興安直流系統(tǒng)分散接地方式替代專用極址探討

李偉性

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州市，510663）

0 引言

±500 kV興安直流線路與2根接地極線路同桿架設(shè)，投運(yùn)以來發(fā)生多起雷擊導(dǎo)致雙極相繼閉鎖故障。研究發(fā)現(xiàn)直流極線招雷擊導(dǎo)致單極閉鎖后，雷電波沿極線傳播時(shí)，在近故障相的接地極線路沿線產(chǎn)生的電磁感應(yīng)過電壓導(dǎo)致多個(gè)絕緣擊穿點(diǎn)，接地極線某點(diǎn)發(fā)生閃絡(luò)電弧接地時(shí)，接地極線電流大部分將通過電弧流入桿塔，經(jīng)過桿塔的地線流到附近幾十基桿塔，共同流入大地，周圍桿塔的分流作用使得2根接地極線不平衡電流極大，造成單極大地回路下的接地極不平衡保護(hù)動(dòng)作，從而導(dǎo)致雙極閉鎖[1]。深入研究后發(fā)現(xiàn)，除接地極線沿線加裝避雷器外，無其他有效解決方式。若接地極線路另辟走廊，投資達(dá)5.5～8.6億元[2]。

1 接地極線路任意一點(diǎn)絕緣擊穿計(jì)算模型

興安直流線路全長1 210 km，起于貴州興仁縣興仁換流站，終點(diǎn)位于廣東深圳市寶安逆變站，逆變站側(cè)接地極線路（分為Idee1和Idee2 2根）與直流極線同塔架設(shè)（如圖1）約183 km，后經(jīng)5.7 km接地極專用線路進(jìn)入魚龍嶺極址。魚龍嶺極址10 km范圍架空地線段絕緣，其余所有桿塔架空地線均通過桿塔接地。

接地極線路使用3～4片瓷絕緣子與桿塔絕緣，招弧角放電間隙為337mm和510mm，極易擊穿。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，處于單極大地回路運(yùn)行方式的情況下，有超過20 kA以上的雷電流繞擊到極線時(shí)，不管繞擊到極1或極2時(shí)，在接地極總能感應(yīng)出較高過電壓，使得接地極線絕緣擊穿或閃絡(luò)，正常工作電壓可以續(xù)流維持電弧長時(shí)間存在，造成直流線路閉鎖。

雷擊引起的故障極重啟不成功，很容易滿足接地極電流不平衡保護(hù)定值，延時(shí)后閉鎖直流線路，而且閉鎖與否與保護(hù)的延時(shí)時(shí)間長度無關(guān)。

當(dāng)Idee1絕緣子發(fā)生閃絡(luò)后，接地極線上的部分電流則可以通過本桿塔和附近桿塔流入大地，造成接地極線上的電流不平衡。對(duì)于Idee1，接地桿塔為一電流結(jié)點(diǎn)，接地極線換流站側(cè)電流為接地極線極址側(cè)電流與地線分流之和。任意一點(diǎn)接地形成電路見圖2，圖2中下標(biāo)a、b、c、d分別代表極址側(cè)Ideel串聯(lián)、換流站側(cè)地線依次串并聯(lián)、站側(cè)Ideel串聯(lián)、極址側(cè)地線依次串并聯(lián)。

圖2中的Rd為極址及尾段極線電阻與極址側(cè)并架終端桿塔接地電阻并聯(lián)，其總電阻與下一檔地線電阻串聯(lián)，再與下一基接地電阻并聯(lián)……依次串并聯(lián)到短路桿塔形成的總電阻（計(jì)算時(shí)絕緣架空地線段接地電阻按無窮大考慮）。

圖2中的Rb為換流站終端桿塔接地電阻與上一檔地線電阻串聯(lián)，再與上一基接地電阻并聯(lián)……依次串并聯(lián)到短路桿塔下一基形成的總電阻。

地線分流為以上2個(gè)電阻并聯(lián)后的總電阻分流。Idee1和Idee2的分流也依圖2電阻分配計(jì)算。按照?qǐng)D2計(jì)算可知：

（1）短路點(diǎn)越靠近換流站，不平衡電流越大，地線分流作用越大，最大可達(dá)4：1以上。地線分流作用約10％通過本塔入地，60％通過相鄰5基塔入地，電流依次減小（絕緣地線段除外）。

（2）4 000A最大故障電流情況下，要達(dá)到120A的不平衡保護(hù)動(dòng)作電流，Idee1和Idee2電流比值必須大于1.06：1，靠換流站165 km段發(fā)生接地極線路短路故障會(huì)大于該值。

（3）3 000A正常單極電流情況下，要達(dá)到120A的不平衡保護(hù)動(dòng)作電流，Idee1和Idee2電流比值必須大于1.08：1，靠換流站160 km段發(fā)生接地極線路短路故障會(huì)大于該值。

（4）120 A的動(dòng)作條件非常苛刻，即使全段架空地線懸空，避免周圍桿塔的分流效應(yīng)，仍然不能將不平衡電流限制在1.08：1以內(nèi)。

（5）退出接地極電流平衡保護(hù)，如果發(fā)生檔中導(dǎo)線被吊車等物直接短路低阻接地，短路點(diǎn)將產(chǎn)生較大入地電流，但故障無法切除。

2 接地極線路完全接地方案探討

將興安直流線路廣東側(cè)接地極同桿并架段所有桿塔（絕緣架空地線段仍然保持絕緣）用并溝線夾完全接地，則各桿塔之間的串聯(lián)由原來的2根地線并聯(lián)變?yōu)?根地線和2相接地極線并聯(lián)，其等效串聯(lián)電阻為0.011 5Ω/km，各段電流比均為：I·地1：I地2：Idee1： Idee2=0.046 33/2：0.046 33/2：2.42：2.42。其相對(duì)中性點(diǎn)電阻為極址及尾段極線電阻與絕緣架空地線段地線電阻串聯(lián)，后與終端接地極線路短路桿塔接地電阻并聯(lián)，其總電阻與下一檔等效線電阻串聯(lián)，再與下一基接地電阻并聯(lián)……依次串并聯(lián)到換流站終端塔形成的總電阻。按興安直流線路現(xiàn)場(chǎng)情況初步計(jì)算得出上述完全接地，從中有以下結(jié)論：

（1）由于串聯(lián)各塔的等效串聯(lián)電阻極低，不會(huì)出現(xiàn)上文描述的大部分電流通過近站側(cè)桿塔入地的情況，而是通過所有桿塔相對(duì)均勻地分散入地，構(gòu)成一個(gè)新的接地系統(tǒng)，直流系統(tǒng)中性點(diǎn)等效電阻由原來的2.38Ω降為0.26Ω，單極大地回路運(yùn)行更加穩(wěn)定，大大降低電能損耗。

（2）對(duì)人畜影響方面：即使在4 000A的過負(fù)荷電流情況下，換流站終端塔入地電流最大，僅為68.7A，僅產(chǎn)生14.4V跨步電壓，不足以威脅人畜。向小號(hào)側(cè)桿塔入地電流依次遞減。

極址入地電流由原來的4 000 A降為16.5A，保護(hù)了魚龍嶺地區(qū)生態(tài)。

即使個(gè)別塔接地線懸空或者接地引下線全部斷裂造成桿塔接地電阻無窮大，只是使該塔分流效應(yīng)后移至其他塔，并不影響整體分流。

（3）4 000A的過負(fù)荷條件下，最嚴(yán)重的換流站終端塔單根地線電流僅為18.6A，不足以燒傷地線；單相接地極線電流為1 947A，小于以前的2 000A。

（4）以上方式接地后，不會(huì)發(fā)生感應(yīng)電導(dǎo)致不平衡效應(yīng)，避免了直流系統(tǒng)雙極閉鎖。而且低電阻（整體接地電阻也更加良好）的接地極線位于直流極線下方，起到很好的耦合地線分流作用，大大提高了線路耐雷水平，降低了直流單極閉鎖故障發(fā)生率。

（5）以上方式完全接地，改造費(fèi)用較接地極線路另辟走廊和沿線加裝避雷器的投資更為經(jīng)濟(jì)。

（6）興安直流系統(tǒng)形成1個(gè)近200 km長的大接地系統(tǒng)。若考慮站內(nèi)或某段重要跨越影響，可以將相應(yīng)區(qū)段接地極線局部絕緣，不影響大接地系統(tǒng)的整體電阻和均勻分流。

（7）在這個(gè)無窮大接地極系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，極址作用幾乎沒有，新直流工程可以考慮取消專用極址，在基建時(shí)用導(dǎo)電性能良好的接地極線串聯(lián)各塔，用絕緣銅線（避免電流直接經(jīng)鐵塔入地）直接將接地極線和地線引入每基塔地網(wǎng)，并考慮部分換流站側(cè)接地極線銅引線串聯(lián)電阻，強(qiáng)制分流更加均勻。

（8）以上方式完全接地后，接地極電流平衡保護(hù)失效。接地極線路發(fā)生單相斷落故障無法切除，有必要對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)作進(jìn)一步評(píng)估。

3 結(jié)論

興安直流接地極線路完全接地是一種解決興安直流雷擊導(dǎo)致雙極相繼閉鎖故障的思路，有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究。對(duì)于新建直流工程，可以此為思路，研究更佳的配置方案。

[1]興安直流線路730雷擊故障導(dǎo)致雙極相繼閉鎖原因分析及反措初探[R].北京：清華大學(xué)，2008.

[2]廣東省電力設(shè)計(jì)研究院.±500 kV興安直流共塔段接地極線另辟路徑單獨(dú)架設(shè)的專題報(bào)告[R].廣州：廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，2008.

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