高壓直流接地極電流場研究現狀綜述

王鴻，羅昳昀，江娜，汪旭旭

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002;2.國網宜昌供電公司檢修公司，湖北 宜昌 443001)

高壓直流接地極電流場研究現狀綜述

王鴻1，羅昳昀2，江娜1，汪旭旭1

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002;2.國網宜昌供電公司檢修公司，湖北 宜昌 443001)

介紹了高壓直流接地極的基本作用，分析了高壓直流接地極電流場分布特點;闡述了電極埋深、土壤電阻率、極環型式、饋電電纜根數對電流場分布的影響;總結了改善直流接地極電流場分布的優化設計，比如通過合理布置引流棒、端部加均流環優化直線型電極電流場分布，以及優化極環半徑比、埋設來改善圓環型電極電流場分布;最后提出進一步研究的內容。

直流接地極;電流場分布;影響因素;優化設計

1 引言

高壓直流接地極是直流輸電工程中必不可少的重要設施，它在單極大地回線運行方式和雙極運行方式中分別擔負著導引入地電流和不平衡電流的重任;在正常雙極運行時還起著鉗制換流閥中性點電位和避免兩極對地電壓不平衡而損害設備的作用［1］。當強大的直流電流經接地極表面溢流，在土壤中流散時，在極址土壤中形成一個恒定的直流電流場。由于土壤電阻的存在，土壤中會產生壓降并形成一定的空間電位分布，在電極上方地面形成電位差，并產生跨步電壓［2］。

隨著電壓等級的提高和共用接地極的探索，對直流接地極的設計和安全穩定運行提出來新的要求。研究高壓直流接地極電流場分布情況，分析其影響因素和優化設計方案具有重大意義。本文首先分析了高壓直流接地極電流場分布特點，闡述了電極埋深、土壤電阻率、極環型式、饋電電纜根數對電流場分布的影響，總結了改善直流接地電流場分布的優化設計，最后提出進一步研究的內容。

2 高壓直流接地極電流場分布

2.1 直線型電極電流場分布

水平直線型接地極適用于狹長的地形，在布置上比較靈活，而且可方便地分段或分支運行［3，4］。直線型電極上電流溢流密度、電位分布很不均勻，整體呈“U”字型分布，端部處的最大溢流密度比中部最小的溢流密度大好幾倍［3，5－8］。電極端部的電位、跨步電勢都比中部的高很多;最大跨步電壓發生在電極端部正上方，端部以外，電位迅速下降［9，10］。

2.2 圓環型電極電流場分布

目前在我國已建成的直流輸電工程中，除南橋極址采用直線型接地極外，其余均采用圓環型接地極，包括單圓環結構、雙圓環結構和三圓環結構。圓環型接地極電流溢流密度和電位分布整體比較均勻，不會出現局部電流嚴重集中的情況［3，11］。饋電點處的電流溢流密度最高，2個饋電點間的電極中間位置溢流密度最低［12］。相對于直線型電極，圓環電極的最大溢流密度較小［3］。地表電位的極大值出現在電極正上方，極大值的個數同圓環個數相等;最大跨步電壓出現在電極上方附近［13－16］。單圓環電極地表電位在電極正上方處達到最大，然后呈環形輻射狀沿徑向遞減［16－19］。雙圓環電極外環的溢流密度、電位均高于內環;最大跨步電壓出現在外環外側，與電極的距離約等于電極埋深［12，18］。三圓環電極外環上的溢流密度最大，內環次之，中環最小;外環正上方區域地面電位最大［20］。

3 高壓直流接地極電流場分布的影響因素

3.1 電極埋深的影響

電極埋深在設計中是一個比較矛盾的參數。從控制地面最大跨步電壓的角度考慮，埋深越大越好;但是隨著電極埋深增加，電極周圍土壤散熱越困難、工程開挖量越大，且對環境的破壞也越嚴重［18］。因此，合理確定電極的埋深就顯得非常重要。隨著電極埋深增加，接地電阻、地表電位、跨步電壓以及電極附近土壤的電流密度均減小，尤其是地表電位和跨步電壓變化比較明顯［17］。此外，埋深的變化也會引起內外環電流分配的改變，隨著埋深的增加，內環與外環的電流分配比越小，即內環分配的電流更多，外環分配的電流更少。文獻［20－23］分析了±800kV特高壓圓環直流接地極，認為單圓環電極埋深應控制在2～4m內雙圓環直流接地極，雙圓環電極埋深應控制在3～5m內。

3.2 土壤電阻率的影響

實際的土壤多不均分分布，可以用水平分層的方法來模擬。以雙層土壤模型為例，上層土壤厚度以及上、下層土壤電阻率對直流接地極電流場分布影響都很大。當上層土壤厚度一定時，下層土壤電阻率對地面電位的影響很大;隨著下層土壤電阻率增加，地表電位升高，接地電阻增大，最大溢流密度增大［5，14］。上層土壤電阻率對接地電阻、跨步電壓的影響比下層電阻率大［26］。當 ρ1＜ρ2時，隨著 S 的增加，內外環分流比先減小后增大。當S達到一定值，S及ρ1、ρ2對分流比的影響很小。當S較小時，ρ1、ρ2對接地電阻的影響都比較大，隨著S增加，影響主要由ρ1產生;最大跨步電壓主要由 ρ1產生［12］。

3.3 圓環電極極環型式的影響

研究圓環電極極環型式對直流接地極電流場的影響分為兩種情況:(1)在有限的場地條件下，即最大極環半徑一定時，比較分析圓環接地極型式對電流場分布的影響;(2)在相同電極長度情況下，比較三種圓環結構對電流場分布的影響。第1種情況，設定最大環半徑為400m，仿真模擬發現:隨著極環個數的增加，環境屏蔽使溢流能力降低，并且加大了電極的不均勻度;極環個數由單個增加到3個時，接地電阻下降明顯，增加到4個時，下降趨緩［12］。第2種情況，設定極環周長為1200m，仿真模擬發現:在相同電極長度情況下，單圓環電極的接地電阻、跨步電壓最小，雙環次之，三環最差;極環個數越少，接地性能越優［21，26］。

3.4 饋電電纜根數的影響

增加饋電電纜根數會直接影響電極的電流場分布，但存在飽和效應。隨著電纜根數的增加，內外環分流比、接地電阻、跨步電壓都減小;內環分配的電流增大，電極散流愈均勻，電極的各項性能指標越優。以單圓環電極為例，分別以1～6根饋電電纜給電極注流，饋電點沿圓環等間距布置，分析結果見表1。

表1 饋電電纜根數對電流場的影響

由分析結果可知，當電纜由1根增加到4根使，各項計算值都明顯減小;當電纜由4根增加到6根，各項計算值也減小，但是變化沒有之前明顯，顯現飽和效應。因此，結合工程成本，通常取4根較合理［21］。

4 優化設計

4.1 直線型電極的優化

(1)合理布置引流棒

直線型接地極極體溢流密度和電位分布沿電極很不均勻，溢散電流集中于注入點及電極端部。原南橋直流接地極采取端點注流，導致引流電纜和饋電棒連接處溢流過分集中。經過數值計算與試驗驗證，適當改變引流棒的位置，采取中點注流或1/3處和2/3處同時注流的方式，可以把引流鋼棒與饋電鋼棒連接處的溢流密度降低到平均溢流密度水平［7］。

(2)端部加均流環

為了克服端部電流過大的缺點，通常在直線型電極端部加一個圓弧狀的輔助電極——均流環，從而可獲得較為均勻的電流密度。通過模擬分析表面，加了均流環的直線型電極，其端部電流密度明顯下降，大大改善了電流分布情況［4］。

4.2 圓環電極的優化

(1)極環半徑比的優化

當多圓環電極采用同心布置時，各個極環的半徑大小配合要適當，才能有效改善電極接地性能。對于雙圓環電極，隨著內環半徑的增大，內環分流增加，分流比與環徑比成正比例關系，當內外環環徑比為0.75時，跨步電壓最?。?7］。電極接地電阻先減小后增大，當內外環環徑比為0.82時，接地電阻最小。在相同極環比情況下，外環半徑增大，內外環間距增加，外環對內環的屏蔽作用減弱，內環分流會增加［12］。對于三圓環電極，內環與中環比例系數為0.59，中環與外環比例系數為0.82時，三圓環電極可獲得最優跨步電壓特性［27］;當三圓環半徑比為0.63:0.87:1時，接地電阻可獲得相當較小值。工程上通常取雙圓環電極環徑比為0.75～0.85，三圓環相鄰環的半徑比例控制在0.7或 0.75 左右［4］。

(2)極環埋深的優化

在滿足規程的前提下，圓環接地極采取不等深埋設，不僅可以減小工程開挖量，降低成本，而且有利于散熱，減小對環境的破壞［18］。在均勻土壤中，當外環置于內環上方時，隨著內環埋深增加，地面最大跨步電壓變化不大，幾乎為一條直線;當內環置于外環上方時，隨著內環埋深增加，地面最大跨步電壓出現的位置由內環上方逐漸轉移到外環上方，內外環埋深比為0.8 ～0.85 時，地面最大跨步電壓趨于穩定［22，23］。

5 結論

在西電東送、北電南送背景下，國家電網公司規劃在西藏、新疆等地建設超/特高壓直流輸電工程。高土壤電阻率地區的直流接地極設計研究將是未來研究的一個方向。分析高土壤電阻率、低含水量條件下圓環電極的接地特性具有重大的意義?；谀壳爸绷鹘拥貥O電流場的研究現狀，還可以研究土壤含水量對直流接地極的影響、三圓環接地極埋深特性的影響等。

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Summary of Current Field Research Status of HVDC Grounding Electrode

WANG Hong1，LUO Yi-yun2，JIANG Na1，WANG Xu-xu1
(1College of Electrical Engineering ＆ New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，China;2 Maintenance Company State Grid Yichang Power Supply Company，Yichang 443001，China)

Basic action of HVDC grounding electrode is presented in this paper．The characteristic of current field distribution of HVDC grounding electrode is analyzed．The impact of burial depths of grounding electrode，soil resistivity，type of ring polar，number of feeder cable on current field distribution is expounded．The optimization design for improving current field of HVDC grounding electrode is summarized．Such as though rationally arranging feeder steels and currentloop at the end of linear electrode are to optimize its current field distribution．And it is to improve ring electrode by optimizing polar radius ration and burial depths．Finally，the coming research content is presented．

HVDC grounding electrode;current field distribution;factor;optimization

TM86

B

1004－289X(2013)05－0013－04

2013－06－19

王鴻(1988－)，男，碩士在讀，從事輸電線路工程技術研究;

羅昳昀(1980－)，女，碩士，從事輸電線路運行維護與檢修工作。