直流接地系統(tǒng)電熱磁效應(yīng)的研究進展

梅科軍

摘 要：當直流輸電采取單極運行方式時，巨大的注入電流會在土層中形成直流地電場。地電場分布可能對人畜、地下管網(wǎng)及電力設(shè)備產(chǎn)生一定的負面效應(yīng)，主要是電化效應(yīng)、熱力效應(yīng)及電磁效應(yīng)。文章首先介紹了求解直流地電場的泛定方程及邊界條件，列出了計算土層直流電位分布的各種函數(shù)形式；其次，概述了三種效應(yīng)的危害及其研究進展，包括計算方法、模型及實驗；最后，提出了目前存在的問題及相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：直流輸電；直流地電場；電化效應(yīng)；熱力效應(yīng)；電磁效應(yīng)

中圖書分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）32-0098-04

目前，世界上許多國家都在研究并應(yīng)用直流聯(lián)網(wǎng)模式。如，印度采用直流聯(lián)網(wǎng)將國家電網(wǎng)分割成四個同步電網(wǎng)；美國中東部電網(wǎng)與西部電網(wǎng)、南部電網(wǎng)和加拿大電網(wǎng)采用直流隔開、限制同步電網(wǎng)規(guī)模的聯(lián)網(wǎng)方式；我國的全國聯(lián)網(wǎng)與西電東送是緊密結(jié)合的，大力發(fā)展特高壓直流輸電是實現(xiàn)全國資源優(yōu)化配置的必由之路。

在特高壓送端及受端地區(qū)，直流輸電建成初期的單極運行方式也帶來了一系列問題。巨大的直流電流注入大地后，在方圓近百公里的范圍內(nèi)形成直流地電場，引發(fā)電化效應(yīng)、熱力效應(yīng)、電磁效應(yīng)三種負面影響。管網(wǎng)、土壤及設(shè)備都有可能遭受一定的破壞，嚴重時還有可能危及到交直流混聯(lián)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。國內(nèi)外專家學(xué)者對這三種效應(yīng)做了大量研究工作，在研究時利用了諸多方法，如鏡像法、遞推法、有限元法、邊界元法；提出了諸多模型，如地下管道傳輸線模型、變壓器直流偏磁電路—磁路模型、動態(tài)磁滯損耗模型等；開展了諸多實驗，如勵磁電流實驗、耐直能力實驗等；提出了諸多措施，如陰極保護、電容隔直等。

本文針對直流接地系統(tǒng)的電熱磁效應(yīng)，首先介紹了求解直流地電場的泛定方程及邊界條件，列出了計算土層直流電位分布的各種函數(shù)形式；其次，概述了三種效應(yīng)的危害及其研究進展，包括計算方法、模型及實驗；最后，提出了目前存在的問題及相關(guān)建議。

1 直流地電流場

直流地電場的研究主要集中在直流注入電流引起的地電位分布及地電流分布。地電位分布會引起跨步電壓，而地電流分布不僅會引起地下管網(wǎng)發(fā)生電化腐蝕，還有可能竄入地上電磁設(shè)備引起偏磁效應(yīng)。

2 電化效應(yīng)

電化學(xué)效應(yīng)的研究主要集中在高壓直流輸電入地電流對接地極一定范圍內(nèi)地下設(shè)施的電腐蝕影響。為了充分發(fā)揮直流輸電的優(yōu)勢，避免其不利影響，需要分析直流電流地下散流對埋地管網(wǎng)等設(shè)施的電化腐蝕特性，提出防護措施。

3 熱力效應(yīng)

直流接地極的熱穩(wěn)定性直接影響到變電站的安全運行，近些年來由于地下腐蝕，導(dǎo)體截面不夠，接地引下線燒斷等因素引起的重大設(shè)備事故屢有發(fā)生。目前對直流輸電系統(tǒng)接地極的熱力效應(yīng)的研究主要是分析接地極周圍的熱場分布，從而對接地極的設(shè)計提出相關(guān)的建議。

文獻[23]主要闡述了接地極熱力效應(yīng)產(chǎn)生的原理。由于土壤并非是良導(dǎo)體，在電流的作用下，土壤溫度將升高。當溫度升高到一定程度，土壤中的水分將可能被蒸發(fā)掉，土壤導(dǎo)電性能將會變差，電極出現(xiàn)熱不穩(wěn)定，嚴重時可使土壤燒結(jié)，電極喪失運行功能。所以，為保證電極在運行中擁有良好的熱穩(wěn)定性能，土壤要有良好的電熱、導(dǎo)電性能，具有較高的濕度和較大的熱容系數(shù)。

此計算方法適用于水平雙層土壤結(jié)構(gòu)的發(fā)熱分布計算；在接地極10m范圍內(nèi)的土壤中，其溫度變化率較大，且最高溫度出現(xiàn)在接地體的下表面附近；其正確性尚待模擬實驗的驗證。

文獻[29]基于有限差分法原理，針對云廣和貴廣Ⅱ回直流輸電系統(tǒng)共用接地極的3個備選極址的不同土壤參數(shù)，對共用接地極設(shè)計方案的溫升曲線進行時域分析，建立了一套可對直流接地極周圍溫度場參數(shù)進行時域分析的數(shù)值算法。推導(dǎo)了三種類型的土壤內(nèi)部空間節(jié)點的計算公式，該方法避免了現(xiàn)有接地極溫升計算公式將接地極體視為等溫體的缺點，提高了運算的準確性。

從以上的歸納和分析可以看出，利用有限差分法對單接地極的溫度場進行分析計算的相關(guān)研究較多，而針對共用接地極的研究只是少數(shù)。隨著直流輸電工程的興建，在一些地區(qū)將會出現(xiàn)多個接地極共存的現(xiàn)象。此時地下溫度場分布更加復(fù)雜，需要考慮相互之間的耦合關(guān)系。

5 結(jié) 論

高壓直流單極運行會在大地層形成電場分布，目前的主流計算方法是復(fù)鏡象法和邊界元法，前者地質(zhì)剖分簡單，但計算精度較差；后者地質(zhì)剖分復(fù)雜，但計算時間過長，建議在距離接地極較近處及重點區(qū)域采用邊界元法，較遠處采用復(fù)鏡像法。直流地電場分布還會引發(fā)三種負面效應(yīng)：電化效應(yīng)、熱力效應(yīng)及電磁效應(yīng)。建議對地下管網(wǎng)采用陰極保護和加涂絕緣層的方法，保護大面積管道及絕緣層破壞處。建議在直流系統(tǒng)前期帶電試驗時通過降低功率的運行方式了解直流地電流分配特點，在直流量入侵較嚴重的站廠采取電容隔直的方法。

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