高壓直流輸電系統(tǒng)共用接地極檢修作業(yè)風險分析

馬正霖 任振宇 陳 諾 朱旭東 辛業(yè)春

（1、中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明650217 2、東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林132012）

所謂接地極指的就是在實際工程中，與大地相連接的電極，在高壓直流輸電中接地極起著非常重要的作用。接地極能夠將散流雷流入大地當中，在直流工程中接地極就是將直流電流所產(chǎn)生的能量安全泄入到大地中，作為整個換流站電位的零參考點。接地極應用主要設備有接地極線路、阻波器、隔離開關、匯流管母、饋電電纜、接地極體、監(jiān)測設備等[1]。

現(xiàn)如今高壓直流輸電技術的迅速發(fā)展，接地極的設置也應當綜合考慮多方面因素，如：周圍環(huán)境、自然條件以及地形因素等。為了減少這些因素的影響，共用接地極如今在工程中被廣泛使用，其作用效果也達到了十分可觀的程度。雖然共同接地極的作用效果已被認可，但這種方式下的檢修與維護卻有一定的難度。因此本文主要是針對高壓直流輸電系統(tǒng)共用接地極檢修作業(yè)風險分析進行研究。

1 共用接地級的優(yōu)點及存在的問題

共用接地極在工程中能夠被廣泛應用自然是有很多優(yōu)點，但不可否認的是共用接地極仍然存在一定的不足。

1.1 共用接地級的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的接地極相比共用接地極的優(yōu)點在于：

共用接地極的可靠性強，即當一個接地極出現(xiàn)故障時，其他與之共用的接地極可以替代該失效接地極工作。

共用接地極的經(jīng)濟性好，即共用接地極能夠有效地減少接地極的數(shù)量，進而減少對于接地極設備的投資。

共用接地極的安全性高，即當系統(tǒng)中的設備出現(xiàn)故障時，共用接地極會將故障電流經(jīng)由金屬性回路向電源處流，進而會使得產(chǎn)生的短路電流值較大，使得過電流保護裝置動作的可能性大大提高。此外，當出現(xiàn)雷電所產(chǎn)生雷擊的現(xiàn)象時，為將雷擊的程度降低到一定的程度，采用共用接地極將防雷接地保護與系統(tǒng)中設備的接地有效連接在一起，這樣能夠使得接地裝置上面的壓降減小，避免出現(xiàn)過電壓的現(xiàn)象，保證這設備工作的安全性。

1.2 共用接地級存在的問題

共用接地極除了上述的優(yōu)點外，其接地故障電流有可能使接地點電位升高而危及共用接地的相關系統(tǒng)、設備及建筑，接地電流引起的電位增高就會波及到共用接地的所有設備。為此,在選取共用接地的地點, 需要從共用接地極電位升高以及入地電流的性質這兩方面綜合分析共用接地可能存在的問題，即共用接地極是否會給設備或系統(tǒng)造成干擾[2]。一般應考慮單極運行、計劃停運、不平衡電流等因素。為了確保接地極在規(guī)定的運行年限里正常運行，在接地極設計時應留有一定的裕度。

2 共用接地極附近電位分布分析

對于相同的連接段內，共用接地極線路中其中一條線路進行檢修，而另一條線路繼續(xù)運行時，會使得輸電線路周圍形成合成電場，其電位幅值可到達正常運行時3-4 倍。

當直流電流流入系統(tǒng)中的接地部分時，電流從接地極向周圍的土壤中流散時，由于土壤的導電能力并不是很強，進而在土壤中會產(chǎn)生壓降，極址的電位會有所上升，會使得接地處的電位上升，此時當工作人員在此接地進附近進行檢修作業(yè)時，工作人員的雙腳就會在土壤表面的不同的電位上，兩腳之間的電位差成為跨步電壓。若該電位上升的過高會引起接觸電壓和跨步電壓的風險，對于不同的地點，所產(chǎn)生的接觸電壓和跨步電壓也是不相同的。最大跨步電壓表示當接地極流過的電流最大時，人兩腳接觸該地面上的水平距離為1m 所能夠接觸到的最大的電壓。當最大跨步電壓超過其安全范圍時，就會產(chǎn)生安全方面的影響。因此，為了檢修人員的人身安全著想，對于共用接地極電位進行分析是非常有必要的，通常計算出最大跨步電壓進而能夠確定該接地極是否滿足要求。我國現(xiàn)行《高壓直流接地極技術導則》為：直流接地極在最大短時工作電流時的最大允許跨步電壓為2.5V。在實際工程中經(jīng)常采用公式（1）作為判斷接地極的最大跨步電壓依據(jù)。

其中，ρs為表層土壤的電阻率。

當測量電流注入被測接地網(wǎng)，向無窮遠處流散時，地網(wǎng)相對于無窮遠處的電壓與測試電流的比值即為接地網(wǎng)的接地電阻。然而，輔助電極不可能布置在無窮遠處，無法測量地網(wǎng)相對于無窮遠處的電位。需要在有限遠處布置一個輔助電極，與地網(wǎng)形成回路。當測試電流從輔助電極流回電源，地面電位發(fā)生了畸變，地網(wǎng)相對于無窮遠處地電位有所降低。此時需要將電壓極布置在某一點上補償?shù)鼐W(wǎng)上的電位降落[3]。

3 共用接地極檢修過程中入地電流的分析

高壓直流輸電系統(tǒng)中，共用接地極也需要根據(jù)實際情況來對其進行檢修，這種檢修可能是臨時性的抽檢，也可能是定期的檢修保養(yǎng)。對于兩個直流輸電系統(tǒng)采用共用接地極時，當其中一個直流系統(tǒng)正常工作運行，而另外一個處于檢修狀態(tài)時，可能會因為發(fā)生故障而導致正常運行的系統(tǒng)發(fā)生不平衡運行，或者是出現(xiàn)單極大地回線運行，此時就會與正在檢修的接地極線路構成一個回路，進而會對于檢修人員產(chǎn)生相應的安全隱患。

下面以兩個直流系統(tǒng)共用同一個接地極為例進行分析。根據(jù)圖1 等效電路可以計算出流過處于檢修狀態(tài)的接地極線路下的直流電流和流過換流變中性點的直流電流。圖中的Ig 表示直流輸電系統(tǒng)的入地電流，R1 為極址處檢修接地等效電阻，R2為處于檢修狀態(tài)的接地極線路電阻，R3 為交流系統(tǒng)以及換流變所的等效電阻，R4 為直流系統(tǒng)2 中性線出線側檢修接地等效電阻，R5 為正常情況下共用接地極電阻，I1 表示處于檢修狀態(tài)接地極線路所流過的電流，I2 為正常工作下共用接地極所流過的電流，I3 為流過換流變中性點總電流，I4 為流過直流系統(tǒng)2 中性線出線側檢修接地等效電阻的電流。

圖1 接地極等效電路圖

處于檢修狀態(tài)接地極線路所流過的電流I1，如式（2）所示：

由式（2）可以看出，共用接地極的檢修情況根據(jù)流過電流情況的不同，其所對應的電流的分布情況也是有所不同的。檢修處到接地極之間經(jīng)過檢修接地部分和換流變壓器與交流運行系統(tǒng)可等效看作一個電阻，該等效電阻的阻值大小與檢修處到接地極之間的距離成正比。二者距離越遠，等效電阻阻值越大，反之二者距離越近，等效電阻阻值越小。并且，這個等效電阻與實際的接地位置、土壤狀況等因素均有關，因此，在實際工作中，該等效電阻準確數(shù)值是難以確定的。

此外，換流變的中性點是與站內的接地網(wǎng)相連，因此入地電流所分流的直流電流通過該路徑進入相應的交流線路之中，再根據(jù)大地電位較低的變電站的中性點重新流入大地。流經(jīng)檢修接地極線路的電流，一個等效流通路徑為兩站之間大地間電阻，該電阻的阻值較大，受等值交流變電站接地點的變化影響較小；另一個等效流通路徑為換流變中性點交流線路電阻，相對較小，受交流系統(tǒng)運行方式變化影響較大，所以只能通過試驗測量出流經(jīng)換流變壓器中性點的電流，進一步估算對于換流變壓器的影響[4]。

在實際的工作運行場合，針對共用接地極臨時性的檢修，會出現(xiàn)入地電流直接被正在檢修的接地極線路引入到直流系統(tǒng)中，由于直流系統(tǒng)與換流變壓器的中性點直接連接在一起，這就會使得換流變壓器出現(xiàn)直流偏磁的現(xiàn)象，變壓器的直流偏磁出現(xiàn)會導致其勵磁電流的幅值與相位發(fā)生變化，首先會使得變壓器損耗增加，包括鐵損耗和銅損耗。系統(tǒng)中變壓器一般采用的為YNd 與YNdyn 接線方式，即使諧波分量存在于勵磁電流中，變壓器主磁通依然為正弦波，所以在變壓器繞組中的直流電流對于鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗不會有太多的影響。但是由于勵磁電流達到了磁化曲線的飽和區(qū)域，使得變壓器的漏磁大大增大，漏磁的增大會引起附加損耗的增大。對于大型變壓器而言，其附加損耗與鐵損耗差距不大，甚至會多于鐵損耗，這就表示若變壓器中的直流量增加，其附加損耗也會相應增加。除此之外，直流電流的存在會使得變壓器的勵磁電流大幅增大，所以對于變壓器的銅損耗也會有大幅度的增加。

另外，當變壓器繞組中流入直流電流時，使得勵磁電流顯著增多，當直流電流達到勵磁電流額定值的4 倍時，對于單相變壓器而言，此時變壓器的噪聲會提高20dB，并且，變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象會增加了諧波的成分，進而使得變壓器的噪聲頻率發(fā)生改變，當變壓器的內部結構部件與噪聲頻率達到同一頻率時，就會發(fā)生共振，令變壓器的噪聲進一步增大。若這種現(xiàn)象未能及時處理將會使得變壓器的保護裝置動作。

而對于接地極定期的檢修和保養(yǎng)情況下，工作人員會令檢修部分處于停止工作的狀態(tài)，這樣就會將檢修部分與運行系統(tǒng)出現(xiàn)一個電氣方面的隔離，此時便不會出現(xiàn)等效電阻換流變壓器與交流運行系統(tǒng)的部分，故等效電阻阻值減小，若想減小入地電流，便要適當?shù)膶⒔拥貥O的等效電阻阻值增加。

4 結論

對于直流系統(tǒng)中采用共用接地極的方式，雖然能夠很好的解決接地極項目的投資以及減少資源的利用，但這種方式下的檢修與維護卻有一定的難度。通過對接地極附近電位以及對入地電流的分析，得出的結論如下：

4.1 檢修人員對接地極線路進行檢修作業(yè)時，盡可能的停電進行檢修。進行帶電檢修工作下，若出現(xiàn)接地極附近的合成電場超過最大跨步電壓情況時，此時檢修人員需要佩戴絕緣手套、穿絕緣鞋，來保證自身安全。

4.2 共用接地極的檢修情況根據(jù)流過電流情況的不同，其所對應的電流的分布情況也是有所不同的。共用接地極的等效電阻和接地極之間的距離成正比，與入地電流成反比。二者距離越遠，等效電阻阻值越大，入地電流越小；反之二者距離越近，等效電阻阻值越小，入地電流越大。因此若想減小入地電流，便要適當?shù)脑黾咏拥貥O的等效電阻阻值，盡可能的減小對工作人員的傷害。