基于CDEGS軟件的直流接地極系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

周 新，高春英，霍思潼

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021）

隨著國(guó)內(nèi)直流工程建設(shè)規(guī)模不斷增大，輸送容量不斷增加，接地極的功能也變得尤為重要。直流輸電大地回線方式為換流站運(yùn)行方式之一，當(dāng)單極大地運(yùn)行方式時(shí)，直流接地極的入地電流達(dá)數(shù)千安，且可能較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，因此直流接地極的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。合理設(shè)計(jì)直流接地極不僅能夠?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娤到y(tǒng)提供保障，且能夠減少工程投資。

目前，直流接地極計(jì)算軟件及模型應(yīng)用軟件也各不相同。CDEGS軟件集合電流分布（Current Distribution）、電磁場(chǎng)（Electromagnetic Fields）、接地（Grounding）和土壤結(jié)構(gòu)分析（Soil Structure A-nalysis）等功能組成，為電力系統(tǒng)接地、電磁場(chǎng)分析及干擾提供了計(jì)算基礎(chǔ)。本文基于CDEGS軟件，設(shè)計(jì)了直流特高壓輸電系統(tǒng)接地極仿真模型，并應(yīng)用于實(shí)際工程中；在此基礎(chǔ)上，本文提出了優(yōu)化直流接地極各項(xiàng)參數(shù)的方法。

1 高壓直流接地極主要設(shè)計(jì)參數(shù)

直流換流站系統(tǒng)運(yùn)行方式一般為：?jiǎn)螛O大地、雙極運(yùn)行和單極金屬回線三種運(yùn)行模式。當(dāng)直流輸電系統(tǒng)單極大地運(yùn)行時(shí)，直流接地極不僅需鉗制高壓直流（HVDC）系統(tǒng)中性點(diǎn)電位，且需為直流電流提供入地通路，因此最大入地電流為接地極設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。當(dāng)接地極運(yùn)行時(shí)，其周邊區(qū)域產(chǎn)生對(duì)地電勢(shì)，為滿足人畜正?；顒?dòng)，需控制其跨步電勢(shì)［1］；對(duì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的接地極，還需考慮接地極本體溫升等問(wèn)題［2］。

1.1 入地電流

接地極入地電流分為額定電流、最大過(guò)負(fù)荷電流、最大短時(shí)電流和不平衡電流。接地極溫升及使用壽命主要由額定電流及運(yùn)行時(shí)間決定。

最大過(guò)負(fù)荷電流為直流輸電系統(tǒng)在最高環(huán)境溫度時(shí)，一定時(shí)間內(nèi)可輸送的最大負(fù)荷電流，一般為額定電流的1.1倍。最大短時(shí)電流指當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，流過(guò)接地極的暫態(tài)電流，一般為正常額定電流的1.5倍，持續(xù)時(shí)間為數(shù)秒［3］。接地極需能夠滿足短時(shí)最大電流運(yùn)行工況。不平衡電流指雙極直流系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)兩極電流之差。對(duì)于雙極對(duì)稱運(yùn)行方式，由于觸發(fā)角和設(shè)備參數(shù)的差異，有不平衡電流流過(guò)，其值大小可由控制系統(tǒng)自動(dòng)控制在額定電流的1%之內(nèi)。當(dāng)雙極電流不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，流過(guò)接地極的電流為兩極運(yùn)行電流之差。

1.2 跨步電壓

大地為非理想導(dǎo)體，接地極正常運(yùn)行時(shí)，電流經(jīng)接地極向土壤散流時(shí)，極址電位升高。地質(zhì)條件不同，土壤電阻率則不同，故同一極址，不同位置地電位升及跨步電壓不同?？绮诫妷簽榻拥貥O重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。

1.3 最大允許溫升

接地極最高允許溫升為100℃，由于土壤溫度超過(guò)100℃時(shí)，土壤中的水會(huì)較快蒸發(fā)，土壤內(nèi)部黏土預(yù)熱結(jié)晶，不利于接地極本體散熱，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的接地極容易發(fā)生故障。接地極溫升與極址環(huán)境溫度、土壤熱特性和接地極持續(xù)運(yùn)行時(shí)間有直接關(guān)系。

1.4 設(shè)計(jì)壽命

接地極設(shè)計(jì)壽命指接地極運(yùn)行時(shí)間的設(shè)計(jì)取值，影響其壽命主要原因?yàn)殡姼g；為滿足接地極與換流站設(shè)計(jì)壽命相同，在接地極設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮裕度或饋電棒采用更加耐腐蝕的新材料等。

2 基于CDEGS的直流接地極分析

2.1 基于CDEGS的土壤電阻率結(jié)構(gòu)分析

接地極極址選定后，需勘測(cè)極址的土壤電阻率，土壤熱容率及熱導(dǎo)率，其中，土壤電阻率需勘測(cè)表層（0～1 000m）。某直流特高壓接地極勘測(cè)數(shù)據(jù)需經(jīng)CDEGS仿真軟件RESAP模塊進(jìn)行處理計(jì)算，勘測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1可反演出該極址土壤分層及電阻率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 極址區(qū)土壤電阻率測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)

表2 極址大地土壤電阻率電性分層

2.2 基于CDEGS的接地極仿真模型分析

直流接地極主要由焦炭，饋電棒（材質(zhì)主要為高硅鉻鐵）及導(dǎo)流電纜構(gòu)成。接地極形狀可布置為圓形、橢圓形、馬鞍形或垂直型接地極?？紤]直流特高壓輸電系統(tǒng)入地電流較大，故直流特高壓輸電系統(tǒng)常采用水平雙環(huán)埋設(shè)方式，接地極內(nèi)外雙環(huán)共同將電流泄入大地。

基于CDEGS仿真平臺(tái)，搭建直流接地極仿真模型，見(jiàn)圖1。將焦炭、饋電棒及導(dǎo)流系統(tǒng)電特性及物理特性反映于CDEGS仿真平臺(tái)。

圖1 基于CDEGS系統(tǒng)仿真平臺(tái)的直流接地極

由圖1可知，模型已搭建接地極極環(huán)及導(dǎo)流系統(tǒng)，極環(huán)包括饋電棒及焦炭；接地極極環(huán)中心為入地電流泄入大地位置；某±800kV特高壓直流接地極工程，接地極采用內(nèi)4外4導(dǎo)流系統(tǒng)。

3 直流接地極優(yōu)化

3.1 接地極布置方案

本文針對(duì)接地極的主要限制因素（跨步電壓、面電流密度）進(jìn)行優(yōu)化：通過(guò)調(diào)節(jié)接地極的內(nèi)外環(huán)尺寸，尋找跨步電壓最優(yōu)值；通過(guò)調(diào)節(jié)接地極焦炭截面，尋找面電流密度最優(yōu)值。在此基礎(chǔ)上，本文將接地極施工土方量、設(shè)備材料量等因素作為優(yōu)化因素之一，實(shí)現(xiàn)接地極的綜合尋優(yōu)方案。

根據(jù)DL／T 5224—2014《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》，接地極極環(huán)內(nèi)環(huán)半徑與外環(huán)半徑之比宜為0.65～0.85，接地極極環(huán)若取0.65，則內(nèi)環(huán)埋設(shè)處跨步電壓較高，外環(huán)埋設(shè)處跨步電壓較低，內(nèi)環(huán)跨步電壓可能不滿足安全值；接地極極環(huán)若取0.85，則內(nèi)外環(huán)比例最大，工程造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)性較低。綜合考慮，本文選擇在比值為0.70～0.75優(yōu)化接地極。

接地極埋設(shè)深度主要影響跨步電壓數(shù)值及接地極挖方量。接地極埋設(shè)深度為3.0～4.5m，根據(jù)極址土壤電阻率電性分層數(shù)值可知，其埋設(shè)處土壤電阻率數(shù)值較大，故本文考慮將接地極埋設(shè)于4.0～4.5m，且埋設(shè)深度取0.5的整數(shù)倍。極環(huán)焦炭截面選擇為0.6～1.0m，考慮特高壓接地極入地電流較大，焦炭截面較小則不滿足規(guī)程要求的焦炭面電流密度小于1.0A／m2，綜合實(shí)際因素，截面選擇為0.1的整數(shù)倍。

根據(jù)上述原則，本文在同一初始條件下設(shè)計(jì)了6個(gè)比選方案，具體見(jiàn)表3，其中最大跨步電壓控制值為12.377V／m，面電流密度控制值為1.0A／m2。

根據(jù)上述比選方案的參數(shù)，本文同時(shí)考慮施工量及造價(jià)兩個(gè)因素，6個(gè)備選方案的施工量及工程造價(jià)詳見(jiàn)表4及表5。

從表4中可以看出：方案3、4、5、6的焦炭用量相差不大。通過(guò)上述方案可以看出：方案1所用焦炭量較大，考慮焦炭造價(jià)較高，故方案1非最優(yōu)方案，其他方案焦炭量相差較小，故需通過(guò)其他指標(biāo)進(jìn)行比選。

3.2 直流接地極方案比選

根據(jù)上述方案的參數(shù)、施工量及工程造價(jià)等方面分析：在針對(duì)不同接地極環(huán)設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在外環(huán)半徑確定的前提下，最大跨步電壓和最大線電流密度隨極環(huán)內(nèi)外環(huán)比例變化的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2、圖3。對(duì)比定量為外環(huán)435m，埋深4.5m，焦炭截面邊長(zhǎng)0.6m；內(nèi)環(huán)埋深與焦炭截面邊長(zhǎng)與外環(huán)尺寸相同。

圖2可以看出，最大跨步電壓隨極環(huán)比例升高，在0.72左右出現(xiàn)最大值，隨后開(kāi)始下降。

由圖3可見(jiàn)，鑒于焦炭截面邊長(zhǎng)的限制，從而可以得出在0.6m邊長(zhǎng)的焦炭截面下，最大線電流密度的限值為1.507A／m2，在這個(gè)限制的基礎(chǔ)上，隨著極環(huán)比例的增大，最大線電流密度值在下降。

表3 接地極比選方案參數(shù)

表4 接地極比選方案施工量對(duì)比

表5 接地極比選方案經(jīng)濟(jì)性比較 104元

圖2 接地極極環(huán)不同比例下跨步電壓變化趨勢(shì)圖

圖3 接地極極環(huán)不同比例下線電流密度變化趨勢(shì)圖

圖4 接地極極環(huán)相同比例下跨步電壓變化趨勢(shì)圖

在內(nèi)外環(huán)比例確定的情況下，最大跨步電壓仿真結(jié)果隨外環(huán)半徑變化的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。對(duì)比中定量為內(nèi)外環(huán)皆埋深4.5m，焦炭截面邊長(zhǎng)0.6m；內(nèi)外環(huán)比例0.75。由圖4可以看出，接地極內(nèi)外環(huán)比例確定的前提下，跨步電壓數(shù)值變化較小。綜上所述，當(dāng)考慮跨步電壓，面電流密度及線電流密度等因素后可知：方案2跨步電壓為12.343V，跨步電壓限制值為12.377V，考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及裕度，故不推薦方案2；方案3至方案6跨步電壓均留有一定裕度；從土方挖方量考慮，方案4至方案6經(jīng)濟(jì)性較差，故方案3為接地極設(shè)計(jì)較優(yōu)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，HVDC工程輸送容量不斷提升，為滿足超高壓、大容量直流系統(tǒng)運(yùn)行需求，接地極設(shè)計(jì)優(yōu)化方面需不斷優(yōu)化改進(jìn)。本文主要介紹了基于CDEGS軟件平臺(tái)的接地極設(shè)計(jì)模型，在此基礎(chǔ)上本文提出了接地極內(nèi)外環(huán)半徑最優(yōu)比例數(shù)值為0.73；最后詳細(xì)闡述了接地極優(yōu)化過(guò)程中通過(guò)分析跨步電壓、面電流、線電流密度及經(jīng)濟(jì)性等因素，綜合全面對(duì)比各方案，為后續(xù)接地極設(shè)計(jì)提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。