考慮土壤溫升效應對特高壓直流輸電垂直型接地極影響研究分析

劉亞杰

（國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司±800 千伏伊克昭換流站，內蒙古 鄂爾多斯 016200）

引言

我國能源資源和能源需求不均勻分布的基本現狀決定了我國能源呈現遠距離、大容量輸送等特征；同時化石能源的日益枯竭以及環境污染等壓力使風能、太陽能等新型能源被大規模應用。但由于這類新型能源發電的間歇性、隨機性等不穩定因素以及電力系統自身消納能力的技術限制等問題，給電力建設帶來許多技術挑戰。此時高壓直流輸電技術以下絕對優勢：大規模電能的遠距離輸送，促進新能源的并網及消納，實現大范圍能源資源的優化配置以及現有電力系統運行穩定性的提升等，近年來得到快速的發展。

在高壓直流輸電工程中，直流接地極承擔著雙極運行時鉗制中性點零電位和單極運行時流通直流工作電流的重要作用；由于土地資源日益緊張，共用接地極技術被廣泛應用，通過直流接地極的電流日趨增大，對直流接地極的散流機理及溫升過程進行精確模擬及分析是超特高壓直流輸電接地極優化設計及解決由大電流入地導致的嚴重溫升及直流腐蝕和偏磁等重要措施。

一、直流接地極的接地性能研究現狀

基于科學技術客觀上的發展需要，以及計算機所提供的物質基礎，各種數值計算軟件被用于實際工程設計及基礎研究過程中，傳統的經驗公式法逐步被取代。直流接地極散流過程是直流電流在土壤區域中形成恒定電場的物理過程，因而采用基于電磁場理論的數值方法更能直觀地模擬其散流機理。同時，基于電磁場理論的數值計算方法能對任意接地導體實際結構、土壤參數特性以及復雜分層土壤和塊狀土壤結構等情況進行處理和模擬。總結當前國內外研究現狀，目前有關接地計算的電磁場理論的方法主要有有限差分法、矩量法、邊界元法和有限元法。

（一）有限差分法

有限差分法將求解區域劃分為網格，然后建立以網格節點上的值為未知數的代數方程組。即其過程為以Taylor 級數展開等方法為基礎，用節點上函數值的插商代替控制方程中的導數進行離散。該方法能直觀地將微分問題轉變為代數問題，數學概念直觀簡單。

（二）矩量法

矩量法由R.F.Harrington 在1968 年提出，認為在細接地導體內只有沿軸向方向流通的電流。傳統矩量法在計算量和計算速度上并不盡如人意，所以基于傳統矩量法的欠缺，許多研究者提出與此算法相關的改進計算方法。T.N.Giao 和M.P.Sarma 提出了將接地導體分段的概念。

（三）邊界元法

邊界元法的控制方程為定義在邊界上的邊界積分方程，其通過將邊界上的單元進行差值離散從而化為代數方程進行求解。故可以將三維問題降為邊界面上的二維問題，將二維問題降為邊界線上的一維問題，繼而顯著降低自由度數，最終得到低階線性代數方程組。

（四）有限元法

有限元法以拉普拉斯方程為控制方程，并結合相應的邊界條件，應用伽遼金加權余量法或者變分法對控制方程進行處理，將原來較難求解的微分方程轉化為代數方程組進行求解。從而將復雜的大型求解區域的場量問題化為求解有限個單元的單元節點上的場量問題。

（五）土壤參數溫度特性的研究現狀

土壤是由固體以及固體間包含的液體和氣體組成的，是具有多孔特征的導電媒質。直流輸電系統以單極大地運行方式運行時，數千安的電流通過接地導體泄流進入周圍土壤導電媒質，在土壤媒質中形成電場，并伴隨有電能轉化為熱能的物理過程；此過程中的熱能導致土壤中的水分蒸發，繼而使其電阻率增大，導電能力下降；上述動態過程進一步加速了電能向熱能的轉化過程，使土壤溫升速度加快。另外，土壤熱導率、容積熱容量等熱參數也產生不同程度的改變。

二、土壤參數溫度特性

（一）土壤基本結構及電導理論

土壤由固、液、氣及各種有機物組成，是一個復雜的系統。固相物質包括各種礦物質、動植物殘體及其衍生物、分泌物等有機物質和活的動物、微生物等，是土壤中各種物理過程的主要載體。液相物質存在于土壤顆粒間的空隙中，其實質為含有多種化學物質的水溶液，是熱和溶質在土壤中傳輸的主要載體，且處于土壤中不同位置的水具有不同的形態、能態以及不同的物理性質。氣相物質與液相物質相同，也存在于土壤各空隙中。

土壤中的固體膠粒帶有一定的電荷，同時土壤孔隙中的水分中含有許多帶電離子。所以我們可以把土壤看作多價電解質。當存在外部電場時，土壤電解質中的陰、陽離子以相反的方向移動，從而產生導電現象。且土壤電導原理與溶液電導具有一定的相似性，其導電能力與土壤中的離子濃度以及離子遷移率有關。不過，土壤是一個集固、液、氣于一體的多相體系，其導電通道是多個不同截面積、不同長度的復雜通路。具體可將其概括為三種導電路徑：（1）沿著內部空隙中的溶液導電；（2）沿著土壤顆粒與水相串聯的路徑導電；（3）沿著連續的土壤顆粒路徑導電。其中第一種導電路徑直接與土壤含水量有關，而第二種導電路徑與土壤中水分的粘度和固液接觸面的表面張力以及土壤顆粒性質有關，第三種導電路徑與土壤類型參數有關。所以，這三種通道的導電能力不僅與土壤中溶液的離子濃度有關，還與土壤中水分的含量有關。影響土壤中水分含量的因素有很多，包括土壤所在的地理位置、空氣環境以及土壤的保水性能等。所以不同地區、不同類的導電能力有明顯差異。

（二）土壤電、熱參數溫度特性

土壤是一個集固、液、氣于一體的多相體系，其中土壤固體顆粒間充斥著水分和空氣，在結構上有明顯的多孔特征。當上千安的直流電流經接地極散流至周圍土壤導電媒質中，沿上述三種導電通道導電，在散流區域中產生穩態電場。同時根據焦耳熱定律可知，電能在土壤中會轉化為熱能消耗在導電媒質土壤中，從而引起接地極周圍的土壤溫度升高；高溫下土壤中的水分慢慢蒸發，使土壤中水分含量降低，故而直接導致接地極周圍土壤電阻率增大，以及土壤熱導率、容積熱容等熱參數發生變化；土壤電阻率的增大現象使其導電能力下降，進一步加速電能向熱能的轉化，土壤溫度持續升高。例如，我國葛上±500kV 直流接地極即因土壤溫度升高而導致引流電纜燒毀、引流端土壤局部硬化等嚴重問題。

直流電流通過接地極散流入周圍土壤導電媒質中，形成電場；同時由于土壤自身存在一定的電阻率，根據焦耳熱定律可知，此過程中伴隨著電能與熱能的轉化；大量的熱能使土壤溫度有不同程度的升高，經過一定的時間積累，從而導致土壤中水分的蒸發，使土壤中得水分含量減小，土壤中電、熱參數不再恒定不變；土壤中電阻率的增大進一步影響土壤中電場的分布，而土壤熱導率、容積熱容量等熱參數的變化則進一步加速土壤溫度升高過程。綜上所述，直流接地極散流過程，不是簡單的恒定電場問題，同時還伴隨溫度場的變化，是電場和溫度場相互耦合、相互影響的過程。

三、深井接地極的布置型式與結構分析

應用于實際工程的深井接地極一般為3至6根長垂直形電極并聯運行，滿足散流和接地電阻的要求。假定極址土壌電阻率在水平方向是均勻的，顯然，當各子電極呈正多邊形布置時，經由任意一根電極入地的電流均相同，否則可能因為電極之間的屏蔽效應而出現電流分配不均、部分電極無法得到有效利用的情況。因此當極址條件允許時應盡可能將子電極布置成正多邊形，使總入地電流在各子電極之間平均分配，獲得較好的散流和溫升特性。

直流電流首先經架空線或電纜從換流站接至接地極導流系統中也母線，再通過導流線分別連接至各子電極。考慮到單井長度較長，若僅在電極頂端注入電流，注入點處電流集中易引起溫升過高和過度腐蝕的問題，為此可將電極分為若干段或増加電流注入點數目，通過引流電纜進行分流。

（一）饋電棒

饋電棒是埋設在焦炭中的良導體，為保證接地極在設計壽命內可靠運行，應根據系統條件和極址±壤性質，合理選擇饋電棒的材料、電極長度和截面直徑，防止電極因嚴重腐蝕而斷裂或引起發熱故障。

（二）石油焦炭

在接地極中，焦炭主要起兩方面的作用，一是増加電極的等效直徑，降低電極與止壤接觸面的電流密度，二是充當饋電棒和止壤之間的導電介質，將離子導電轉變為電子導電，從而抑制金屬電極材料的電腐蝕作用。幾乎所有的直流接地極均采用石油焦炭作為填充材料。實際使用時，石油焦炭需經鍛燒并研磨成粉狀，保證與饋電導體緊密接觸。但焦炭顆料并非越細越好，考慮到深井接地極排氣的需要，應謹慎選擇焦炭粒徑，使填充后的焦炭具有較好的透氣性，防止塞氣管道而阻礙排氣。

（三）鋼管護壁

護壁外側用混凝±填充鋼管與周圍王壤之間的空隙，所用的混凝止應能快速凝固且具有較低的電阻率，降低鋼管和王壤的接觸電阻。除固井作用之外，由于鉆井完成后井內充滿地下水，鋼管護壁還可防止灌注時焦炭漿向四周流失。

四、特高壓直流接地極溫升計算及影響因素分析

通過研究單根電極結構參數對深并接地極溫升的影響，包括電極長度、電極埋深、焦炭截面直徑、鋼管護壁。以及電極布置型式對深井接地極溫升的影響，包括：子電極數目、極體間距、電極分段數、電流注入點數目對接地極溫升的影響，結果表明：接地極上下端部的溫升明顯高于中部；當注流點位于饋電棒頂端且入地電流很大時，在電極自身發熱和端部效應的共同作用下，可能使電極頂端的溫升高于底端，溫度曲線表現為先緩慢下降，尾部上揚的趨勢；埋深增加時，電極首端散流增大，最大溫升増加，但其對溫升的影響更大程度與極化止壤分層結構有關；增大焦炭外徑可明濕改善接地極溫升，但受到最大鉆井直徑的限制；鋼管護壁對饋電椿溢流的密度分布影響較大但對最大溫升影響很小。改變子電極布置方式，計算結果表明：其它參數不變時，接地極最大溫升速率隨子電極數増加接地極在額定電流下的最大允許運行時間基本隨電極間距的増加而線性増加；調整電極分段數和注流點數及其位置對最大濕升的影響可忽略不汁，并不能改善深井接地極的端部效應。

五、結論

當前我國的直流接地極大都采用圓環型水平布置，接地極用地規模較大，隨著直流輸電技術的快速發展，系統容量和額定電流增加，接地極選化和征地困難的問題越來越突出。深井接地極占地面積小，可建在地形狹窄或不平坦的地區，大大降低了對極址的要求，但由于端部效應嚴重，溫升成為制約深井接地技術發展的重要因素。目前深井接地極尚未運用于實際工程中，大部分通過仿真分析的方法研究了接地極的結構對溫升及接地特性的影響。