負荷電流、最大短時電流和不平衡電流。接地極溫升及使用壽命主要由額定電流及運行時間決定。

最大過負荷電流為直流輸電系統(tǒng)在最高環(huán)境溫度時，一定時間內可輸送的最大負荷電流，一般為額定電流的1.1倍。最大短時電流指當直流系統(tǒng)發(fā)生故障時，流過接地極的暫態(tài)電流，一般為正常額定電流的1.5倍，持續(xù)時間為數(shù)秒［3］。接地極需能夠滿足短時最大電流運行工況。不平衡電流指雙極直流系統(tǒng)運行時兩極電流之差。對于雙極對稱運行方式，由于觸發(fā)角和設備參數(shù)的差異，有不平衡電流流過，其值大小可由控制系統(tǒng)自動控制在額定電流的1%之內。當雙極電流不對稱運行時，流過接地極的電流為兩極運行電流之差。

1.2 跨步電壓

大地為非理想導體，接地極正常運行時，電流經(jīng)接地極向土壤散流時，極址電位升高。地質條件不同，土壤電阻率則不同，故同一極址，不同位置地電位升及跨步電壓不同?？绮诫妷簽榻拥貥O重要的設計參數(shù)之一。

1.3 最大允許溫升

接地極最高允許溫升為100℃，由于土壤溫度超過100℃時，土壤中的水會較快蒸發(fā)，土壤內部黏土預熱結晶，不利于接地極本體散熱，長時間運行的接地極容易發(fā)生故障。接地極溫升與極址環(huán)境溫度、土壤熱特性和接地極持續(xù)運行時間有直接關系。

1.4 設計壽命

接地極設計壽命指接地極運行時間的設計取值，影響其壽命主要原因為電腐蝕；為滿足接地極與換流站設計壽命相同，在接地極設計過程中應考慮裕度或饋電棒采用更加耐腐蝕的新材料等。

2 基于CDEGS的直流接地極分析

2.1 基于CDEGS的土壤電阻率結構分析

接地極極址選定后，需勘測極址的土壤電阻率，土壤熱容率及熱導率，其中，土壤電阻率需勘測表層（0～1 000m）。某直流特高壓接地極勘測數(shù)據(jù)需經(jīng)CDEGS仿真軟件RESAP模塊進行處理計算，勘測結果見表1。根據(jù)表1可反演出該極址土壤分層及電阻率，計算結果見表2。

表1 極址區(qū)土壤電阻率測試成果統(tǒng)計

表2 極址大地土壤電阻率電性分層

2.2 基于CDEGS的接地極仿真模型分析

直流接地極主要由焦炭，饋電棒（材質主要為高硅鉻鐵）及導流電纜構成。接地極形狀可布置為圓形、橢圓形、馬鞍形或垂直型接地極?？紤]直流特高壓輸電系統(tǒng)入地電流較大，故直流特高壓輸電系統(tǒng)常采用水平雙環(huán)埋設方式，接地極內外雙環(huán)共同將電流泄入大地。

基于CDEGS仿真平臺，搭建直流接地極仿真模型，見圖1。將焦炭、饋電棒及導流系統(tǒng)電特性及物理特性反映于CDEGS仿真平臺。

圖1 基于CDEGS系統(tǒng)仿真平臺的直流接地極

由圖1可知，模型已搭建接地極極環(huán)及導流系統(tǒng)，極環(huán)包括饋電棒及焦炭；接地極極環(huán)中心為入地電流泄入大地位置；某±800kV特高壓直流接地極工程，接地極采用內4外4導流系統(tǒng)。

3 直流接地極優(yōu)化

3.1 接地極布置方案

本文針對接地極的主要限制因素（跨步電壓、面電流密度）進行優(yōu)化：通過調節(jié)接地極的內外環(huán)尺寸，尋找跨步電壓最優(yōu)值；通過調節(jié)接地極焦炭截面，尋找面電流密度最優(yōu)值。在此基礎上，本文將接地極施工土方量、設備材料量等因素作為優(yōu)化因素之一，實現(xiàn)接地極的綜合尋優(yōu)方案。

根據(jù)DL／T 5224—2014《高壓直流輸電大地返回運行系統(tǒng)設計技術規(guī)定》，接地極極環(huán)內環(huán)半徑與外環(huán)半徑之比宜為0.65～0.85，接地極極環(huán)若取0.65，則內環(huán)埋設處跨步電壓較高，外環(huán)埋設處跨步電壓較低，內環(huán)跨步電壓可能不滿足安全值；接地極極環(huán)若取0.85，則內外環(huán)比例最大，工程造價較高，經(jīng)濟性較低。綜合考慮，本文選擇在比值為0.70～0.75優(yōu)化接地極。

接地極埋設深度主要影響跨步電壓數(shù)值及接地極挖方量。接地極埋設深度為3.0～4.5m，根據(jù)極址土壤電阻率電性分層數(shù)值可知，其埋設處土壤電阻率數(shù)值較大，故本文考慮將接地極埋設于4.0～4.5m，且埋設深度取0.5的整數(shù)倍。極環(huán)焦炭截面選擇為0.6～1.0m，考慮特高壓接地極入地電流較大，焦炭截面較小則不滿足規(guī)程要求的焦炭面電流密度小于1.0A／m2，綜合實際因素，截面選擇為0.1的整數(shù)倍。

根據(jù)上述原則，本文在同一初始條件下設計了6個比選方案，具體見表3，其中最大跨步電壓控制值為12.377V／m，面電流密度控制值為1.0A／m2。

根據(jù)上述比選方案的參數(shù)，本文同時考慮施工量及造價兩個因素，6個備選方案的施工量及工程造價詳見表4及表5。

從表4中可以看出：方案3、4、5、6的焦炭用量相差不大。通過上述方案可以看出：方案1所用焦炭量較大，考慮焦炭造價較高，故方案1非最優(yōu)方案，其他方案焦炭量相差較小，故需通過其他指標進行比選。

3.2 直流接地極方案比選

根據(jù)上述方案的參數(shù)、施工量及工程造價等方面分析：在針對不同接地極環(huán)設計的過程中發(fā)現(xiàn)，在外環(huán)半徑確定的前提下，最大跨步電壓和最大線電流密度隨極環(huán)內外環(huán)比例變化的變化趨勢見圖2、圖3。對比定量為外環(huán)435m，埋深4.5m，焦炭截面邊長0.6m；內環(huán)埋深與焦炭截面邊長與外環(huán)尺寸相同。

圖2可以看出，最大跨步電壓隨極環(huán)比例升高，在0.72左右出現(xiàn)最大值，隨后開始下降。

由圖3可見，鑒于焦炭截面邊長的限制，從而可以得出在0.6m邊長的焦炭截面下，最大線電流密度的限值為1.507A／m2，在這個限制的基礎上，隨著極環(huán)比例的增大，最大線電流密度值在下降。

表3 接地極比選方案參數(shù)

表4 接地極比選方案施工量對比

表5 接地極比選方案經(jīng)濟性比較 104元

圖2 接地極極環(huán)不同比例下跨步電壓變化趨勢圖

圖3 接地極極環(huán)不同比例下線電流密度變化趨勢圖

圖4 接地極極環(huán)相同比例下跨步電壓變化趨勢圖

在內外環(huán)比例確定的情況下，最大跨步電壓仿真結果隨外環(huán)半徑變化的變化趨勢見圖4。對比中定量為內外環(huán)皆埋深4.5m，焦炭截面邊長0.6m；內外環(huán)比例0.75。由圖4可以看出，接地極內外環(huán)比例確定的前提下，跨步電壓數(shù)值變化較小。綜上所述，當考慮跨步電壓，面電流密度及線電流密度等因素后可知：方案2跨步電壓為12.343V，跨步電壓限制值為12.377V，考慮現(xiàn)場地質條件及裕度，故不推薦方案2；方案3至方案6跨步電壓均留有一定裕度；從土方挖方量考慮，方案4至方案6經(jīng)濟性較差，故方案3為接地極設計較優(yōu)方案。

4 結語

近年來，HVDC工程輸送容量不斷提升，為滿足超高壓、大容量直流系統(tǒng)運行需求，接地極設計優(yōu)化方面需不斷優(yōu)化改進。本文主要介紹了基于CDEGS軟件平臺的接地極設計模型，在此基礎上本文提出了接地極內外環(huán)半徑最優(yōu)比例數(shù)值為0.73；最后詳細闡述了接地極優(yōu)化過程中通過分析跨步電壓、面電流、線電流密度及經(jīng)濟性等因素，綜合全面對比各方案，為后續(xù)接地極設計提供了應用基礎。