±800 kV換流站接地極對金屬圍柵轉(zhuǎn)移電位的影響及治理方案

李學(xué)鵬，李慶軍，趙國仲，薛峰，張萬祥，曹鑫，韓志萍

(1. 中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計院有限公司，西安710075；2. 國網(wǎng)青海省電力有限公司，西寧810008；3. 國網(wǎng)青海省電力建設(shè)公司，西寧810008)

0 引言

接地極是直流輸電工程的重要組成部分，起著鉗制換流站中性點(diǎn)電位，通流不平衡電流以及在線路檢修或單級大地運(yùn)行時提供大地返回通道的作用[1-6]。青稞羊村接地極是青?！幽稀?00 kV特高壓直流輸變電工程送端海南換流站接地極，極址位于青海省海南藏族自治州貴南縣森多鄉(xiāng)東偏南約8.5 km，距海南換流站直線距離約69 km。極址地貌為平緩草場，自然地面高程在3 300～3 315 m之間，場地最大高差約15 m，以草地為主，局部有少量青稞地，極址區(qū)域存在大量牧民用于分隔草場而建的金屬圍柵。

2020年7月中國電力科學(xué)研究院在青海—河南特高壓直流輸電工程單極大地運(yùn)行方式調(diào)試期間，在接地極入地電流3 000 A工況下，測得極址地表金屬圍柵對地最大轉(zhuǎn)移電位[7-8]超過100 V，折算至2 h過負(fù)荷工況下(6 231 A)，最大轉(zhuǎn)移電位可能超過200 V，存在一定安全隱患。轉(zhuǎn)移電位是指當(dāng)短路電流或雷電過電流流過接地裝置時，一端與接地裝置連接的金屬導(dǎo)體傳遞接地裝置對地的電位。

為研究接地極轉(zhuǎn)移電位超標(biāo)問題，本文依據(jù)實測的青稞羊村接地極大地電阻率成果，考慮凍土和非凍土兩種工況，在2 h過負(fù)荷6 231 A入地電流下，對極址地表電位分布和轉(zhuǎn)移電位的幅值進(jìn)行了模擬，通過與實測值對比，提出了接地極金屬圍柵轉(zhuǎn)移電位治理的具體措施。

1 接地極大地電阻率模型及設(shè)計方案

1.1 接地極大地土壤電阻率測量

根據(jù)極址電流場分布原理，極址周邊區(qū)域的電位主要由淺層土壤電阻率決定；遠(yuǎn)離極址的電位分部主要與極址深層土壤電阻率和周邊大范圍的土壤電阻率有關(guān)。四極法具有局部分辨率高的特點(diǎn)，但測深不足，難以穿越高阻層；大地電磁法(MT法)，測深可達(dá)數(shù)百甚至上千千米，但無法取得地下1 km深度范圍內(nèi)的大地電阻率分布。接地極工程一般對淺層土壤電阻率采用四極法測量，對深層土壤電阻率采用大地電磁勘探(MT)法測量[9-11]。

青稞羊村接地極采用同心雙圓環(huán)布置，外環(huán)半徑600 m，內(nèi)環(huán)半徑470 m。極址區(qū)平面布置圖上共布置25個淺層土壤電阻率測點(diǎn)，編號為DS01—DS25，測點(diǎn)深度為0～200 m；9個0～2 000 m土壤電阻率測點(diǎn)和5個0～30 000 m土壤電阻率測點(diǎn)與淺表層土壤電阻率測點(diǎn)重合，直流接地極極址的大地電阻率勘探位置如圖1所示。

圖1 極址的大地電阻率勘探位置示意(測點(diǎn)間距500 m)Fig.1 Sketch diagram of location of the earth resistivity survey in electrode site (distance of measuring points is 500 m)

考慮到極址表面轉(zhuǎn)移電位主要由淺層土壤電阻率決定，故從簡化計算的角度，采用土壤電阻率反演軟件，將接地極土壤電阻率擬合為水平四層大地模型。針對凍土和非凍土兩種情況，分別進(jìn)行了計算，其中表1為非凍土季節(jié)時極址大地電阻率模型，表2為凍土季節(jié)時極址大地電阻率模型。

表1 不考慮凍土層時大地模型參數(shù)Tab.1 Geodetic model parameters without considering permafrost

表2 考慮凍土層時大地模型參數(shù)Tab.2 Geodetic model parameters with considering permafrost

對于土質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定的土壤，影響土壤電阻率的兩種最明顯的季節(jié)因素就是降雨和冰凍，降雨導(dǎo)致電阻率降低，而冰凍則引起電阻率升高[12-15]。

青海地處我國西北高原地區(qū)，冰凍周期長，季節(jié)性凍土非常明顯，根據(jù)多年在西北高寒地區(qū)工程設(shè)計的經(jīng)驗，不同季節(jié)土壤電阻率差異較大，故跨步電壓的計算必須考慮季節(jié)性凍土對土壤電阻率的影響。

為了準(zhǔn)確得到不同季節(jié)的土壤電阻率，設(shè)計單位在2017年12月進(jìn)行了可研階段的土壤率測量，2018年5月進(jìn)行了初步設(shè)計階段的土壤電阻率測量，計算中依據(jù)不同季節(jié)的土壤電阻率測量結(jié)果對表層電位進(jìn)行了模擬。

經(jīng)查，西北電力設(shè)計院有限公司編制的《接地極巖土勘察報告》及《水文氣象報告》[16-17]中引用的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及氣象站資料，青稞羊村接地極所在區(qū)域季節(jié)性凍土層厚度在1.2～1.6 m，主要集中在當(dāng)年11月至次年4月，土壤電阻率分層模型中凍土層均按照1.6 m 考慮。

1.2 青稞羊接地極設(shè)計方案

青海海南換流站青稞羊村接地極系統(tǒng)額定電流5 523 A，2 h過負(fù)荷電流為6 231 A，雙極不平衡電流為10 A。

根據(jù)接地極區(qū)域土壤電阻率及地形條件，青稞羊接地極采用淺埋型陸地接地極，電極形狀為同心雙圓環(huán)形，外環(huán)半徑為600 m，內(nèi)環(huán)半徑470 m；電極材料采用Φ50高硅鉻鐵棒，電極埋深為4.0 m；活性填充材料為石油焦炭，焦碳截面外環(huán)、內(nèi)環(huán)均為0.80 m×0.80 m。

2 接地極金屬圍柵接地分析

青稞羊接地極表面的金屬圍柵主要是當(dāng)?shù)啬撩裼脕韯澐值亟绲恼系K物，圖2為金屬圍欄俯視圖，圖3為金屬圍欄現(xiàn)狀。

圖2 接地極金屬圍欄位置示意圖Fig.2 Sketch diagram of metal fence position of electrode site

圖3 接地極金屬圍柵現(xiàn)狀圖Fig.3 Scene picture of metal fence of electrode site

接地極金屬圍柵的接地工況主要有3種。

1)金屬圍柵的支撐部分(圍柵樁)對地電氣絕緣，而且金屬圍柵的金屬體(鐵絲)也嚴(yán)格對地絕緣的。一般情況下經(jīng)過了放電以后，可以認(rèn)為懸浮的鐵絲與大地具有同一電位，此時不存在電位轉(zhuǎn)移的問題。因為鐵絲是對地嚴(yán)格絕緣的，人接觸到鐵絲以后可能會有輕微的感應(yīng)電荷放電，電荷放電后不再對人體進(jìn)行放電，故人體是安全的。

2)圍柵樁為金屬材質(zhì)且良好接地，即鐵絲通過圍柵樁多點(diǎn)接地。在這種情況下鐵絲對人體存在輕微的轉(zhuǎn)移電位問題，轉(zhuǎn)移電位最大的工況是人站在某圍柵樁處安裝鐵絲，人對相鄰的圍柵樁放電，此時圍柵樁的間距就決定了轉(zhuǎn)移電位的大小。以通信線路的人體安全電壓60 V作為標(biāo)準(zhǔn)，在各種工況下，只要控制圍柵樁的間距，確保兩樁間的電位差不超過60 V，就可以認(rèn)為是安全的。

3)長距離鐵絲單點(diǎn)接地。這種情況是轉(zhuǎn)移電位最為嚴(yán)重的情況，在這種情況下只要人接觸到了鐵絲，人體就會承受站立點(diǎn)與鐵絲接地點(diǎn)之間的地表電位差。如果人體承受電位差超過60 V就認(rèn)為有觸電風(fēng)險。

在本工程接地極調(diào)試期間，入地電流3 000 A時，現(xiàn)場測量的最長的不接地金屬圍欄對地存在超過100 V的轉(zhuǎn)移電位，折算至2 h過負(fù)荷工況下，該轉(zhuǎn)移電位可能超過200 V，因此也是最嚴(yán)重的情況。

綜合以上3種情況可見，地表電位是研究轉(zhuǎn)移電位是否安全的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5524—2014《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[8]中對轉(zhuǎn)移電位差定義為人站在接地極附近地面觸摸遠(yuǎn)方引入的接地導(dǎo)體或人站在遠(yuǎn)處接觸極址附近引出的接地導(dǎo)體所能承受的接觸電位。接地極設(shè)計時極址上部金屬網(wǎng)狀圍柵上的轉(zhuǎn)移電位設(shè)計值可采用國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的不大于60 V作為限值。

3 直流接地極的地表電位分布

根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的工作原理，采用單極大地返回運(yùn)行方式時，會在接地極地表產(chǎn)生電位最大值。青稞羊村接地極位于青海高寒地區(qū)，必須考慮凍土層對地表電位分布的影響，故針對凍土和未考慮凍土分別進(jìn)行了計算分析。

3.1 非凍土季節(jié)地表電位分布

圖4是直流接地極極環(huán)位置示意圖，圖5為非凍土季節(jié)時距離極環(huán)中心不同距離的地表電位分布曲線，地表電位最大值為576.71 V，發(fā)生在內(nèi)環(huán)附近，外環(huán)附近地表的最大電位升高為572.34 V。

圖4 接地極雙環(huán)位置示意圖(鳥瞰圖)Fig.4 Sketch dragram of ground electrode double ring position (aerial view)

圖5 距離極環(huán)中心的不同距離的地表電位分布曲線(不考慮凍土)Fig.5 Curve of surface potential at different distances from the center of polar ring (without considering frozen soil)

3.2 凍土季節(jié)地表電位分布

由圖6可得，內(nèi)環(huán)附近地表電位最大值為634.39 V，內(nèi)環(huán)附近地表的最大電位升高為630.77 V。

從圖6可以看出，考慮凍土層后地表電位較未考慮凍土層有所升高，地表電位梯度也有所增加，在這種情況下轉(zhuǎn)移電位的風(fēng)險是最高的，故轉(zhuǎn)移電位的治理方案應(yīng)該考慮凍土層的因素。

3.3 轉(zhuǎn)移電位治理范圍分析

通過圖6可見，地表電位的兩個峰值分別對應(yīng)接地極內(nèi)外環(huán)上，在接地極內(nèi)環(huán)內(nèi)側(cè)，由接地極中心至350 m范圍內(nèi)，地表電位變化較為平緩，其轉(zhuǎn)移電位差不大于60 V；接地極外環(huán)外側(cè)距接地極中心680 m處向遠(yuǎn)方無窮遠(yuǎn)處的地表電位變化也較平緩，其轉(zhuǎn)移電位差也不大于60 V，因此可以認(rèn)為在距接地極中心350 m范圍內(nèi)以及距接地極中心680 m之外的范圍內(nèi)(如圖7所示)，轉(zhuǎn)移電位差不需要治理。

圖6 距離極環(huán)中心的不同距離的地表電位分布曲線(考慮凍土)Fig.6 Curve of surface potential at different distances from the center of polar ring (with considering frozen soil)

圖7 需要治理的范圍示意圖(陰影部分)Fig.7 Diagram of scope to be treated (shaded part)

根據(jù)地表電位計算結(jié)果，距接地極中心350 m處至距接地極中心680 m的范圍內(nèi)的金屬圍柵由于轉(zhuǎn)移電位差變化幅度較大，需要采取措施。而轉(zhuǎn)移電位差的大小同電位轉(zhuǎn)移的距離有很大關(guān)系，因此確定轉(zhuǎn)移電位差允許值所對應(yīng)的電位轉(zhuǎn)移距離是治理的前提。

考慮一定安全裕度，金屬圍柵轉(zhuǎn)移電位的治理方案限值取50 V，按照最嚴(yán)苛的工況，即圍柵樁一端接地，另一端加之人體上的情況下計算，得出相鄰圍柵樁之間的最大跨度為20 m。因此若要滿足轉(zhuǎn)移電位不超過50 V，則相鄰圍柵樁間隔最大不能超過20 m，若超過需要在中間加設(shè)接地圍柵樁。

另外為保證對無窮遠(yuǎn)處的防護(hù)效果，在距接地極中心800 m處設(shè)置接地樁，阻止地表電位向更遠(yuǎn)處傳播。

4 轉(zhuǎn)移電位治理方案

根據(jù)對接地極轉(zhuǎn)移電位的計算分析，依據(jù)不同的治理思路，可采取以下兩種具體的治理方案。

4.1 控制轉(zhuǎn)移電位的轉(zhuǎn)移距離

1)在需要對轉(zhuǎn)移電位進(jìn)行治理的范圍內(nèi)，嚴(yán)格控制金屬圍柵相鄰圍柵樁之間的最大間距不超過20 m，對不滿足條件的需要增設(shè)接地圍柵樁。

2)在間距不超過20 m的原有圍柵樁增加一根垂直接地體，所有圍柵樁上的鐵絲都與接地體相連。

3)距離極環(huán)中心處680～800 m區(qū)域內(nèi)的圍柵鐵絲，在800 m處增加一根垂直接地體，垂直接地極與鐵絲網(wǎng)相連，用于阻止轉(zhuǎn)移電位向更遠(yuǎn)超轉(zhuǎn)移。

4)垂直接地體可采用2.0 m長的50 mm×50 mm×5 mm鍍鋅角鋼或Φ16 mm鍍鋅圓鋼，打入地中不少于2 m。

此方案的治理思路是依據(jù)對轉(zhuǎn)移電位的計算結(jié)果，將金屬圍柵分割為20 m的小段并兩端接地，使最大轉(zhuǎn)移電位滿足規(guī)程要求值，且限制電位最大不超過50 V，考慮金屬圍柵單個回路電阻較大，故雙端接地產(chǎn)生的閉環(huán)電流不會對人體及金屬圍柵本身產(chǎn)生影響。

4.2 采用非導(dǎo)電材質(zhì)替換導(dǎo)電材質(zhì)的圍柵

將治理范圍內(nèi)的金屬圍柵全部更換為非導(dǎo)電材質(zhì)圍柵(如PVC圍柵)，以此隔斷轉(zhuǎn)移電位傳播路徑，從而達(dá)到降低電位差的目的。原有支撐金屬圍柵的支柱由于不存在電位差，可不更換。

此方案的治理思路是徹底從物理上對電位轉(zhuǎn)移路徑進(jìn)行阻隔，斷絕了轉(zhuǎn)移電位產(chǎn)生的可能。

以上兩種方案施行后，均需在接地極極址范圍內(nèi)樹立永久標(biāo)識牌，提醒牧民在極址區(qū)域內(nèi)禁止設(shè)立長度超過20 m的金屬圍柵，并應(yīng)向當(dāng)?shù)卣畧髠洹?/p>

青稞羊村接地極工程采用了第一種控制方案，將金屬圍柵分割為15 m的小段并兩端接地，在工程最終投運(yùn)前，對金屬圍柵的轉(zhuǎn)移電位測量結(jié)果表明最大電位差不大于40 V，達(dá)到了治理目標(biāo)。

5 結(jié)論

1)在接地極地表當(dāng)人站在遠(yuǎn)處接觸極址附近引出的接地不可靠的金屬圍柵時，會存在轉(zhuǎn)移電位的問題，長距離非有效接地的金屬圍柵可能對人生安全帶來威脅。

2)轉(zhuǎn)移電位更多受淺層土壤電阻率影響，采用四極法和MT法測量的土壤電阻率建立的分層土壤模型能夠反映接地極實際土壤情況，可以用于表面電位分別計算。

3)通過對比計算結(jié)果，考慮凍土層情況下的轉(zhuǎn)移電位要較不考慮凍土層的轉(zhuǎn)移電位大，地表電位最大值出現(xiàn)在接地極極環(huán)附近，并向兩端快速衰減。青稞羊村接地極距接地極中心350 m處至距接地極中心680 m的范圍內(nèi)的金屬圍柵轉(zhuǎn)移電位差變化幅度較大，需要采取措施。

4)依據(jù)規(guī)范及考慮一定裕度，青稞羊接地極金屬圍柵轉(zhuǎn)移電位限值可控制為50 V，按照最嚴(yán)苛的工況，具有良好接地的相鄰圍柵樁之間的最大間距不超過15 m，可滿足要求。在距接地極中心800 m米處再設(shè)置一道接地樁，阻止轉(zhuǎn)移電位向更遠(yuǎn)處傳播。

5)根據(jù)不同的治理思路，討論了通過有效接地控制轉(zhuǎn)移電位轉(zhuǎn)移距離和更換非導(dǎo)電材料兩種可行的治理方案。