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特高压直流输电工程接地极电磁环境研究

电气0905 徐延明 1091540327

摘要

特高压直流输电工程在调试和检修时，会出现单极大地返回运行方式，此时入地电流将使接地极地电位升高，产生跨步电压、接触电压和转移电压，还有可能对电信系统和交流电力系统产生影响。

本文主要针对特高压直流工程接地极的电磁环境问题做了相关介绍及分析。对于出现的相关电磁环境问题，进行了影响因素分析，提出了目前比较可行的措施，并比较了不同结构的接地极的电磁环境。

关键词

特高压直流输电 直流接地极 电磁环境

前言

自从1954 年,世界上第一条100 kV ,20 MW,95 km的海底电缆直流输电工程在瑞典投入运行以来,高压直流输电技术HVDC 的商业化运行已有近50 a 的历史,随着科学技术的不断进步,电力电子技术、计算机技术、光纤技术和新材料技术的发展,促进了HVDC 技术不断改进和提高,使之更趋成熟,在电力发展中的应用将更为广泛。

特高压直流输电是指800 kV 及以上电压等级的直流输电及相关技术。特高压直流输电工程由于输送容量大，电压等级进入特高压范畴，换流站和线路工程在电磁环境影响、绝缘配合、外绝缘特性、无功补偿配置、换流阀组、直流场接线以及总平面布置等方面均有其自身特点，技术难度大，也是可行性研究阶段的主要技术内容，需要结合工程的自然地理环境和两端电网情况进行深入的研究和论证，初步确定其主要技术原则和方案。自第1条 500 kV 超高压直流输电工程葛洲坝---上海直流输电工程建设至今, 我国已建设十余条直流输电工程, 接地极的设计取得较多的实际工程经验, 但尚未出现统一的标准, 运行中也发现存在很多问题。

特高压直流输电目前的问题主要包括关键设备的问题，绝缘与绝缘配合，主接线的设计，控制保护，运行方式，电磁环境，可靠性，电力系统，输电线路和接地极等。而在这其中，直流输电工程中接地极电磁环境问题越来越引起了人们的注意。

直流工程接地极是直流输电系统为实现以陆地或海水为回路，回流至换流站直流电压中性点而在距每一端换流站一定距离设置的接地装置和设施。直流接地极在单极大地返回运行方式和双极运行方式中分别担负着导引入地电流和不平衡电流的重任；在正常双极运行时还起着钳制换流阀中性点电位，保护换流阀安全的作用。

当直流输电系统以单极大地回路运行时，直流电流持续地通过接地极注入大地，将伴随着出现接地极温度和地位升高、地面出现跨步电压等问题。在接地极设计中，必须对这些问题进行分析计算并予以妥善解决。

一． 直流接地极类型

接地极一般分为陆地接地极和海洋接地极两类。对于陆地接地极，极址应有足够的面积，地形应相对平坦，地下水分充足，以利于电极布置和运行，降低工程造价。对于海洋或海岸接地极，极址一般应位于便于运行的海湾，并避免放在淡水河流出口处。 陆地接地极敷设方式分为两类:一类是水平埋设，也称浅埋型电极；另一类是垂直埋设，也称井型电极。浅埋型电极埋设蛇毒一般为数米，充分利用表层土壤电阻率较低的有利条件。因此浅埋型电极具有施工运行方便，造价低廉等优点，特别适用于极址表层土壤电阻率低，场地宽阔且地形较平坦的情况。井型电极底端埋深一般为数十米，占地面积较小，对环境的影响较小。 海洋电极在布置方式上又分为海岸电极和海水电极两种。海岸电极多数采用沿海岸直线型布置，以获得最小的接地电阻值。海水电极的导电元件防止在海水中，并采用专门支撑设施和保护设施，使导电元件保持相对固定和免受海浪或冰块的冲击。

二． 直流接地极环境影响因子

1. 跨步电压

地面水平距离为1m的任意两点间的电位差称为跨步电势；人体两脚接触地面且水平距离为1m的任意两点的电压称为跨步电压。电流经过接地极入地时会在接地极附近产生跨步电压。跨步电压往往称为接地极设计中的重要考核指标。

2.接触电压

当高压直流接地极运行时，地面上离导电物体水平距离为1m处与该物体上离地垂直距离为1.8m处两点间的电位差称为接触电势；地面上离导电物体水平距离为1m处的人触摸该物体上离地垂直距离为1.8m处两点间的电位差称为接触电压。

3.转移电压

除了跨步电压和接触电压以外，转移电压也容易造成对地面人员的影响。转移电压的定义是：当直流接地极运行时，若人站在接地极附近地面触摸远方引入的接地导体，或人站在远处地面触摸极址附近引出的接地导体，所承受的接触电压即为转移电压。

4.对电信系统的影响

若在接地极附近存在埋地电信电缆或电信局，接地极的散流会在电缆处或电信局产生电位升。由于强电线路正常运行时，电信导线上的纵向电动势和电缆芯线上的纵向电动势允许值为60V。

5.对交流电力系统的影响

当直流系统处于单极大地返回方式运行时，接地极在地中的散流将抬高附近区域的地电位。处于该电流场范围内的交流电力设备接地部分将不再是零地位，交流输电线路两端的变压器中性点之间将出现电位差，在交流输电线路和变压器绕组中会流过直流分量。

6.对埋地金属管道的影响

地中直流电流对其邻近的地下金属管线和金属构件会产生腐蚀作用，进而影响设备的正常运行。

三． 直流接地极地电位和跨步电压分布规律

接地极对环境影响的本质是地电位升。跨步电势基本反映了地电位在地表的变化率。跨步电压则在跨步电势的基础上考虑了人体电阻的影响。接地极地电位、跨步电势分布规律与接地极的形状关系密切。

图 2单圆环接地极极环附近跨步电势

单圆环接地极的地电位在极环附近达到最大值；在极环内外两侧，地电位随着场点到极环的距离增大而减少。地电位在接地极外部衰减较快，内部衰减较慢；在极环外侧100~200m后，地电位衰减明显变缓，到底距离极环中心数千米后，地电位已经变得比较平坦。

图 1 单圆环接地极径向地电位分布

图 3 三圆环接地极极环附近地电位分布 图4 三圆环极环附近跨步电势

多圆环接地极的每一极环附近的地电位分布均与单圆环接地极类似，因此多圆环接地极的地电位分布规律基本上是多个单圆环地电位分布的交替。 非圆环状接地极的极环法线方向上的地表电位分布和跨步电势分布规律与圆环状接地极的基本相同，但在同一个极环不同位置处的跨步电势差异较大。一般来说，最大跨步电势出现在接地极最外凸的区域内，即整体屏蔽效应较小的区域，确切位置受土壤电阻率影响。

四．改善特高压直流工程接地极环境的措施

1.减小跨步电压的措施

(1).减小端部效应。(2).避免堆积效应。(3).采用多环接地极结构。(4).采用垂直接地极。

2.减小接触电压的措施

若接地极导流系统采用架空方式，在接地极上方的金属物体主要由终端塔、中心塔和分支塔；若采用埋地电缆引流方式，在接地极上方主要有终端塔、中心塔和电缆支架。在接地极接触电压的管理中，这些金属物体是限制接触电压时考虑的重点对象。 为防止杆塔腐蚀，接地极上方以及附近的杆塔塔基一般需做绝缘处理。将塔基做绝缘处理的杆塔与接地极线路避雷线绝缘，可以有效地减小杆塔处的接触电压。

3.减小转移电压的措施

为保证老百姓安全，在接地管理中应在接地极附近一定范围限制这些导致转移电压过高的行为。限制范围可定位极环两侧100~300m以内，具体范围根据各接地极形状、极址土壤电阻率和地电位分布而定。

4.减小接地极对附近电信影响的措施

对于埋地电信电缆，应保证接地极的距离属于安全范围，通过计算可确定这一安全距离的数值。若不能满足这一安全距离，合理安排电信电缆接地点位置，也能够降低直流接地极对电信电缆的影响。良好的接地装置能够在局部降低电缆或电信局的地电位，从而减小地电位的影响。

图5接地装置对埋地电缆地电位的影响

5.减小对交流变压器影响的措施

抑制变压器中性点直流电流可以从在变压器中性点串联电容或电阻的方法来实现。串联电容可以直接阻隔直流通路，一般应选择耐压值较高，容量较大的电容。串联电阻的思路是增大回路电阻，从而减小进入交流变压器的直流电流。

6.减小对埋地金属管道腐蚀的措施

为防止地中直流电流对地下金属物的腐蚀，对不满足技术要求的设施，应根据影响性质，采取诸如绝缘、阴极保护等防护措施。

五． 不同结构的接地极的环境比较

考虑800KV直流输电系统分别采用单环、双环、三环接地极。对于多环的接地极，由于可以更好地利用极环内部的土壤进行散流，对单环接地极相比，电流由集中在一个极环流散变为分散在多个极环流散，每个极环上方的跨步电压和地