±800kV與±500kV換流站共用接地極時(shí)入地電流對(duì)極址附近電位分布的影響

張富春，郭婷，黎曉辰，周文俊，黃海，喻劍輝

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣州市510400;2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市430072)

0 引言

±800kV楚穗直流和±500kV興安直流換流站廣東境內(nèi)的接地極址在魚(yú)龍嶺共用?！?00kV楚穗直流工程西起云南楚雄換流站，東至廣東廣州穗東換流站，全長(zhǎng)1 373 km，雙極輸送容量5 000MW，額定電流3 125 A;穗東換流站接地極線(xiàn)路起于魚(yú)龍嶺接地極出線(xiàn)構(gòu)架，終點(diǎn)位于增城市朱村鎮(zhèn)的穗東換流站構(gòu)架，全線(xiàn)長(zhǎng)94.2 km。±500kV興安直流工程西起貴州興仁換流站，東至深圳寶安換流站，長(zhǎng)度約1 250 km，雙極輸送容量 3 000MW，額定電流為3 000 A;寶安側(cè)接地極線(xiàn)路起于魚(yú)龍嶺接地極出線(xiàn)構(gòu)架，終點(diǎn)位于廣東省深圳市寶安換流站，接地極線(xiàn)路全長(zhǎng)189.202 km(其中183.514 km與直流線(xiàn)路共塔，接地極專(zhuān)用線(xiàn)路全長(zhǎng)5.688 km，桿塔18基)。

此類(lèi)直流線(xiàn)路，需長(zhǎng)時(shí)間滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，年度停電檢修期間，2條線(xiàn)路同時(shí)停電的概率極小［1］。截至2012年，楚穗直流投運(yùn)2年后，經(jīng)歷了2次年度停電檢修;因共用接地極極址帶來(lái)的線(xiàn)路運(yùn)行檢修問(wèn)題［2］，在未弄清接地極極址電位分布的情況下，在極址附近10 km范圍內(nèi)，尚未開(kāi)展過(guò)相應(yīng)接地極線(xiàn)路的檢修工作。當(dāng)一回線(xiàn)路停電檢修時(shí)，另一回線(xiàn)路若為單極大地回路運(yùn)行方式，此時(shí)的入地電流較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，極址附近地電位變化大，對(duì)線(xiàn)路檢修的安全有影響［3］。

關(guān)于直流輸電接地，目前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)是多個(gè)直流系統(tǒng)共用接地極的可行性。文獻(xiàn)［4-5］對(duì)共用接地極的可靠性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)［6］對(duì)共用接地極的方式提出了設(shè)計(jì)要求，文獻(xiàn)［7-8］則對(duì)系統(tǒng)中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［7］研究了共用接地極系統(tǒng)中的某個(gè)系統(tǒng)發(fā)生某些故障時(shí)對(duì)非故障系統(tǒng)以及對(duì)直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的影響;文獻(xiàn)［8］則計(jì)算了當(dāng)一回接地極線(xiàn)路發(fā)生故障后通過(guò)共用接地極轉(zhuǎn)移到故障點(diǎn)的直流電流。這些研究都針對(duì)設(shè)計(jì)階段，尚無(wú)針對(duì)共用接地極的單條線(xiàn)路檢修另一條線(xiàn)路單極大地回路運(yùn)行時(shí)的檢修維護(hù)策略。文獻(xiàn)［9］提出了直流共用接地極極址運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修時(shí)的操作方式，但其極址附近地表電位幅值較小，且其檢修線(xiàn)路上的電位分布無(wú)詳細(xì)介紹;文獻(xiàn)［10］提出了±800kV直流輸電線(xiàn)路在正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行帶電作業(yè)的方式，但對(duì)于接地極檢修線(xiàn)路而言，其流過(guò)的電流幅值較?。?1］，甚至可能無(wú)電流流過(guò)，且線(xiàn)路檢修時(shí)導(dǎo)線(xiàn)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于正常運(yùn)行時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此，±800kV直流輸電線(xiàn)路的帶電作業(yè)方式不適用于接地極檢修線(xiàn)路。文獻(xiàn)［12］研究了直流多環(huán)接地極地表電位和跨步電壓的分布規(guī)律。文獻(xiàn)［13］則對(duì)±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行檢修技術(shù)體系進(jìn)行了闡述，但對(duì)接地極線(xiàn)路的檢修描述甚少，且未考慮共用接地極。

為保障檢修線(xiàn)路時(shí)檢修人員的安全，有必要開(kāi)展共用極址入地電流對(duì)極址附近電位分布影響的研究。本文針對(duì)一回線(xiàn)路停電檢修，另一回線(xiàn)路單極大地回路運(yùn)行時(shí)，用CDEGS接地計(jì)算軟件根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了建模仿真計(jì)算，分析了極址附近地表電位、跨步電壓和接觸電壓的分布特性，并與系統(tǒng)調(diào)試期間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，分析結(jié)論可為魚(yú)龍嶺接地極線(xiàn)路的檢修工作提供指導(dǎo)。

1 魚(yú)龍嶺接地極概況

1.1 魚(yú)龍嶺接地極基本參數(shù)

魚(yú)龍嶺接地極極址的出線(xiàn)布置圖如圖1所示。

圖1 魚(yú)龍嶺極址出線(xiàn)布置圖Fig.1 Outlets layout of Yulongling grounding electrode

本文需要計(jì)算極址周?chē)?0 km范圍內(nèi)的電位分布，根據(jù)實(shí)測(cè)選擇了土壤結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，其土壤分層數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 魚(yú)龍嶺接地極土壤分層和土壤電阻率Tab.1 Soil stratification and resistivity of Yulongling grounding electrode

魚(yú)龍嶺接地極的設(shè)計(jì)參數(shù)為:接地極處土壤電阻率為70 Ω·m;地面最高電位升719.5 V;接地電阻計(jì)算值0.228 Ω;允許最大跨步電壓控制值為7.1 V/m。特別指出，魚(yú)龍嶺接地極的額定入地電流為3 155 A，額定入地電流為某一直流輸電系統(tǒng)的額定電流加上另一系統(tǒng)的不平衡電流［14］，如云廣直流輸電系統(tǒng)的額定電流為3 125 A，貴廣Ⅱ回額定電流為3 000 A，不平衡電流為額定電流的1%，從而算出整個(gè)系統(tǒng)的額定電流為IN=3 125 A+3 000A×1%=3 155 A;該額定入地電流是在2個(gè)直流工程都處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)計(jì)算得出的，本文所討論的單條接地極線(xiàn)路檢修狀態(tài)下，另一條直流線(xiàn)路單極大地回路運(yùn)行時(shí)，流入接地極的電流為運(yùn)行線(xiàn)路的額定電流。

如圖2所示，魚(yú)龍嶺接地極采用φ940m+φ700m二同心圓環(huán)電極布置，電極外環(huán)采用φ70 mm鋼棒，埋深4.0m，內(nèi)環(huán)采用φ60 mm鋼棒，埋深3.5m。焦碳斷面為1.1m ×1.1m(外環(huán))、0.7m ×0.7m(內(nèi)環(huán))。為便于運(yùn)行檢修，在接地極線(xiàn)路與接地極之間設(shè)置隔離開(kāi)關(guān)。通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較選取鋼(鐵)作為饋電元件;為滿(mǎn)足填充材料的性能要求，選取焦炭為活性填充材料。

圖2 魚(yú)龍嶺接地極型式示意圖Fig.2 Schematic diagram of Yulongling grounding electrode

接地極為全電纜導(dǎo)流方式:從換流站接地極引流線(xiàn)到接地極中心構(gòu)架后，入地電流分4路利用電纜直埋分別敷設(shè)接到電極的內(nèi)外環(huán)，每一路采用4根饋電電纜。電纜與饋電棒、饋電棒與饋電棒間用電弧焊接。在電極周邊設(shè)置電纜工井、檢測(cè)井、滲水井等裝置，監(jiān)測(cè)電極溫升，土壤溫度，電流分布和跨步電壓等。

1.2 電位差產(chǎn)生的原因

2個(gè)直流工程在正常雙極運(yùn)行情況下，正負(fù)極自成回路，理論上不存在不平衡電流以外的入地直流電流;實(shí)際正常運(yùn)行時(shí)，接地極線(xiàn)路上不平衡電流數(shù)值小于系統(tǒng)額定電流的1%，流入接地極的電流很?。?5］。但是當(dāng)某回直流線(xiàn)路的接地極線(xiàn)路進(jìn)行檢修而將接地極極址隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，另一回直流線(xiàn)路若處于單極大地回路運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的額定電流通過(guò)接地極線(xiàn)路流入魚(yú)龍嶺接地極，該電流數(shù)值較大，會(huì)在極址周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生較高的地電位，對(duì)附近的檢修線(xiàn)路產(chǎn)生影響［16］:直流電流通過(guò)接地極向大地散流時(shí)，接地極和整個(gè)大地都將呈現(xiàn)一定的電位，地面電位從接地導(dǎo)體上方的地面向遠(yuǎn)方遞減，在接地極環(huán)上方達(dá)到最大值，愈靠近極環(huán)，地表等位線(xiàn)愈密。當(dāng)直流接地極附近檢修線(xiàn)路的桿塔電位不同時(shí)，若該檢修線(xiàn)路未采取一定的絕緣措施，直流電流將從大地中流入電位較高的桿塔接地體，然后通過(guò)避雷線(xiàn)流向電位較低的桿塔接地體;直流電流甚至可能從桿塔的一個(gè)塔腳流進(jìn)，從另一個(gè)塔腳流出，造成在同一基桿塔上也存在電位差，影響檢修線(xiàn)路上檢修人員的安全。

2 計(jì)算條件及結(jié)果分析

2.1 計(jì)算條件

為分析接地極對(duì)地表電位分布以及跨步電壓、接觸電壓的影響，根據(jù)魚(yú)龍嶺接地極的實(shí)際參數(shù)，利用CDEGS建立了相應(yīng)的仿真計(jì)算模型。建模時(shí)，對(duì)接地極每個(gè)1/4圓環(huán)用3段直線(xiàn)段代替簡(jiǎn)化，從電流注入點(diǎn)分別連接到內(nèi)外極環(huán)上，每一路饋電電纜用一根電纜代替。

本研究考慮的計(jì)算條件為2種情況:

(1)當(dāng) ±800kV楚穗直流接地極線(xiàn)路檢修，±500kV興安直流單極大地回路運(yùn)行，即入地電流為3 000 A時(shí)魚(yú)龍嶺極址附近的電位分布;

(2)當(dāng) ±500kV興安直流接地極線(xiàn)路檢修，±800kV楚穗直流單極大地回路運(yùn)行，即入地電流為3 125 A時(shí)魚(yú)龍嶺極址附近的電位分布。

為了解電位分布趨勢(shì)，計(jì)算了以接地極環(huán)圓心為中心，半徑在10 km范圍內(nèi)的電位分布圖。因電位在接地極環(huán)附近變化較快，特別給出了內(nèi)外極環(huán)附近的電位分布。

2.2 地面電位分布

2.1 節(jié)中2種情況下魚(yú)龍嶺極址地表電位分布如圖3、4所示。

圖3 接地極附近10 km區(qū)域內(nèi)地表電位分布Fig.3 Potential distribution of 10 km around grounding electrode

圖4 接地極1 km內(nèi)地表電位分布Fig.4 Potential distribution of 1 km around grounding electrode

由圖3可看出，與極環(huán)相距越遠(yuǎn)，電位衰減速度越慢。由圖4可以看出，極環(huán)上方呈現(xiàn)地表電位峰值，這是因?yàn)闃O環(huán)處的電流密度最大;同時(shí)，內(nèi)環(huán)上方地表電位比外環(huán)略高。隨著觀測(cè)點(diǎn)與極環(huán)距離的增加，地表電位逐漸衰減;極環(huán)附近，衰減迅速，距極環(huán)中心約1 500m處，地表電位已衰減至最大值的50%，由于極環(huán)的屏蔽效應(yīng)，接地極內(nèi)環(huán)地表電位衰減速度低于外部。

2.3 內(nèi)外環(huán)及各饋電電纜分流

分流電流由流至土壤的橫向電流和傳遞到接地體遠(yuǎn)端的縱向電流組成［17］。由于該模型為理想的軸對(duì)稱(chēng)模型，內(nèi)、外環(huán)饋電電纜流過(guò)的電流各自相同，且內(nèi)、外極環(huán)上分流的電流也呈軸對(duì)稱(chēng)分布，圖5中只顯示了接地極環(huán)1/4部分的電流分布，其余部分的電流分布則相同，其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為橫向電流的大小。電纜因有屏蔽層和絕緣層包裹，流至土壤的橫向電流很小，而極環(huán)上的橫向電流則較大。當(dāng)入地電流為3 000 A時(shí)，外環(huán)每根饋電電纜的縱向電流為465 A，4根電纜共分流1 860 A;內(nèi)環(huán)的每根饋電電纜的縱向電流為285 A，4根電纜共分流1 140 A;計(jì)算得出，接地極內(nèi)環(huán)分流占入地電流的38%;外環(huán)分流占入地電流的62%。同樣，可計(jì)算出當(dāng)入地電流為3 125A時(shí)，接地極內(nèi)環(huán)分流約占入地電流的37.9%;外環(huán)分流約占入地電流的62.1%。

圖5 各導(dǎo)體段的橫向電流和縱向電流Fig.5 Transverse current and longitudinal current of each conductor section

2.4 跨步電壓

由圖6可以看出，跨步電壓峰值呈現(xiàn)于極環(huán)兩側(cè)數(shù)米之內(nèi);內(nèi)環(huán)跨步電壓峰值比外環(huán)小;在峰值兩側(cè)，跨步電壓隨著觀測(cè)點(diǎn)與極環(huán)距離的增大而迅速衰減;距極環(huán)中心約500m處，跨步電壓已衰減至最大值的50%，距極環(huán)中心700m時(shí)，曲線(xiàn)已變平坦，后緩慢衰減至接近于0。跨步電壓峰值2.9 V/m，小于最大跨步電壓控制值7.1 V/m。

圖6 接地極附近跨步電壓分布Fig.6 Step voltage distribution near grounding electrode

2.5 接觸電壓

為避免接地極入地電流對(duì)附近桿塔的基礎(chǔ)造成腐蝕，DL/T 5224—2005《高壓直流輸電大地返回運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定:對(duì)靠近接地極約2 km以?xún)?nèi)的桿塔，基礎(chǔ)對(duì)地和桿塔對(duì)基礎(chǔ)應(yīng)絕緣。對(duì)于2 km以?xún)?nèi)的桿塔，建議避雷線(xiàn)與桿塔不連接，桿塔單點(diǎn)接地，如圖7所示。圖中，a桿塔與接地極的距離在2 km以?xún)?nèi)，避雷線(xiàn)與桿塔間的“S”表示二者相互絕緣。

圖7 降低接觸電壓的措施示意圖Fig.7 Schematic diagram of reducing contact voltage

由于桿塔采用了單點(diǎn)接地，人觸摸桿塔時(shí)承受的接觸電壓等于桿塔接地點(diǎn)與人體兩腳接觸地面處兩點(diǎn)間的電壓，按照接觸電壓的定義，人體與桿塔的水平距離為1m，即此時(shí)的接觸電壓為該處的跨步電壓，當(dāng)接地極的跨步電壓滿(mǎn)足限值要求時(shí)，該點(diǎn)的接觸電壓低于限值7.1 V/m。此外，由于避雷線(xiàn)與桿塔斷開(kāi)，避免了直流電流在相鄰桿塔間的流通而對(duì)接地導(dǎo)體造成腐蝕［18］。對(duì)于魚(yú)龍嶺接地極線(xiàn)路，5 km內(nèi)的桿塔單點(diǎn)接地，理論上不存在接觸電壓超標(biāo)的問(wèn)題。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

興安直流極Ⅱ系統(tǒng)調(diào)試期間，在接地極現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的測(cè)試，其中包括:饋電電纜分流、極址區(qū)域最大跨步電壓、最大接觸電壓、接地極接地電阻測(cè)試、接地極地面電位分布等項(xiàng)目。該測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了建模計(jì)算結(jié)果的正確。測(cè)試時(shí)所施加的電流為魚(yú)龍嶺接地極的額定入地電流3 155 A。

3.1 內(nèi)外環(huán)及各饋電電纜分流

入地電流通過(guò)接地極散流時(shí)，由于土壤電阻率分布不均勻以及地中電流場(chǎng)的作用，導(dǎo)致各饋電電纜的分流各不相同［19］。測(cè)量時(shí)，入地電流分4路分別接到電極的內(nèi)外環(huán)，每一路采用4根饋電電纜。在額定入地電流3 155 A的情況下，外環(huán)16根電纜分流值最大的為204.0 A，內(nèi)環(huán)16根電纜分流值最大的為126.7 A;其他內(nèi)、外環(huán)饋電電纜分流值均小于以上值，接地極內(nèi)環(huán)分流約占分流電流的36.1%，外環(huán)分流約占分流電流的63.9%。

結(jié)合第2.3節(jié)可以看出，內(nèi)外環(huán)分流計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較小，說(shuō)明計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果相符。

3.2 跨步電壓

在額定入地電流3 155 A的情況下，對(duì)極環(huán)附近區(qū)域的跨步電壓進(jìn)行了測(cè)量。表2中給出了各測(cè)點(diǎn)所測(cè)出的最大跨步電壓的位置及幅值。

表2 極環(huán)附近跨步電勢(shì)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Measurement data of step voltage near grounding ring

表2中的測(cè)量結(jié)果表明:

(1)在系統(tǒng)大地回路運(yùn)行時(shí)，3號(hào)測(cè)點(diǎn)與7號(hào)測(cè)點(diǎn)分別是內(nèi)、外環(huán)上電流密度最大的區(qū)域，原因是這2個(gè)測(cè)點(diǎn)位于極址南部，此處土壤電阻率較其他測(cè)點(diǎn)區(qū)域要低，電流較其他區(qū)域更易集中，有較多的電流流向此方向。另外，由于外環(huán)分流更多，電流密度更大，因此外環(huán)上各測(cè)點(diǎn)處的跨步電勢(shì)水平高于內(nèi)環(huán)。

(2)在接地極外環(huán)7～10m處跨步電壓值最大，為5.321 V/m，但小于設(shè)計(jì)控制值7.1 V/m。從內(nèi)側(cè)徑向3～5m至外側(cè)徑向3～10m，跨步電壓值偏高區(qū)域面積共約200m2。

3.3 接觸電壓

測(cè)試了魚(yú)龍嶺極址區(qū)域內(nèi)2基鐵塔及饋電電纜構(gòu)架，塔腳接觸電壓全部小于設(shè)計(jì)控制值7.1 V/m。

實(shí)測(cè)時(shí)跨步電壓和接觸電壓存在部分區(qū)域稍偏高(也小于設(shè)計(jì)控制值)，原因是此處土壤電阻率較其他測(cè)點(diǎn)區(qū)域要低，電流較其他區(qū)域更易集中，有較多的電流流向此處，而計(jì)算時(shí)的土壤模型為均勻的理想條件，因此得到的跨步電壓和接觸電壓均偏小。但建模計(jì)算時(shí)跨步電壓極大值所在位置的分布規(guī)律與實(shí)測(cè)及文獻(xiàn)［12］中的一致。

3.4 接地極接地電阻及地面電位分布

在額定入地電流3 155 A運(yùn)行條件下，接地極最大電位升為:600.42 V，10 km外的電位梯度不大于0.15 V/km。接地電阻實(shí)測(cè)值為0.19 Ω。接地電阻計(jì)算值更接近設(shè)計(jì)值，實(shí)測(cè)值相對(duì)偏小。因接地電阻值的不同，地面電位升有差異，但地面電位與接地極的距離衰減規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

4 結(jié)論

(1)入地電流為3 000 A和3 125 A時(shí)具有相似的地表電位分布:極環(huán)上方呈現(xiàn)地表電位峰值，且內(nèi)環(huán)上方地表電位高于外環(huán)，極環(huán)附近電位衰減迅速，由于極環(huán)的屏蔽效應(yīng)，接地極內(nèi)環(huán)內(nèi)的地表電位衰減速度低于外部。

(2)計(jì)算結(jié)果顯示接地極內(nèi)環(huán)分流約占入地電流的38%，外環(huán)分流約占入地電流的62%;實(shí)測(cè)時(shí)接地極內(nèi)環(huán)分流約占分流電流的36.1%，外環(huán)分流約占分流電流的63.9%。

(3)跨步電壓峰值位于內(nèi)、外極環(huán)上方，其中外極環(huán)上方跨步電壓最大，但小于設(shè)計(jì)值7.1 V/m;對(duì)桿塔采用單點(diǎn)接地措施后的接觸電壓，滿(mǎn)足限值要求。

(4)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，部分區(qū)域因土壤電阻率較低造成電流分布更集中，使得該區(qū)域跨步電壓值稍偏高，但仍小于設(shè)計(jì)控制值。為保證檢修人員的安全，在作業(yè)時(shí)應(yīng)采取絕緣防護(hù)措施。

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