基于廣域連接的廣東地區(qū)接地極連接方案研究

高嘉，鄭智慧，熊紐，簡翔浩，?，陳碩

（1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣州 510670；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510633；3.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣州 510670）

隨著西電東送和全國聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)步推進(jìn)，我國直流輸電正朝著高電壓、大容量的方向發(fā)展，直流落點(diǎn)越來越多，系統(tǒng)額定電流也逐步提高，參照傳統(tǒng)的常規(guī)方式設(shè)置接地極，導(dǎo)致選址工作變得愈加困難。一方面，我國負(fù)荷多集中在東部以及南部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，人口密集，受接地極影響的設(shè)施多，尤其是電力系統(tǒng)和油氣管道，交流電力系統(tǒng)復(fù)雜，油氣管道密集，造成接地極選址受限。另一方面，在電源集中的西部地區(qū)，山地面積大，受地理?xiàng)l件的制約，尋找面積大，適合埋設(shè)接地極的平地較困難［1-2］。

南方電網(wǎng)直流輸電工程的受端大部分落點(diǎn)在廣東，是我國特大省級電網(wǎng)之一。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷大、電力元件眾多。而珠三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密度大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，油氣管道金屬設(shè)施眾多，使得接地極選址受到很大的限制。送端換流站多位于云南，屬于高山地貌，區(qū)域地形峰巒疊嶂、山勢陡峻、山高谷深坡陡，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，局部地帶有平壩，范圍不大且多呈現(xiàn)長條形分布，由于平壩區(qū)域障礙設(shè)施較多，也不利于接地極選址。

近年來已采取共用接地［3］、垂直接地極［4-5］、深井接地［6］等新型接地技術(shù)，部分解決了接地極選址難、建設(shè)難的問題，本文提出基于廣東省內(nèi)現(xiàn)有接地極組成廣域接地極方案，實(shí)現(xiàn)接地極系統(tǒng)方案的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。

1 廣域接地極概述

廣域接地極有別于狹義上常規(guī)的獨(dú)立接地極或共用接地極，即接地極不限于一個(gè)接地點(diǎn)或接地場所，而是在一定區(qū)域內(nèi)但凡現(xiàn)實(shí)中具備可行性的處于不同極址的多個(gè)獨(dú)立接地極通過電氣連接組成廣域范圍內(nèi)的并聯(lián)接地極系統(tǒng)，系統(tǒng)單極運(yùn)行電流可通過這些不同接地體在不同地點(diǎn)散流，形成一個(gè)廣域范圍內(nèi)的接地極系統(tǒng)［1］。

廣域接地極可將一回直流單極大地回線運(yùn)行電流由多個(gè)子接地極分擔(dān)［7-8］，較常規(guī)接地極減小了單個(gè)極址的電磁效應(yīng)［9］，在降低新極址的設(shè)計(jì)要求和緩解現(xiàn)有接地極對油氣管道和周邊電力系統(tǒng)的影響有良好的效果［10］。

2 廣域接地極組成方案

目前，廣東地區(qū)南方電網(wǎng)已投運(yùn)的直流線路共有8回，投運(yùn)的接地極共有6個(gè)，其中2個(gè)為兩回直流共用。對廣東省內(nèi)已建的各接地極是否可作為廣域接地極連接分析情況如表1所示。

表1 接地極作為廣域接地極連接可行性分析Tab.1 Feasibility analysis of existing grounding electrode as DC WAN grounding electrodes

根據(jù)后續(xù)的直流送電規(guī)劃，換流站落點(diǎn)分別為珠江三角洲東部和西部地區(qū)，各2個(gè)站址（以下分別簡稱東1、東2、西1、西2換流站）。根據(jù)初步的接地極選址，粵西北地區(qū)接地極極址條件較好，新選極址有條件按照共用接地極建設(shè)，滿足后珠江三角洲西部后續(xù)新增2回直流的需求。同時(shí)，現(xiàn)有的天堂接地極有接入新直流的條件［12］。

粵西地區(qū)可滿足西部兩換流站的選址要求，粵東地區(qū)選址較為困難，滿足兩回直流接入的共用接地極的極址更少［13］，因此有采用廣域接地極連接，以滿足珠江三角洲東部2回直流接入的需求。以下分為有粵東接地極和無粵東接地極兩種情況，考慮廣域連接。

廣東境內(nèi)（包括計(jì)劃建設(shè)的粵東新接地極）各接地極其地理位置分布如圖1所示。

圖1 換流站與接地極地理位置分布圖Fig.1 Geographic distribution map of converter station&grounding electrodes

作為廣域接地極的四個(gè)子接地極從地理位置比較分散，東1、東2換流站距離近，但距離各接地極線路都較遠(yuǎn)，考慮采用順序連接方式或拓?fù)溥B接方式組成廣域接地極網(wǎng)絡(luò)，接地極與東部換流站按照就近原則接入。田源接地極和粵東接地極距交流電網(wǎng)負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，對交流電網(wǎng)影響相對較小，可作為東1、東2換流站的接入端［13］。天堂接地極與東部換流站之間相隔珠江口，不能直接連接，通過魚龍嶺接地極或者田源接地極作為中部換流站的接入端間接連接，換流站與接地極距離見圖2。

圖2 換流站與接地極系統(tǒng)地理分布示意Fig.2 Geographic demo for converter station&grounding electrodes

從換流站到接地極的導(dǎo)流引線暫定型號為LGL—630/55，25℃環(huán)境下，導(dǎo)線電阻約為0.011 3Ω/km。由接地極系統(tǒng)地理分布位置來看，各接地極地理位置較為分散，土壤分層情況也不完全一致，計(jì)算模型中以實(shí)際測量得到的接地電阻值作為各子接地極的接地電阻輸入數(shù)據(jù)根據(jù)選擇的四個(gè)接地極的位置，可以確定以下基本連接方式。

3 廣域接地極的自然分流計(jì)算

（1）無粵東接地極

東1、東2換流站地理位置接近，以下以東1換流站接入為例進(jìn)行研究。其中東部換流站以魚龍嶺接地極作為接入點(diǎn)時(shí)，魚龍嶺接地極分流系數(shù)較大，對油氣管道影響嚴(yán)重，故考慮以田源接地極作為廣域接地極接入點(diǎn)。東1換流站入地電流取3 150 A，若無新接地極時(shí)，對田源－魚龍嶺－天堂互聯(lián)方案的分析，有以下方案：

1）方案1：田源－魚龍嶺－天堂廣域接地極連接

僅以田源、魚龍嶺、天堂接地極作為廣域接地極連接時(shí)，可采用環(huán)形連接，如圖3所示。逆時(shí)針依次田源－魚龍嶺－天堂，以田源作為廣域接地極的接入點(diǎn)，此種廣域連接方案下直流線路總長度約為609 km。

圖3 方案1（田源-魚龍嶺-天堂廣域接地極）連接入地電流Fig.3 DC grounding current of plan 1（Tianyuan-Yulongling-Tiantang DC WAN grounding electrodes）

在這種連接方式下，接地極分流系數(shù)分別為：田源接地極68.2%、魚龍嶺接地極20.9%，天堂接地極10.9%，分流結(jié)果見表2。

表2 廣域接地極自然分流主要參數(shù)Tab.2 Major parameters for WAN grounding electrode naturalshunted current

2）方案2：田源－新村廣域接地極連接

牛從直流受端接地極位于韶關(guān)市翁源縣新村，已實(shí)施牛從直流受端接地極遷改工程，原從西換流站到新村接地全長144 km，改接點(diǎn)至新接地極線路長54 km，改接點(diǎn)至舊接地極線路全長33 km。目前新村接地極和部分線路線路閑置，可考慮利用新村接地極作為廣域接地極的終端子站，承擔(dān)少部分接地電流。

以田源、新村接地極作為廣域接地極連接時(shí)，采用順序連接。田源至新村接地極之間的直流線路可利用原從西換流站到新村接地極的線路。該方案工程量較少，同時(shí)利用舊接地極線路全長33 km，僅需改造改接點(diǎn)直新接地極線路54 km為同塔雙回接地線路，廣域連接部分接地極直流線路總長87 km，如圖4（a）所示。

分流結(jié)果見表2，在這種連接方式下，接地極分流系數(shù)分別為：田源接地極73%、新村接地極27%。即新村接地極入地電流是850.5 A，小于目前遷改前允許半小時(shí)運(yùn)行電流1 200 A的要求，能否長期運(yùn)行還需進(jìn)一步研究，在考慮多回直流的復(fù)合電流情況下，將超過1 200 A。因此田源－新村廣域接地極連接方案可實(shí)施性不強(qiáng)。

（2）有粵東接地極

若建設(shè)粵東接地極，可將接地極址作為廣域接地極的接入點(diǎn)，分別有方案3逆時(shí)針依次新接地極-田源-魚龍嶺-天堂，如圖4（b）所示。方案4田源-魚龍嶺-天堂接地極組成環(huán)形連接，如圖5（c）所示。這種兩種連接方式下，廣域連接總長度為分別為434 km和735 km。

方案3天堂接地極的分流系數(shù)僅為0.3%，分流效果極其有限。方案4將田源－魚龍嶺－天堂接地極組成環(huán)形連接，增加了直流線路長度，但天堂接地極分流效果依然低于3%，對于東部換流站的廣域接地極連接中，天堂接地極距離其他接地極過遠(yuǎn)，同時(shí)具有增容共用方案，接入粵西地區(qū)換流站的條件，可舍去天堂接地極作為此廣域接地極的子接地極。

方案5位逆時(shí)針依次粵東－田源－魚龍嶺作為廣域接地極連接，廣域連接總長度為260 km，如圖4（d）所示。在這種連接方式下，接地極分流系數(shù)分別為：新極址為86%、田源接地極為10.6%、魚龍嶺接地極為3.4%。

因魚龍嶺接地極分流系數(shù)較小，增加一回直流線路連接新極址和魚龍嶺接地極，組成環(huán)形連接，形成方案6，如圖4（e），廣域連接總長度為429 km。

組成環(huán)形后，魚龍嶺接地極入低電流提高約10%，接地極分流系數(shù)分別為：新極址為76.2%、田源接地極為10.4%、魚龍嶺接地極為13.4%。

方案7：改變廣域接地極接入點(diǎn)，若將田源作為廣域接地極的接入點(diǎn)，依次連接新極址和魚龍嶺接地極，連接方式如圖4（e）所示。接地極分流系數(shù)分別為：田源接地極為61.1%、新極址為19.5%、魚龍嶺接地極為19.4%。

圖4 方案2～7廣域接地極連接方案Fig.4 DC WAN grounding electrodes plan 2～7

按照以上幾種連接方式，總結(jié)廣域接地極各接地極的直流線路長度及分流系數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果可知：

1）由于廣域接地極引線接入點(diǎn)不同，各接地極分流系數(shù)發(fā)生較大變化，通過改變接地極引線接入點(diǎn)可以調(diào)節(jié)廣域接地極的電流分配情況。

2）田源接地極已經(jīng)有4回直流接入，不宜作為廣域接地極的接地點(diǎn)，且粵東接地極為新建接地極可作為廣域接地極的接入點(diǎn)，一方面可減小其他子接地極的分流系數(shù)，同時(shí)直流線路距離最短，因此不宜采用方案1和7。

3）從線路實(shí)施難度上看，順序連接線路均在珠三角外圍，實(shí)施較容易，環(huán)形連接時(shí)接地極需穿過珠三角核心區(qū)，實(shí)施難度極大，因此不宜采用方案4和6。

4）新村接地極和田源接地極廣域連接可以利用原有線路，造價(jià)較低，在新村接地極入地電流是850.5 A，也在新村接地允許的半小時(shí)運(yùn)行電流1 200 A內(nèi)，方案2田源－新村廣域連接可以作為備選方案。

5）方案3和方案5的差異在于是否接入天堂接地，從分流效果看，由于天堂接地處于廣域連接的末端，只分流了0.3%電流，但線路很長，效果不明顯，因此推薦采用方案5粵東－田源－魚龍嶺（順序連接）廣域連接。

4 廣域接地極的均流計(jì)算

方案5粵東－田源－魚龍嶺（順序連接），其各子接地極的自然分流分布不均勻時(shí)，若對廣域接地極采取均流措施，可在接地極直流線路中串接均流電阻，對各接地極進(jìn)行均流調(diào)整。在廣域連接粵東－田源－魚龍嶺（順序連接）方式下，在粵東接地極串接一個(gè)電阻值為1Ω的均流電阻，如圖5所示。

圖5 粵東-田源-魚龍嶺（順序連接）廣域順序連接入地電流（增加均流電阻）Fig.5 DC grounding current for Yuedong-Tianyuan-Yulongling（Sequentialconnection）with current averaging resistor

增加均流電阻后，接地極分流系數(shù)分別為：粵東新極址為58.5%、田源接地極為31.5%、魚龍嶺接地極為10%。

為使得各子接地極之間電流分配較為均勻，采取串聯(lián)一個(gè)小電阻來改變廣域接地極的電流分配，繼而使其接地系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)獨(dú)立接地極均能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求不失為一可考慮的均流方案。在增加均流電阻后各子接地極分流系數(shù)如表3所示。

表3 均流電阻與子接地極之間的分流系數(shù)關(guān)系Tab.3 Relation between current averaging resistors and shunt coefficient

從表3可以看出，可采取在子接地極支路增加均流電阻方案來合理分配各子接地極分流系數(shù)，調(diào)節(jié)效果明顯，加比較小的電阻，如0.5Ω，粵東接地極的即由自然分流的86%降低到69.7%，這樣可以降低粵東接地極的建設(shè)規(guī)模和難度。同樣，魚龍嶺接地極對周邊影響相對較嚴(yán)重，可以在魚龍嶺接地極接地極串接一個(gè)電阻值，減少魚龍嶺側(cè)的入地電流。

串聯(lián)電阻流過大電流時(shí)的發(fā)熱嚴(yán)重，制造難度很大，國內(nèi)額定電流最大的串聯(lián)電阻參數(shù)見表4，實(shí)物見圖6［14-15］。

圖6 均流電阻器Fig.6 Current averaging resistor

表4 串聯(lián)電阻參數(shù)Tab.4 Series resistor parameters

南方電網(wǎng)的接地極額定電流普遍大于3 000 A，目前設(shè)備需要多組并聯(lián)，并戶內(nèi)布置改善運(yùn)行環(huán)境，也將給運(yùn)行帶來很大困難。因此現(xiàn)階段廣域接地極建議采用自然分流。

5 廣域接地極多回直流同時(shí)運(yùn)行工況計(jì)算

三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行工況可適當(dāng)加以考慮，而兩回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行工況則必須考慮，作為最嚴(yán)重工況：廣域接地極中共三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行，基于方案5粵東－田源－魚龍嶺（順序連接）廣域連接。

考慮魚龍嶺接入兩回直流，田源或粵東接地極接入一回直流，共三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行時(shí)，包含兩種運(yùn)行工況：魚龍嶺2回+粵東1回和魚龍嶺2回+田源1回。其中魚龍嶺2回+粵東1回三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行分流見圖7。

圖7 魚龍嶺2回+粵東1回入地電流Fig.7 DC Grounding current of Yulongling 2 loop+Yuedong 1 loop

當(dāng)東1和東2換流站兩回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行，即粵東接地極接入兩回直流，此時(shí)廣域接地極中田源接地極或魚龍嶺接地極其中一個(gè)子接地極也存在一回同極性單極大地回路運(yùn)行時(shí)，廣域接地極共三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行，包含三種運(yùn)行工況：粵東2回+田源1回、粵東2回+魚龍嶺（穗東換流站）1回、粵東2回+魚龍嶺（寶安換流站）1回。

以上多回直流同時(shí)運(yùn)行工況共五種運(yùn)行工況的廣域接地極的各子接地極分流數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 廣域接地極共三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行分流結(jié)果Tab.5 Current shunt result of DC WAN grounding electrodes with simultaneous 3-loop DC（same polarity）

在以上兩種三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行工況下，魚龍嶺接入兩回+田源或粵東接入一回、粵東接入兩回+田源或魚龍嶺接入一回共三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行時(shí)，廣域連接粵東－田源－魚龍嶺（順序連接），三個(gè)子接地極均未超過其額定電流值，同時(shí)能減少了粵東、魚龍嶺接地極兩回直流共用異極性時(shí)的電流，降低粵東極址的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)緩解魚龍嶺接地極對油氣管道和周邊電力系統(tǒng)的影響，具有實(shí)施的可行性。

6 結(jié) 論

1）廣域接地極可將一回直流單極大地回線運(yùn)行電流由多個(gè)子接地極分擔(dān)，較常規(guī)接地極減小了單個(gè)極址的電磁效應(yīng)。

2）廣域接地極輔以合適的均流措施可滿足多回直流共用的需要，可通過加小電阻或改變接地極引線接入點(diǎn)來調(diào)整電流分配，但均流電阻制造難度大，運(yùn)行較復(fù)雜，尚難進(jìn)入實(shí)用階段，廣域連接方案中首先考慮自然分流。

3）新增粵東極址，東1換流站接入廣域連接中，廣域連接粵東－田源－魚龍嶺（順序連接），能減少粵東、魚龍嶺接地極兩回直流共用異極性時(shí)的電流，降低粵東極址的設(shè)計(jì)要求，緩解魚龍嶺接地極對油氣管道和周邊電力系統(tǒng)的影響，有利于西電東送直流接地極的建設(shè)和運(yùn)行。但在不增加均流電阻的情況下，效益仍不明顯。

4）在三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行工況下，廣域接地極均未超過其額定電流值，同時(shí)能減少了子接地極兩回直流共用異極性時(shí)的電流，降低新極址的設(shè)計(jì)要求。