金沙江水電外送特高壓直流輸電系統共用接地極設計

劉駿，鐘偉華

(中南電力設計院，武漢市， 430071)

0 引言

隨著直流輸電技術的廣泛應用，我國特高壓直流輸電工程越來越多應用于大型水電站外送。由于特高壓直流輸電輸送容量大，系統直流電流也越來越大，其接地極的設計越來越困難。隨著極址資源的日益稀缺，多回直流系統共用接地極設計越來越成為直流系統接地極設計的發展趨勢[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，系統規劃輸送容量均為6 400 MW，每回直流系統額定輸送電流為4 kA，3個直流系統按共用接地極設計。現階段，由于系統方案調整，送端為向家壩和溪洛渡左岸2個換流站，其中向家壩－上海±800 kV直流系統輸送容量為6 400 MW，額定輸送電流為4 kA;溪洛渡左岸－浙西±800 kV直流系統輸送容量為7 200 MW，額定輸送電流為4.5 kA。2個直流系統按共用接地極設計。

1 共用接地極設計原則、運行條件、技術要求

1.1 設計原則

共用接地極設計遵循“安全可靠、技術先進、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，運行壽命不小于40年;

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

（3)允許1個直流系統以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 系統運行條件

接地極應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，主要設計原則如下：

（1)額定電流。額定電流取1個直流系統以單極大地回路方式運行時的電流與其他雙極系統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)暫態電流（1.5 pu)。考慮1個直流系統以單極大地回線方式運行，其他直流系統雙極正常運行。

（4)最大允許電流。考慮2個直流系統同時出現同極性單極大地回線運行方式，此電流大于暫態電流，計算跨步電壓時應按此電流控制，持續運行時間不超過20 min。

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

（6)最大持續運行時間。額定電流下最大持續運行時間按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，根據直流系統運行條件，每個直流系統設計取不小于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 技術要求

（1)地面允許的最大跨步電壓。根據DL/T 5224—2005《高壓直流輸電大地返回運行系統設計技術規定》，考慮接地極運行時不影響農民的正常生產活動，最大跨步電壓設計值（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。

現階段，根據國家電網公司特高壓建設部、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，最大跨步電壓設計值用式（2)計算：

（2)接觸電勢。接觸電勢設計允許值按跨步電壓設計允許值進行計算。

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

（4)接地電阻。根據系統要求，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)設計壽命。接地極一次性建成投產，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用于接地極。

3 接地極形式及電極布置

3.1 電極埋設型式

陸地接地極主要以土壤電解液為導電媒介，其敷設方式分2種：淺埋型，也稱溝型，一般為水平埋設;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。水平埋設的淺埋型電極埋設深度一般為數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域。

共用接地極工程電極采用水平埋設。

3.2 電極埋設深度

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

共用接地極工程外環電極埋深為4 m，內環電極埋深為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，其技術性能與經濟指標有很大差別，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計：

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

（2)在場地條件受到限制而不能采用圓環型電極的情況下，也應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，選用同心雙圓環或多圓環布置，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)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。

4 電極布置方案

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

經計算，接地極各項技術指標如表2所示。

表2 接地極主要技術指標計算值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。但根據以往工程經驗，由于土壤電阻率分布不均勻以及電極端部效應，實測最大跨步電壓值多數比計算值高10%～15%，即為8.86～9.3 V;

（2)極環溫升滿足運行要求;

（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，有電滲透現象。由于本工程為雙極同時建成投運，系統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)外環導流電纜最大電流為810 A，內環導流電纜最大電流為340A。

為了進一步優化外環跨步電壓，可以考慮在電極內、外環加裝均流電阻。經計算，若外環串聯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，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，外環分配額定電流為2.1 kA，為了最大程度優化均流電阻的發熱特性，外環串聯的均流電阻（0.1 Ω)采取4臺并聯的方式，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，現階段共用接地極按預留加裝均流電阻位置考慮。

5 導流系統設計

5.1 設計原則

為了保證導流系統安全運行和獲得比較均勻的電流分布特性，導流系統設計應遵循以下原則：

（1)對于多回直流系統共用接地極，為提高系統運行的可靠性、穩定性，安全性，設計考慮各自獨立。

（2)導流線布置與電極形狀相配合，對于對稱型的接地極，導流線布置應是對稱結構。

（3)適當增加導流線分支數目，至少應考慮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，提高系統的可靠性。

（4)導流電纜應有足夠的載流量，絕緣外套化學特性應具有較好的熱特性。

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

（6)連接點要牢固可靠。

5.2 導流系統布置

為提高共用接地極運行的可靠性、穩定性，導流系統按各自獨立的原則設計：

（1)接地極線路故障定位檢測裝置、均流裝置（預留)設置于引流處，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架引下后，依次經管型母線、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，以減少占地，不影響當地農民耕作。

（3)若1/4的電極退出運行，導流系統必須正常運行，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。

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

（5)各極環內側引流電纜每間隔16～20 m破口，與高硅鉻鐵的引流導線集中焊接，并用環氧樹脂包扎密封。

導流系統平面布置圖和斷面圖如圖1～2所示。

5.3 電纜敷設方式

導流電纜采用直埋敷設：中心進線構架至電極外環開挖4條電纜溝，開挖深度不小于1.2 m，上方用混凝土預制板覆蓋，防止耕種造成的破壞;各極環內側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

導流電纜與配電電纜、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 運行監測系統

為了確保電極運行安全可靠，必須經常對電極運行情況進行檢查，以便發現問題，及時解決。運行人員可現場檢測電極溫升、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的在極環上方設置檢測井進行現場監測的方式。

7 注水裝置

7.1 作用與用途

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

影響電極溫升的主要土壤參數是電阻率、熱導率和熱容率，這些參數均與土壤濕度緊密相關。因此，電極運行中為了滿足設計要求，土壤參數值不超過設計取值允許范圍，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，考慮在適當的位置（如在電極與水溝交叉處)設置滲水井，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生的氣體提供釋放通道。

8 地電流對周圍環境的影響

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

由于土壤電性參數設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共用接地極的研究[J].電網技術，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，2007，28（6)：17-19.

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

[4]咼虎，朱藝穎，楊銘.多個特高壓直流系統送端共用接地極的內過電壓研究[J].電網技術，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，2007，28（9)：8-12.