共用接地極直流輸電工程運行方式轉換過程中換流站地網分流的影響及解決方案

盧毓欣，趙曉斌，李巖，黃瑩，羅煒，秦康，曹潤彬，辛清明，徐迪臻

(1. 直流輸電技術國家重點實驗室(南方電網科學研究院)，廣州510663; 2. 中國南方電網有限責任公司，廣州510663)

0 引言

隨著國家西電東送戰略的實施，國內直流工程建設和投入使用不斷增長。直流工程接地極占地較大，選址限制因素較多，部分工程選址存在困難，同時為了節省直流工程建設用地和建設成本，越來越多直流工程采用共用接地極(common ground electrode，CGE)方式建設。

以往共用接地極相關研究主要考慮對共用接地極本體設計的影響、對直流系統穩態運行和暫態過程的影響、對變壓器偏磁電流和對附近地下金屬設施的電化腐蝕作用等。文獻[1 - 6]研究了多個共用接地極對接地極本體設計的影響。文獻[7 - 9]考慮中性點電位抬升分析了共用接地極對直流系統穩態運行的影響，文獻[1，10 - 12]分析了共用接地極對過電壓和控制保護系統等各方面的影響。文獻[13 - 15]對直流系統共用接地極和接地極線路檢修運行相關問題進行了分析。文獻[16]分析了共用接地極直流系統對運行的影響、對變壓器偏磁電流的影響和對附近地下金屬設施的電化腐蝕作用等影響。

興安直流與楚穗直流的受端寶安站和穗東站共用魚龍嶺接地極，2017年在楚穗直流單極大地回線運行期間，興安直流開展了單極大地、金屬回線運行方式轉換，轉換過程中寶安站內接地網流入較大電流，引起保護動作繼而雙極閉鎖的情況。以往文獻未提及運行方式轉換過程中共用接地極的兩回或多回直流系統間的相互影響。本文將研究提出共用接地極系統在單極金屬、大地轉換過程對設備選型和控制保護策略的影響及相應解決方案。

1 直流運行方式轉換期間共用接地極對換流站的影響分析

1.1 換流站接地網分流原理

直流輸電系統在各種運行方式下均須進行接地鉗位。以兩端直流系統為例，在單極大地回線運行方式下，兩端換流站均通過接地極接地。單極金屬回線運行方式下，其中一端換流站接地鉗位。接地方式有兩種，分別為經接地極接地和經站內地網接地。南方電網已建直流工程在金屬回線運行方式下接地端換流站均采用站內地網接地方式。

對于單極金屬回線運行方式采用站內地網鉗位的直流工程，單極大地回線運行方式下，換流站接地極回線隔離開關Q5合位，站內高速接地開關(high speed grounding switch, HSGS)分位，通過接地極鉗位；單極金屬回線運行方式下，鉗位站HSGS開關合位，Q5分位，通過站內地網鉗位。在單極金屬和單極大地回線運行方式轉換過程中，金屬回線鉗位站會存在隔離開關Q5和HSGS同時處于閉合的情況。單極大地轉單極金屬回線運行方式過程中，合上HSGS后斷開Q5；單極金屬轉單極大地回線運行方式過程中，合上Q5后斷開HSGS。Q5和HSGS開關同時閉合期間，金屬回線鉗位站的接地極、接地極線路與站內接地網會形成分流回路。如圖1所示，當直流系統2因處于單極大地回線運行或者雙極大地不平衡運行導致接地極存在入地直流電流時，在直流系統1開展單極大地和單極金屬回線運行方式轉換期間，直流電流將經分流回路流入直流系統1的換流站接地網(grounding grid of converter station, GGCS)。

圖1 共用接地極和站內地網分流回路Fig.1 Shunt circuit of common ground electrode and grounding grid of converter station

1.2 換流站接地網分流計算

流入換流站接地網的分流Icg1可通過共用接地極的另一回直流系統的直流電流Idc2、共用接地極接地電阻Rge、本回直流接地極線路電阻Rgel以及換流站地網電阻Rgg進行計算。

(1)

影響分流電流大小的主要因素為另一回直流的入地電流以及接地極線路的長度，對于接地極線路較短的換流站，接地極線路直流電阻小會造成流入換流站的直流分流電流較大。考慮另一回直流以額定電流或2 h過負荷電流運行于單極大地運行方式，受共用接地極影響的換流站在金屬大地轉換過程中流入換流站地網的電流大小一般為數百安。

1.3 換流站地網分流對換流站的影響

1.3.1 對站內開關操作的影響

在單極大地轉單極金屬回線運行方式過程中，需合上HSGS后斷開Q5；單極金屬轉單極大地回線運行方式過程中，需合上Q5后斷開HSGS。直流隔離開關Q5無法轉移較大的直流電流。HSGS為中性母線高速接地開關，具備快速合閘能力和將雙極運行不平衡電流轉移到接地極的能力，南網已建直流工程HSGS直流電流轉移能力一般為200 A。當共用接地極分流至接地網的電流超過Q5和HSGS開關轉移能力時，Q5可能會燒蝕損壞，HSGS會觸發閉鎖邏輯，防止開關分閘。其中，隔離開關Q5的斷開時間為秒級，通常為10 s左右，HSGS的斷開時間為毫秒級，通常小于100 ms。

1.3.2 對站內地網過流和控制保護的影響

站內接地網具備一定的電流承受能力，當分流至站內地網的電流大于站內地網設計考慮的不平衡電流時，站內地網過流保護76SG將會動作閉鎖直流，保護動作延時一般不超過3 s。在單極金屬轉單極大地回線運行方式的情況下，由于HSGS斷開時間較短，若成功開斷，則分流回路不再存在，保護不會出口。在單極大地轉單極金屬情況下，由于Q5斷開時間約為10 s，因此在單極大地轉單極金屬回線運行方式的順控流程還沒有完成時，站內接地過流保護會先動作閉鎖直流。

直流系統閉鎖后，共用接地極的另一回直流系統的入地電流及流入本回直流系統的分流回路依然存在，沒有起到保護站內接地網的作用。保護動作后，單極大地轉單極金屬回線運行方式的順控流程繼續執行，若Q5開關被拉開，電流全部轉移到共用接地極中。如果分流到站內接地網的電流大于Q5開關的轉移能力，上述分流回路會持續存在。換流站地網長期通流能力一般考慮雙極最大不平衡電流進行設計(控制在額定直流電流的1%以下)，一般為十幾安到幾十安，大電流分流回路持續存在將引起接地網電腐蝕。

1.3.3 對換流變中性點直流偏磁電流的影響

換流站內接地網分流會導致換流變流過直流偏磁電流。考慮另一回直流以額定電流或2 h過負荷電流運行于單極大地回線運行方式，受共用接地極影響的換流站在單極金屬、大地回線運行方式轉換過程中流入換流變中性點的直流偏磁電流基本均超出其長期耐受能力(10 A或12 A)。

1.4 解決方案

針對上述風險，現有換流站接線下的解決方案包括采用調整運行方式或使用接地極作為單極金屬回線運行方式鉗位點以避免同時出現站內和接地極雙點接地情況，或使用具有直流電流轉換能力的開關以開斷站內直流接地電流。

調整運行方式可通過運行人員在執行操作前確認對應直流工程狀態或在共用接地極的直流工程之間增加協調控制實現。但仍存在一回直流在單極大地、金屬回線運行方式轉換過程中另外一回直流發生單極閉鎖導致本回直流繼而閉鎖，故障影響范圍擴大的風險。

使用接地極作為單極金屬回線運行方式的鉗位點，對于已建工程改造較復雜，需修改雙極中性母線差動保護、接地極開路保護、站內接地過流保護等多項保護配置以及順序控制。與經站內地網接地相比，采用站外接地極作為單極金屬回線運行方式的接地點時，接地極線路故障將提高單極金屬回線運行方式下的運行風險，接地極線路和接地極檢修期間直流運行也將受到影響。

在接地極線路的隔離開關旁加裝具備直流電流開斷能力的開關并配備專門的振蕩回路和吸能避雷器[17]，同時增強HSGS開斷直流分流電流的能力，可在單極大地、金屬回線運行方式轉換過程中快速將流入站內的直流電流開斷。該方案對造價和布置占地影響較大。

由于以上方案均存在一定缺點，提出設置換流站接地限流電阻以降低流入站內直流電流幅值的解決方案。如圖2所示，在HSGS接地側加裝限流電阻Rlim及與之并聯的隔離開關QR，降低流入換流站地網直流電流的大小，使HSGS和Q5開關可以轉移該小電流。

圖2 設置換流站接地限流電阻的接線示意圖Fig.2 Wiring after adding current-limiting grounding resistor of the converter station

2 采用限流電阻方案的運行方式轉換過程

采用換流站接地限流電阻方案，單極大地回線運行方式(簡稱大地)轉單極金屬回線運行方式(簡稱金屬)和金屬轉大地的運行方式轉換過程如表1所示。轉換過程示意圖中省略了HSGS中性母線側除檢修工況外常閉的隔離開關以及站內地網電阻Rgg。

表1 運行方式轉換過程Tab.1 Process of operation mode conversion

大地轉金屬和金屬轉大地兩種轉換方式均僅在轉換過程的第2步為同時合上Q5和HSGS的站內接地網分流狀態，此時流入站內地網的直流電流經限流電阻可限制在一定范圍。第3步分別為斷開接地極線路隔離開關Q5和斷開HSGS，此時需轉移的直流電流為限流狀態下的小電流。由另一回直流分流至本回的直流電流Ilim計算如下。

(2)

3 接地限流電阻設計方法

3.1 限流電阻阻值選取原則

限流電阻阻值Rlim應考慮限流狀態和金屬回線經限流電阻接地鉗位狀態綜合選取。一方面，限流電阻阻值選取應使分流進入換流站內的直流電流限制在期望值Ilim以內，因此電阻值不宜太小，一般為百歐級。

(3)

另一方面，加入限流電阻后，在大地轉金屬和金屬轉大地的過程中都會出現一段中性母線經限流電阻接地的狀態，電阻的大小不應明顯抬高中性母線的電位，否則可能影響直流運行狀態和非鉗位換流站中性母線避雷器的安全運行，因此電阻值也不宜太大。建議限流電阻阻值選取按照電阻加入后中性母線電壓抬升不超過1%直流額定電壓進行控制。

3.2 中性線電壓抬升計算

當直流系統單極金屬回線運行經站內限流電阻單點接地時，直流極線電壓UdH將通過線路電導和接地限流電阻向金屬回線充電，由于限流電阻阻值顯著高于地網電阻，鉗位站中性線的對地電壓UdN將被抬高。圖3給出了不同接地狀態下的直流線路對地電阻和充電回路示意圖。

圖3 直流線路對地電阻和充電回路示意圖Fig.3 Schematic diagram of DC line-to-ground resistance and charging circuit

直流架空線路電導的主要來源為與空氣電離有關的有功功率損耗，即電暈損耗，另外還包括泄漏電流所致的有功功率損耗及絕緣子介質中的有功功率損耗。影響電暈損耗大小的因素包括輸電線路導線型號、極間距、分裂間距、線路對地高度、線路海拔、大氣條件等[18 - 23]。

金屬回線電壓低，基本不起暈，對地等值電阻RM僅為線路泄漏電阻，遠大于極線電暈產生的對地等值電阻RP(兆歐級)，而極線對地等值電阻RP遠大于限流電阻Rlim(百歐級)和換流站地網電阻Rgg(歐級)，限流電阻Rlim遠大于接地極線路電阻Rge1(歐級)和接地極電阻Rge(歐級)。

當站內和站外雙點接地時，由單極直流線路電暈引起的入地直流電流為：

(4)

式中：“∥”為電阻并聯計算。

當站內單點接地時，由單極直流線路電暈引起的入地直流電流為：

(5)

可見，由于各電阻量級具有顯著差異，因此單極直流線路電暈引起的入地直流電流由直流極線電壓和極線對地等值電阻決定。當站外和站內雙點接地時，該入地電流主要流經阻值較小的接地極和接地極線路回路。當站內單點接地時，該入地電流主要流經限流電阻回路。

當金屬回線運行方式下通過限流電阻經站內地網單點接地時，鉗位站中性線對地穩態電壓最高。

(6)

3.3 限流電阻阻值選取示例

假設共用接地極的直流系統2過負荷電流3 750 A、共用接地極接地電阻0.5 Ω，考慮接地網直流電流長期耐受能力，以將流入直流系統1的換流站站內分流直流電流控制在10 A以下為目標，由(3)式可知限流電阻阻值應滿足：

(7)

以直流系統1的中性母線穩態電壓抬升不超過1%直流額定電壓為目標，由式(6)可知限流電阻阻值應滿足：

Rlim≤1%RP

(8)

以直流系統1的額定電壓±800 kV，直流線路長度2 000 km為例，正常條件下±800 kV單極直流極線電暈損耗約2～3 W/m[13 - 14]，考慮氣象環境等因素的不確定性，考慮一定裕度，按單極直流極線電暈損耗5 W/m進行計算，直流極線對地等效電阻RP=64 000 Ω， 限流電阻阻值應滿足Rlim≤640 Ω。

綜合以上因素，限流電阻阻值范圍187.5～640 Ω，為降低換流站分流電流，可取值500 Ω。

限流電阻最大穩態功率要求可按照限流狀態和金屬回線經限流電阻接地鉗位狀態下的最大電流進行計算。

4 直流運行方式轉換試驗驗證

為檢驗裝設限流電阻后共用接地極的直流系統能否正常開展單極直流運行方式轉換，從而驗證換流站分流及中性母線電壓抬升情況，對實際工程開展了現場試驗。±800 kV新東直流受端東方換流站和±500 kV牛從雙回直流受端從西換流站共用長翠村接地極，在東方站加裝500 Ω接地限流電阻后，開展新東直流極2單極大地和單極金屬回線運行方式轉換操作試驗。試驗時牛從直流極1以單極大地回線運行，直流功率為550 MW，試驗前新東直流極2以單極大地回線運行，直流功率為900 MW。新東直流極2單極大地轉金屬回線運行試驗中東方站部分錄波波形如圖4所示。

圖4 單極大地轉金屬回線試驗時的東方站波形Fig.4 Waveform of Dongfang station during the test from monopolar ground return to metallic return mode

圖4中，t0～t1時段HSGS已合上，限流電阻已接入，處于金屬回線經站外和站內雙點接地狀態；t1時刻中性線隔離開關Q5開始打開，t2～t3時段Q5發生重燃約500 ms，t3時刻后金屬回線僅經站內限流電阻接地。根據錄波數據，t0～t1時段，中性線對地直流電壓約0.2 kV，經電阻限流后流入站內接地網的直流電流Idsg約為0.5 A，流過接地極線路的直流電流Idee約為6.4 A，Idee包括分流電流Idsg、由直流線路電暈效應引起的主要流經接地極和接地極線路的電流I1兩部分。

Idee=I1-Idsg

(9)

因此可估算出由于直流線路電暈效應引起的入地電流I1約6.9 A。t1時刻中性線隔離開關Q5開始打開，打開過程中開關兩端建立一定壓差，接地極線路側對地電壓為牛從直流系統電流流入接地極導致的電位升，中性母線側對地電壓為線路電暈損耗電流流經限流電阻導致的電位升，Q5斷口間壓差為幾千伏，因此在t2時刻Q5發生重燃，并在開距增大后在t3時刻熄弧。t1～t2及t3后時段，接地極線路直流電流降至0，由直流線路電暈效應引起的入地電流由接地極和接地極線路回路轉移至站內地網和限流電阻回路。站內接地網直流電流Idsg增至約6.9 A，與前述估算一致，中性線對地直流電壓UdN增至約3.4 kV。兩種接地狀態下的站內地網及接地極線路電流回路示意圖如圖5所示。

圖5 站內地網及接地極線路電流回路示意圖Fig.5 Schematic diagram of the current circuit of the grounding grid in the station and the ground electrode line

根據工程實際參數對圖5(a)對應的Idsg和UdN進行核算，并與上述錄波數據進行驗證。牛從直流系統的直流運行電流Idc2為1 100 A，共用接地極接地電阻Rge約0.19 Ω，新東直流接地極線路電阻Rgel為5.77 Ω，換流站地網電阻Rgg為0.46 Ω，可得t0～t1時段站內接地網直流電流Idsg理論計算值為0.42 A，中性線的對地直流電壓UdN理論計算值為0.21 kV，理論計算值與圖4中的錄波數據基本吻合。

根據圖5(b)對應的Idsg現場數據推導實際線路電暈損耗，并與電暈損耗理論計算值進行比較。新東直流線路長度約1 928 km，根據-800 kV單極直流極線電暈導致的直流入地電流為6.9 A計算得單位長度線路電暈損耗為2.87 W/m，與文獻[15]中電暈損耗實際測試數據接近，說明理論分析正確，設計時采用5 W/m進行計算具有一定裕度。

對應上述試驗工況，若牛從雙回直流均以滿載電流同極性單極大地運行，東方站的Q5打開后的斷口間最大壓差將在現場工況Q5壓差基礎上增加約1 kV，對設備影響不大。

在直流系統大地、金屬運行方式轉換過程中，打開QR的操作過程中將發生擊穿。由于限流電阻端間壓降很小，當開關開距很小時才會發生空氣擊穿，擊穿產生的能量由換流站中性線沖擊電容器上儲存的能量提供。新東直流極2單極大地轉金屬回線試驗中，東方站QR打開期間的擊穿過程錄波波形如圖6所示。擊穿初期(t0～t1時段)最大沖擊電流為921 A，其后小電流燃弧約200 ms(t1～t2時段)，再重擊穿約280 ms(t2～t3時段)，最后小電流燃弧直至開關合位。對t0～t3時段的電壓和電流進行積分，可得QR打開過程中在觸頭上消耗的能量約為3 kJ。換流站中性線沖擊電容器儲存能量計算值約為7 kJ，量級相同。結合錄波數據和理論分析，該操作工況對QR觸頭基本無影響。金屬轉大地過程中拉開QR期間開關觸頭也將短時燃弧，產生的能量同樣較低。因此，在運行方式轉換過程中QR開關短暫燃弧對開關觸頭及其壽命影響極小。

圖6 QR打開期間的東方站波形Fig.6 Waveform of Dongfang station during QR opening

綜上，現場試驗順利完成，且錄波數據與理論分析一致，說明電阻設計方法可行，相關開關設備可安全運行，本文提出的方案可有效解決直流運行方式轉換過程共用接地極對換流站的相互影響。

5 方案對暫態工況的影響

為評估單極金屬接線方式下接地方案對暫態工況的影響，以某±800 kV直流工程為例，對單極金屬接線下直接經站內地網接地、裝設限流電阻經站內地網接地以及經接地極接地等3種接地方案，以及雙極接線和單極大地接線下的直流線路首端/中點/末端接地故障和兩端換流站高端換流變閥側單相接地等故障工況進行仿真分析[24]。

以直流線路中點接地故障為例，兩端換流站極線和中性線電壓仿真結果最大值見表2。UdH_1和UdN_1、IdH_1和IdN_1分別為金屬回線非鉗位站極線和中性線的對地電壓和電流；UdH_2和UdN_2、IdH_2和IdN_2分別為金屬回線鉗位站極線和中性線的對地電壓和電流。

表2 直流線路中點接地故障下的直流母線電壓電流最大值Tab.2 Maximum voltage and current on DC buses under grounding fault on the midpoint of DC transmission line

采用接地限流電阻方案，限流電阻僅在轉換過程接入直流回路，僅對轉換過程的暫態故障工況產生影響，主要影響的電氣量是直流線路接地時鉗位站中性線對地電壓。根據仿真計算結果，故障下經限流電阻接地的金屬回線鉗位站中性線對地電壓最大值與通過其他方式接地的換流站中性線最大對地電壓接近，低于E型避雷器保護水平，在安全范圍內。金屬回線鉗位站中性線最大暫態電流值小于雙極和單極大地回線運行方式下的最大暫態電流值。已建工程采用該改造方案不影響極線和中性線設備應力要求。

6 方案對控制保護設計的影響

采用接地限流電阻方案，單極大地回線和金屬回線之間的順控轉換需增加限流電阻旁路隔離開關操作、增加運行人員控制系統與直流站控系統有關該隔離開關的數據交互程序邏輯。轉換前后以及轉換過程中對單極大地、金屬回線運行方式及中間狀態的判斷與現有運行習慣保持一致。

故障暫態過程中性母線電壓有所提升，但在設備耐受范圍內。雙極區故障情況下雙極區保護可靠動作，非雙極區故障情況下，非雙極區保護可靠動作且雙極區保護不誤動，無須修改保護。

7 結語

共用接地極的一回直流系統單極大地或者雙極不平衡運行，另一回單極金屬回線運行采用站內地網接地的直流系統開展單極大地、金屬運行方式轉換期間，一回直流的入地電流會分流至另一回直流的站內接地網中，導致站內接地網過流、換流變中性點直流偏磁電流超標、站內接地網過流保護動作閉鎖直流、轉移電流超過開關能力等問題。

本文提出在單極大地、金屬回線運行方式轉換過程中短時接入換流站內接地限流電阻的解決方案，接地限流電阻的阻值選取應綜合考慮限流要求和金屬回線電壓抬升限制。

采用該方案可有效解決直流運行方式轉換過程共用接地極對換流站的相互影響，對于已建工程，不影響原有直流系統運行特性和直流設備選型，僅需要修改順控，不影響保護配置。