（电力系统及其自动化专业论文）±800kv直流输电接地极设计及影响分析.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文8 0 0 k v 直流输电接地极设计及 影响分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 雅出醯期：逝掣 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日期：幽1 2 1 盘嚣 期 签储 日 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章引言 我国地域辽阔，各地区能源分布、电源结构和经济发展不平衡，可开发建设的 能源呈北煤西水分布，而负荷中心则主要集中在东部沿海和南部地区“】。随着我国 “西电东送、南北互供、全国联网”电力发展战略的逐步实施，长距离、大容量且 经济高效的输电技术日益成为我国电网建设的首要选择，而高压、特高压直流输电 技术恰好迎合了这一需求。 高压直流输电的优点显而易见，可以节省空问走廊，减少网损和投资，提高系 统稳定性等；但是当系统单极大地回线运行时，会有强大的直流电流经接地极注入 大地，此时在极址土壤中将形成一个恒定的直流电流场，伴随着的是大地电位升高， 出现地面跨步电压和接触电势等，可能对极址附近的人畜产生影响。1 ；另外，如果 极址附近有变压器中性点接地的变电所、地下金属管道或铠装电缆等金属设施，由 于这些设施能给地电流提供比大地土壤更为良好的导电通道，因此一部分电流将沿 着并通过这些设施流向远方，从而可能给这些设施带来不良影响，例如使变压器振 动加剧，噪声增大，金属管道或电缆严重腐蚀等睁”。 随着我国经济和电力需求的迅速发展，国家电网公司提出了建设“跨区域、大 容量、远距离、低损耗的特高压骨干网架”的构想。根据规划，南方电网云南一广 东8 0 0 k v 直流输电工程将成为第一项特高压直流输电工程，工程将于2 0 0 9 年单极 投产，2 0 1 0 年双极投运。国家电网公司规划的金沙江一期工程拟建设三回特高压直 流输电线路，其中溪洛渡浙西8 0 0 k v 直流输电工程，输送容量6 3 0 0 m w ，额定电 流4 0 0 0 a ，计划于2 0 1 5 年单极投产，2 0 1 6 年双极投产陋1 。 虽然我们已经有了数条5 0 0 k v 直流输电线路的设计与运行经验，但8 0 0 k v 直流输电技术在国际上尚无运行先例，如此高的电压等级和数千安的直流电流流入 大地，将对极址附近的人畜、电力设备、金属管道等产生多大影响，都无经验可循。 因此，对于这种特高压、大容量的直流接地极的设计和优化以及对周边环境的影响 评估需要更深入细致的研究，以便为接地极的选址和设计提供一定的依据。 1 2 国内外研究现状 高压直流输电是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一种新型输电方式，而特高压直流输 华北电力大学硕士学位论文 电技术则起源于6 0 年代，瑞典c h a l m e r s 大学1 9 6 6 年开始研究7 5 0 k v 导线。另外， 1 9 6 6 年后前苏联、巴西等国家也先后开展了特高压直流输电的研究工作，8 0 年代曾一 度形成了特高压输电技术的研究热潮。国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 和国际大电 网会议( c i g r e ) 均在8 0 年代末得出结论：根据已有技术和运行经验，8 0 0 k v 是合 适的直流输电电压等级，2 0 0 2 年c i g r e 又重申了这一观点嘲。 目前，已投入商业运行的直流工程最高电压等级是6 0 0 k v ，为巴西和巴拉圭两国 共同开发的伊泰普超高压直流输电工程，其第一期工程已于1 9 8 4 年完成，1 9 9 0 年竣 工投产 在直流接地方面，国外开展的研究较早。在极址选择和电极设计等方面，美国和加 拿大开展了大量的研究。美国e p r i 在接地极设计方面通过研究和实验m ，积累了丰富 的经验，其研究成果目前已被很多国家在直流接地极设计时所参考。加拿大在土壤建模、 接地系统分析方面也做了很多工作m ”，而且针对魁北克直流工程对变压器的直流偏磁 也做了研究和分析“”；加拿大s e s 公司业已推出了c d e g s 集成软件包，具有土壤结构 分析、接地系统设计、电流分布计算等功能，目前在电力系统接地计算中应用很广泛 “”此外，瑞典等西欧国家针对一些投运的直流工程，在接地参数设计和对环境的影 响方面进行了一系列的研究“埘。对于6 0 0 k v 的伊泰普工程，巴西c e c a r o l i 等人在 土壤模型建立，接地电阻、地电位分布等参数计算和测量以及系统投运后出现的问题等 方面做了比较详细的分析“”，为我们提供了6 0 0 k v 级直流输电接地极的运行经验。 国内关于直流接地极相关的理论，则多数是根据5 0 0 k vh v d c 工程设计的需要和 具体施工情况，经过现场实测，得到一些施工经验和实测数据，从而对某一工程方案进 行的特定分析。目前，对接地极研究工作做得较为深入的是中南电力设计院，曾主持三 常、天广等直流输电工程接地极的选址、设计以及对环境的影响分析等工作啪一”，并且 根据实际工程的特点，提出了地面跨步电压和电位升的计算问题哑1 ，开发了“直流输电 接地极系统设计计算软件”。目前该院正承担着8 0 0 k v 金沙江特高压直流输电部分工 程接地极的设计和分析工作噙1 关于5 0 0 k v 的直流工程，西北电力设计院和西南电力 设计院也作了很多相关设计和直流接地对环境影响及防护的评估工作啪矧。另外，中国 电力科学研究院、武汉高压研究所、江苏电科院等在h ，d c 接地极对变压器和交流电网 的影响方面也作了大量的研究工作矧。目前，中国电力科学研究院还在承担着金沙江 直流输电工程共用接地极的研究工作 从总体上讲，随着高压直流输电在我国的快速发展，我国对此的重视也日益深入， 但8 0 0 k v 级直流输电作为一个新的电压等级，尚需开展大量的研究。所以，本课题的 主要出发点就是通过对电极的优化设计及其影响分析，为特高压直流接地极的设计工作 提供一定的借鉴与参考 2 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本论文主要工作 8 0 0 k v 级特高压直流输电是一个崭新的电压等级，目前相关理论比较少。我 国要建设多条8 0 0 k v 级直流输电线路”1 ，还需针对我国的基本国情，开展大量的 研究。特别是当直流输电单极大地回线方式运行时，强大的直流电流可能会对接地 极周边环境造成很大的影响。经验表明，直流大电流注入接地极的影响几乎不可预 测。在入地电流超过3 0 0 0 a 的情况下，对大地返回运行方式对环境产生的影响进行 研究将显得更为迫切1 。因此，为了优化直流接地极设计和分析直流电流对电极附 近环境的影响，本论文的工作主要包括以下两部分的内容。 接地极的优化设计 首先对不同形状接地极的技术经济性进行了分析比较，其次针对多圆环电极半 径比例选择、子电极不等深埋设对运行参数的影响做了计算分析，并在此基础上提 出了接地极的优化设计思路；最后，结合相关部门提供的极址资料，对溪洛渡和向 家坝换流站直流接地极型式进行了设计分析，考虑到金沙江一期输电工程三条线路 送端换流站距离相对较近，对三条线路采用共用接地极的相关问题也进行了初步分 析和探讨。 接地极对环境的影响评估 本部分工作首先分析了直流接地极对周边环境产生影响的原因；针对国内比较 关注的变压器直流偏磁问题，分析比较了拉普拉斯方程解析法、有限元法等几种常 用的接地极计算方法和比较可行的变压器直流偏磁防治措施，并结合华北电力大学 研发的“变压器偏磁电流测量分析装置”，提出了一种变压器直流偏磁防治方法， 且在原理上给予了可行性分析。其次，通过对已投运直流工程接地极的分析，给出 了8 0 0 k v 直流地电流对环境影响的评估范围，在此范围内通过求解拉普拉斯方程 和采用有限元法分析软件，对规划的溪洛渡浙西8 0 0 k v 直流输电工程东阳极址 对附近环境的影响做了分析和评估 华北电力大学硕士学位论文 2 1 设计原则 第二章直流接地极设计 直流接地极的设计原则，文 3 1 己做了详细的介绍，这里仅根据后续章节的需 要作简单的介绍。 2 1 1 系统条件 1 、接线方式和运行方式 直流系统大地回线运行时，接地极的极性一极为阳极，另一极为阴极。对于单 极工程，极性往往是固定不变的；对于双极工程，一极先建成投运时，极性也是固 定的，待双极建成后，极性将随系统运行的需要而变化，它主要取决于两极电流之 差的方向。 2 、工作时间 ( 1 ) 运行寿命。运行寿命可以分为可更换和不更换两种型式，大多数工程按 不更换设计安装，其运行寿命与直流系统相同。 ( 2 ) 正常额定电流持续时间。对单极大地回线直流工程，其时间与直流系统 运行时间相同# 对于双极直流工程，一般系指建设初期单极大地回线运行的时间， 有时还需要考虑双极不平衡运行方式的时间。 ( 3 ) 最大过负荷电流持续时间。一般为几小时。 ( 4 ) 最大暂态电流持续时间一般为3 l o s 。 3 、入地电流 ( 1 ) 正常额定电流l 。系指直流系统以大地回线运行方式运行时，流过接地 极的最大正常工作电流。 ( 2 ) 最大过负荷电流l 。系指直流系统在最高环境温度时，能在一定时间内 可输送的最大负荷电流，一般情况下l = 1 1 l 。 ( 3 ) 最大暂态电流。系指直流系统发生故障时，流过接地极的暂态过电流。 一般取正常额定电流的1 5 倍左右，持续时间为数秒。在设计接地极时，该电流主 要用于控制计算最大地面跨步电压。 ( 4 ) 不平衡电流。系指系统两极电流之差。对于双极对称运行方式，理想情 况下，没有电流流过接地极。但实际上，由于触发角和设备参数的差异，也有不平 4 一 华北电力大学硕士学位论文 衡电流流过，其值大小可由控制系统自动控制在额定电流的1 之内。当双极不对 称运行时，流过接地极的电流为两极运行电流之差。 2 1 2 最大允许跨步电压 大地土壤并非是良导体，因此在电流经土壤散流时，土壤中将有压降。当人在 接地极附近行走或作业时，两脚将处于大地表面不同的电位点上，其电位差统称为 跨步电压，它表示人两脚接触该地面上水平距离为l m 的任意两点间的电压。最大 跨步电压是指当接地极流过最大电流时，人两脚水平距离为1 m 时所能接触到最大 电压显然，当最大跨步电压超过某一安全数值时，可能会对人和动物的安全产生 影响，为此必须对接地极最大跨步电压加以限制，或采用相应的安全措施来保证人 身和动物的安全。 。 最大允许跨步电压是接地极设计的重要控制条件，对造价影响非常敏感，特别 是对于表层土壤电阻率较高的极址，往往起着控制作用。因此，合理确定最大允许 跨步电压，对于保证人畜安全和降低工程造价有着重要的意义。 经验表明，人较动物更容易拾取感到难受的电流。美国e p r i 根据人手( 指) 感到轻微刺痛感觉的直流电流，推荐直流接地极最大允许跨步电压值按式( 2 - 1 ) 计算： 乓= 5 + 0 0 3 岛 ( 2 1 ) 式中：盈为地面最大允许跨步电压，v ；只为表层土壤电阻率， 1 m 。 按式( 2 - 1 ) 确定的直流接地极地面最大允许跨步电压是安全的，一般无需设 置接地极围墙。 2 1 3 最大温升 当强大的直流持续地注入大地后，极址土壤的温度将缓慢上升，紧靠电极表面 的土壤温度上升最快根据热力学理论，接地极附近任意点土壤温度可用式( 2 - 2 ) 描述： 郇) = 只。( 1 一p 4 i ) + 吃 ( 2 2 ) 式中，口( f ) 为任意时间f 土壤温度，o c ；为土壤稳态最高温度，o c ；2 为环 境( t = 0 ) 温度，o c ；r 为接地极热时间常数，s ；k 为系数( 0 i 1 ) ，与土壤特 性及环境条件有关，一般通过试验测定。 一5 一 华北电力大学硕士学位论文 如果环境温度超过1 0 0 0 c ，土壤中的水将较快地被蒸发驱散，从而容易导致接 地极故障，因此接地极最高温度必须严格控制在l o o o c 以下。 由式( 2 2 ) 可以看出，对予土壤中某些特定点，其温度与环境温度、土壤热 特性和电流持续时间有着密切关系。入地电流及持续时间是由系统决定的，土壤热 特性及环境温度是一定的，因此，控制土壤的最高温度实际是控制最大温升。显然， 土壤最大允许温升应是水的沸点温度( 1 0 0 0 c ) 与最高环境温度之差。为了安全起见， 土壤最高允许温度一般取略低于水的沸点温度，即9 0 9 5 0 c 。 2 2 接地极优化设计 2 2 1 陆地接地极布置型式 目前世界上已投运的直流接地极可以分为两类：一类是陆地电极，另一类是海 洋电极。由于面对的极址条件不同，因而两者的布置方式是不同的。从我国建设的 直流工程接地极来看，大多数为陆地接地极，因此，本论文主要针对陆地接地极来 进行优化设计和分析计算。 陆地接地极敷设方式又可以分为两种型式：一种是浅埋型，也称沟型，一般为 水平埋设；另一种是垂直型，又称井型，它是由若干根垂直于地面布置的子电极组 成。陆地电极馈电棒一般采用导电性能良好、耐腐蚀且无污染的金属或石墨材料， 并且周围填充石油焦炭。 水平电极埋深一般为数米，可以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方便、造价低廉等优点，特别适用于表层土壤电阻率低、 场地宽阔且地形较平坦的极址。 垂直型电极底端埋深一般为数十米，少数达到数百米。如在瑞典南部穿越波罗 的海直流电缆输电工程中的试验电极，采用了深井型电极，其端部埋深达5 5 0 m 垂 直型电极最大的优点是占地面积小，由于这种电极可直接将电流导入地层深处，因 此对环境的影响也很小。但这种型式的电极施工难度较大，运行时端部溢流密度过 高，产生的气体也不易排出，此外，由于子电极之间相对独立，若将这些子电极连 接起来，必将增加导流接线的难度，因此垂直型电极一般适用于表层土壤电阻率高 而深层较低的极址或极址场地受到限制的地方。 2 2 2 电极型式技术经济分析 l 、电流分布 华北电力大学硕士学位论文 接地极电流分布均匀程度对于保证接地极安全运行和降低造价有十分重要的 意义。如果电流严重分布不均匀，则可能导致电流密度大的地方温度过高、腐蚀严 重和地面跨步电压过高等。因此，直流接地极设计思想之一就是力求电流密度分布 均匀。为了评价接地极电流分布性能，引进电流不均匀系数的概念，其定义如下： 1 一 七= 7 1 7 j ：l j u ) 一厶i 讲(3) 2 - d 式中，七为电流不均匀系数；厶为入地电流，a ；l 为平均溢流密度，a m ；i ( i ) 为任意点的溢流密度，a m ；三为电极总长度，m 。 由上式可见，电流不均匀系数k 值越大，电流分布越不均匀。电流分布与电极 形状、土壤电阻率大小及其分布有着密切的关系。 ( 1 ) 电流分布与电极形状的关系。理论分析和运行结果表明，溢流密度大小 及分布与电极形状密切相关。为了说明问题，下面列举了三种典型形状( 垂直型、 星型和双圆环型) 的电极，其尺寸和埋深如图2 - i 所示。 3 m ， l o o m 蚓 ( b )( c ) 图2 - 1 典型形状电极示意图 ( a ) 垂直型；( b ) 星型( 埋深3 m ) ；( c ) 双圆环型( 埋深3 m ) d = 2 0 0 m d = 1 4 0 m 假设大地各向均匀，电阻率为l o o f ! m ，经分析表明，入地电流并非是沿电极均 匀注入大地：对于垂直型和星型电极，溢流密度各处都不相等，七值分别是0 2 2 2 和0 3 2 3 ，特别是星型电极分布严重不均匀，端点溢流密度较平均值高出约3 倍以 上；对于双圆环电极，七值为0 i ，外环的溢流密度较内环大，电流分配比例与内 外环径之比有关，但同一圆环上的电流分布处处相等。 ( 2 ) 电流分布与土壤电阻率的关系。如果将图2 - 1 ( b ) 星型电极放在土壤电 阻率大小不同的极址中，计算表明：土壤电阻率越高，电流分布愈不均匀，反之趋 华北电力大学硕士学位论文 向均匀。特别是当电阻率为零或者非常小时，电流分布各处均匀，和电极形状无关。 ( 3 ) 电流分布与土壤电性模型的关系。通常极址土壤电阻率分布并非各向均 匀，尤其是在垂直于地面方向，往往随着层深不同土壤电阻率值相差甚远。 将图2 - 1 ( b ) 所示的星型电极置于两层土壤结构的极址表层中，电极埋设层深 l o m ，电阻率为l o o f 2 m 。计算表明：虽然电极埋设层土壤电阻率值各处相等，l a 国t 流密度分布不均匀系数k 值随下层岛的变化而变化。如果电极埋设层电阻率值高于 相临土壤层，电流分布趋向均匀，k 值随之减小，反之增大。电流分布与土壤电性 模型结构有关，这是因为在电流扩散过程中，在不同电性土壤层接合面上有积累电 荷，积累电荷的场强会对电极上的电流分布产生影响。 总之，影响电流分布的因素很多，也很复杂。对于某种非单环电极，其电流分 布不大可能有一个固定不变的值，而是与其尺寸大小、土壤电阻率、极址电性模型 和边界条件等诸多因素相关。 2 、接地电阻、最大跨步电压、温升和热时间常数 如果将图2 - 1 所示形状的接地极埋在土壤电阻率为1 0 0 q m 且各向均匀的极址 中，当平均溢流密度均是l a m ，分别持续地流过上述三种形状接地极时，计算可得 到这三种布置型式的电极接地电阻、最大跨步电压、温升和热时间常数，见表2 - 1 。 表2 - 1 三种布置型式的接地极主要参数比较 、电极形状垂直型电极星型电极圆环型电极 参数名称、 n = 1n = 2n = 4n = 6 单环双环 总长度m 或入地电流a 1 0 02 0 04 0 06 0 06 0 0 1 2 0 0 接地电阻q 1 0 4 2o 8 1 10 5 2 30 4 2 80 3 5 60 2 6 0 最大溢流密度( a m ) 1 5 2 82 6 9 82 2 4 l2 9 9 61 0 0 01 0 8 7 最大跨步电压v 1 4 99 8 81 2 4 71 3 3 38 8 11 0 1 1 最高温i 连续运行1 0 天 5 48 89 01 3 81 9 32 3 度口cl 持续运行( 稳态) 5 11 3 12 1 93 3 02 3 34 8 2 热时间常数天 1 1 69 01 1 81 8 41 1 62 0 5 注：表中n 是分支数“1 由表2 - 1 可得到以下结论： ( 1 ) 相同电极长度下，直线( 即分支数n = 2 的星型) 电极接地电阻较低。 ( 2 ) 电流分布不均匀对于最大跨步电压影响很大。由于星型电极电流分布很 不均匀，所以尽管平均溢流密度相同，但最大跨步电压明显高于圆环型电极。 ( 3 ) 电流分布不均匀对热时间常数也有很大的影响。在相同平均溢流密度情 况下，星型和垂直型电极的热时间常数明显低于圆环型电极。跨步电压过高，意味 一8 _ 华北电力大学硕士学位论文 着设计时必须采取措施一增大电极尺寸、埋深或增设栅栏等；热时间常数系指电极 达到稳态温升值所需的时间。热时间常数越小，表明电极温升速度越快，也就是说 在相同的电流作用时间下，电极温度上升越高，对接地极安全运行越不利。 2 2 3 电极形状优化 l 、形状优化 接地极优化设计就是力求使接地极以较少的材料用量，获取较好的运行特性， 在造价和性能上寻求平衡点。以上是对几种典型形状电极运行特性做的分析，得到 了电流分布与电极形状、极址电性模型结构关系的一般概念。但在实际工程中，采 用单环电极往往受到地形条件的限制，不得不采用其他形状的电极，如垂直型、星 型、直线型和多圆环型及椭圆型等。下面就这些非单圆环电极的形状进行优化。 由于电极运行特性( 如土壤温升、地面跨步电压、电极腐蚀等) 和材料用量都 与电流分布均匀与否直接相关，电极尺寸与接地电阻关系密切，因此对电极形状的 优化就是力求使电流不均匀系数k 值和接地电阻尽可能小。 ( 1 ) 垂直型电极 垂直型电极一般是由若干根依地形要求布置的电极组成，其运行特性取决于子 电极的布置形状、长度和根数等因素。 根据上面的分析可以得到，当一根根子电极布置成圆环形，每根子电极可以获 得相同的电流。否则，就有可能出现位于端部的子电极得到的电流大大高于其他子 电极的情况。因此，为了获得比较好的电流分布特性，充分发挥每一根子电极的作 用，在条件允许的情况下，予电极应尽可能布置成圆环形。 另外，不同的子电极长度及数目对电极运行也会产生明显的影响。模拟计算结 果表明，随着子电极数目的增加，电流不均系数k 有明显的增加，接地电阻虽然有 所降低，但速度逐渐变慢；当子电极长度和数目一定时，不均系数k 和接地电阻将 随着布置的半径增大而减小一般来讲，子电极长度应根据地质条件确定，但不宜 过长，一般不超过5 0 m ，在地质条件允许情况下，子电极长度和数目可按式( 2 - 4 ) 要求配置： ，7 子电极长度子电极数目= 圆环的周长 ( 2 - 4 ) 式中，7 为调整系数，当r = 0 6 o 8 时电极特性较好。 ( 2 ) 水平直线电极 水平直线电极一般适应于狭长的地形，在布置上较圆环型电极更为灵活，而且 可方便地分段或分支运行，因此应用也比较广泛；但缺点是极体上电流密度分布不 华北电力大学硕士学位论文 均匀，端部电流密度较大。图2 2 是埋在均匀土壤中的一段8 0 0 m 长的水平电极， 埋深3 m ，注入电流为3 0 0 0 a 时的电流密度分布情况。从图中可看出，一个端部的电 流密度接近6 5 a m ，达到平均溢流密度3 7 5 a m 的1 7 3 倍。为了克服端部电流过 大的缺点，工程上通常在直线电极端部加一个圆弧状的辅助电极，从而可以获得较 为均匀的电流密度。例如图2 - 3 所示的为同一电极在其一端加了一个半径为2 5 m 的均流环后的电流密度分布曲线。可以看出，加了均流环的一端电流密度下降到了 4 3 a m 左右，大大改善了电流分布情况。 图2 - 2 均匀土壤中水平电极电流分布图2 - 3 一端加装均流环后的电流分布 ( 3 ) 星型电极 星型电极一般有三个以上的分支臂，由于这些分臂可以延伸到各种类型的土壤 分层中，能够充分利用极址的低电阻率区，因此可获得较小的接地电阻；但星型电 极的分支数也不宜过多，这是因为随着电极分支数的增加，电流不均系数_ i 值会进 一步增加，但接地电阻只是逐步降至某一定值。所以，其分支数一般以不超过6 个 为宜。 星型电极和水平直线电极一样( 实际上水平直线电极是一个分支数为2 的星形 电极) ，电流沿极体分布是很不均匀的，为了克服电极端部的溢流密度高出平均值 数倍的缺点，也可在其分支端部加装一个大小合适的屏蔽环一圆弧状屏蔽电极。模 拟分析表明，加装屏蔽环后的星型电极，电流分布特性得到了明显的改善，从而大 大改善了接地极的运行特性。 需指出的是，由于分臂之间的屏蔽作用较大，有效利用系数较小，因此除丘陵 地区或者土壤电阻率变化较大极址外，一般情况下，在实际中星型电极并不常用。 ( 4 ) 圆环型电极 圆环型电极一般为同心布置，这样可以达到同一圆环上溢流密度处处相等。圆 环的数量应根据技术经济比较后择优选择。一般讲，如果土壤电阻率较高，入地电 - l o - 华北电力大学硕士学位论文 流大且时间长，则采用双环或多环电极，否则可采用单环电极。应该指出，过多地 增加圆环数量是不经济的，通常不要超过三个圆环。1 。 当多圆环电极采用同心布置时，各个极环的半径大小配合要适当。对于双圆环 电极，接地电阻并非是随内环增大而不断降低，而是当d d 为o 7 5 左右( 土壤电 阻率值有影响，工程上一般取为o 7 左右) 时，可获得最小的接地电阻，见图2 4 ， 此时外环半径为4 0 0 m 。这是容易理解的，如果内环过小( d d o ) ，则内环发挥不 了作用；反之，如果内环过大( d d 一1 ) ，则容易受外环的屏蔽影响，内环同样发 挥不了作用；如果内环直径等于零或者等于外环直径，则变成单环。 图2 - 4 双圆环电极接地电阻随内环半径变化曲线 对于三圆环电极，当固定中环和外环的比例为0 7 ，内环与中环的比例在0 7 5 左右时，可以获得较小的接地电阻，见图2 - 5 ，此时外环和中环半径分别为4 0 0 m 和2 8 0 m 。 当固定外环半径为4 0 0 m 、最小环半径从l o o m 变化到3 0 0 m 时，欲获得最小电阻 值，中环的大小也在3 0 0 m 至3 5 0 m 之间变化，如图2 - 6 所示。其中r m i n 为最小环 半径。从图中可以看出，当三环分别为2 5 0 、3 5 0 和4 0 0 m ，即三环比例为0 6 3 ：0 8 7 ： 1 ，相邻环比例在0 6 5 o 8 5 时，接地电阻将获得最小值。综合考虑各种因素，对 于三环电极，当相邻环径比例在0 6 5 0 7 5 之间选择时，其综合指标是较优的。 2 、形状选择 从广义上讲，只要极址条件允许，并且能够满足系统运行的技术要求，采用任 何型式布置的接地极都是可以的。但从上述分析结果看，不同形状的电极，其运行 特性有着很大的差别。换言之，在满足相同的系统运行条件下，选择不同形状的电 极对工程造价会产生重大的影响。因此，在选择或确定电极形状时应遵循以下基本 原则。 ， 一1 1 一 华北电力大学硕士学位论文 兰圈珲接地板矗小拜拳径，i 图2 - 5 三圆环电极接地电阻随最小环半径变化曲线 兰暖珲接地掇中环车径加 图2 - 6 三圆环电极接地电阻随中环半径变化曲线 ( 1 ) 力求使电流分布均匀 为了获得比较均匀的电流分布特性，根据世界上已投运直流接地极的设计运行 经验和上述理论分析结果，可以得出以下结论。 1 ) 在场地允许情况下，般应优先选择单圆环电极，其次是两个或三个同心 圆环型电极，对于特高压直流工程，应优先考虑多环电极。 2 ) 在场地条件受限制而不能采用环型电极情况下，也应尽可能地使电极布置 得圆滑些，尽量减少圆弧的曲率。 3 ) 如果地形整体性差，可采用星型或直线型电极；为了解决端部溢流密度过 高，可在端部增加一个“屏蔽环”，特别是如果出现电极埋设层土壤电阻率高于相 一1 2 _ 华北电力大学硕士学位论文 邻层时，采用星型电极可获得比较均匀的电流分布特性。 ( 2 ) 充分利用极址场地 对于那些受温升和跨步电压控制的接地极，若选用单环布置，容易产生两个问 题：一是要求环径较大，极址中央不能充分利用，容易受到极址面积的限制：二是 若极址或环径受到限制，为了满足温升和跨步电压的要求，势必要增加焦炭断面尺 寸和埋设深度( 或采取其它措施) ，因此焦炭用量大，工程造价高。而选用双圆环 或三圆环同心布置，正好可以弥补单圆环布置的上述缺点，不仅极址得到了充分利 用，而且分散了热量，意味着可以减少焦炭断面尺寸。虽然电极总长度增加了，但 同时可减少电极外缘尺寸，降低跨步电压，从而可获得较好的技术经济特性。 ( 3 ) 尽可能对称布置 电极对称布置有利于导流系统布置，提高导流系统分流的均衡性，降低导流系 统的工程造价。 2 2 4 电极埋设深度优化 一般来讲，电极埋深在设计过程中是一个矛盾体。不同的电极埋深反映出的地 面最大跨步电压、土壤参数的设计取值以及施工土方开挖量是不同的。从控制地面 最大跨步电压的角度讲，电极埋深越深越好；但随着深度增加，土方开挖量将随之 增加，对地面环境的破坏也将越严重。所以合理确定电极埋深是一个极其重要的问 题。下面通过实例模型来分析水平接地极的埋深控制问题。 采用的土壤模型：大地土壤各向同性时，土壤电阻率为1 0 0 q m ；水平双层土壤 时，上层厚l o m ，电阻率l o o f l m ，下层1 0 0 0 q m 。电极模型：标准同心双圆环电极， 半径2 4 0 m 和3 4 5 m ，导体直径5 0 m e ，填充焦炭断面边长0 6 m ；入地电流3 0 0 0 a 。为 简化分析，不考虑导流系统对电流分布的影响。 1 、电极埋深控制 电极埋深对地面跨步电压影响十分敏感，图2 - 7 为利用镜像法脚1 计算得均匀土 壤中双环电极埋深对地面最大跨步电压的影响曲线。从图中可以看出，最大跨步电 压出现在电流密度最大的外环上方外侧，与电极的距离约等于电极的埋深。当埋深 h 从2 m 增加到4 m ，最大跨步电压下降比较明显，从7 1 9 v 下降到3 8 8 v ，幅值大约 为3 3 v 左右。这说明，在2 4 m 范围内电极埋深对跨步电压具有很大的影响。 将电极深度继续加大，计算发现，其下降趋势则逐步放缓，变化趋势如图2 - 8 中的曲线1 所示。为了求得一般性，我们同时计算了双层土壤中的情形，如曲线2 。 从两曲线可以看出，当电极埋深超过5 m 后，最大跨步电压的下降都将趋于缓慢； 尤其是在双层土壤中，趋势更加明显，在5 m l o m 范围内，最大跨步电压从6 7 4 v 降至6 0 4 v ，仅下降0 7 0 v ，下降幅度极小。 一1 3 华北电力大学硕士学位论文 8 6 4 之 嚣2 璃0 淑 娶- 2 - 4 6 - - 8 i 心 l i 寸1 弋 5 11 7 6 距离极环中心的距离( 2 0 0 n ，l , ) m 图2 7 均匀土壤中双环电极引发的地面径向跨步电压分布 之 幽 脚 埝 搬 k 皤 旧 簧 图2 - 8 最大跨步电压随电极埋深变化曲线 从上面的分析可以看出，无论是在均匀土壤还是非均匀土壤中，环型电极的埋 深在4 m 之内对最大跨步电压影响比较大，超过4 m 后，影响作用将逐步变小，因此 环型电极的最大埋深应控制在4 m 之内。 当然，接地极埋深也不宜过浅，以免可能受到来自诸如田间作业、机耕等方面 的人为破坏，而且也可避免大气温度对电极运行性能的影响。因此在考虑电极埋深 过浅易遭受外部因素破坏的情况下，环型电极的埋深宜控制在2 4 m 之问。 2 、非等深立体布置型式 目前，从已经投运的直流工程来看，直流接地极多采用圆环型电极水平等深埋 设方式。单环形电极，其最大优点是可以获得均匀的沿电极溢流密度，但存在极址 一1 4 - 华北电力大学硕士学位论文 场地不能充分利用等问题；而双环或三环电极若采用同心布置，同一环上溢流密度 也处处相等，且可以弥补单环布置的缺点，因此多环电极在实际工程中获得了广泛 的应用。那么，多环电极的埋深应如何控制呢? 下面，我们来探讨其各个极环的埋 深问题。 保持外环电极埋深3 m 不变，内环电极埋深在2 l o m 变化，分别在均匀土壤和 双层土壤中计算地面径向最大跨步电压；计算表明，随着内环位置的变化，地面最 大跨步电压大多出现在外环上方，即其主要由溢流密度较大的外环位置决定。但在 不同的土壤模型中也存在不同的变化趋势，可结合图2 9 来加以说明。 在均匀土壤中，随着内环埋深的逐步增加，地面最大跨步电压出现的位置由内 环上方逐渐移到外环上方，当内环埋深小于外环时，最大跨步电压可能出现在内环 上方，即不再仅仅取决于外环位置。从图2 - 9 中的曲线l 可以得到说明，在2 4 m 范围内，受内环的影响，地面径向最大跨步电压变化幅度非常大，而5 m 后曲线1 逐渐趋于平缓。 图2 - 9 最大跨步电压随内环埋深变化曲线 对于双层土壤中，内环埋深从2 m 逐步增加到l o m 时，地面径向最大跨步电压 变化不大，具体数值从8 4 4 v 降到8 4 0 v ，然后又逐步升至8 4 7 v ，变化幅值极小， 因此，图中所示的曲线2 几乎为一条直线。 保持外环埋深为5 m ，内环电极埋深变化不变，进一步计算可知，最大跨步电压 的变化趋势与图2 9 中的曲线2 基本相同，但是在内环埋深过浅时( 在2 m 之内) ， 上述结论也存在不适用之处，因为内环埋设过浅，其对最大跨步电压的贡献有可能 超过外环。 水平双层土壤中。地面最大跨步电压主要受外环埋深影响的这种特性，为电极 的设计工作添加了更大的灵活性。在实际工程所选极址中，大多数都是水平分层结 一1 5 华北电力大学硕士学位论文 构或者可以等效成水平分层结构，因此在满足跨步电压的前提下，可以将上述的不 等深埋设特性应用于设计中，将大环埋得深一些，小环埋得浅一些，这不仅可以降 低工程量，而且较其等深埋设将更有利于分散热量，保证系统安全运行。 表2 2 是双层土壤中，保持外环埋深3 5 m ，内环在3 5 2 m 变化时，内外极环 溢流密度和接地电阻等技术参数的计算结果可以看出，接地电阻仅变化了 0 0 0 0 3 q ；内环溢流密度下降了0 0 0 6 2 a m ，外环增加了0 0 0 4 3 a m ，电流不均匀系 数增加了0 0 0 6 2 。由此可以看出非等深布置对接地电阻的影响极小；对双环的溢流 密度有所影响，趋势是两环垂直距离越大，外环分配的电流将越大，但由于电极埋 深控制在2 4 m ，这种影响通常比较小，工程上是可以接受的。 表2 - 2 主要技术参数比较 埋深i n 内外环电流密度( a m ) 电流不均系数接地电阻胞 3 5 0 5 3 1 5 ，1 0 1 4 2 0 2 8 6 2o 5 5 6 0 3 o 0 5 2 9 9 ，1 0 1 5 3 0 2 8 7 80 5 5 6 0 2 5 0 5 2 7 9 ，1 0 1 6 7 0 2 8 9 80 5 5 6 2 2 o 0 5 2 5 3 ，1 0 1 8 5 0 2 9 2 40 5 5 6 3 通过上面双环电极采用非等深布置对主要运行参数的影响分析，可以看出该设 计思路在技术上是完全可行的，而且相对等深布置可以获得更好的经济性。当然， 极环采用非等深布置方式对于运行参数的影响，还与土壤结构、土壤电阻率以及极 环数目和大小等因素有关，因此在实际工程中，还需经过认真的技术经济分析来确 定各个极环的埋深。 2 3 溪洛渡、向家坝直流换流站接地极设计分析 溪洛渡、向家坝水电站是金沙江最下游的两个梯级电站，地理位置见图2 - 1 0 。 根据国家电网公司金沙江一期工程输电系统规划设计研究工作组编制的金沙江一 期工程溪洛渡、向家坝水电站输电方案补充论证报告及评审意见，金沙江一期工 程将在2 0 1 2 年到2 0 1 7 年建成投产，拟建设2 回特高压直流送往华东，1 回特高压 直流送电华中“”。 其中，溪洛渡左岸电站送电华中特高压直流输电工程起点初步考虑在电站附近 的青口，输电电压等级为8 0 0 k v ，送电规模暂定为6 2 0 0 m w 。溪洛渡浙西8 0 0 k v 直流输电工程，西起溪洛渡右岸换流站，东至浙江西部电网浙西换流站，直流线路 长度约1 8 7 0 公里，输送容量6 3 0 0 m w 阻1 ，初选极址为东阳极址和万寿极址第三条 一1 6 一 华北电力大学硕士学位论文 为向家坝至上海的特高压直流工程，总装机容量6 0 0 0m w ，计划于2 0 1 2 年第一台机 组投产，送端极址暂时推荐为宜宾市双河极址嘲，三个直流工程的地理接线如图 2 - 1 1 所示。 图2 - 1 0 溪洛渡、向家坝水电站地理位置示意图 图2 - 1 1 三个直流工程地理接线示意图 由于本系列直流工程输送容量大，直流额定电流高，因此对接地极的极址选择 提出了更高的要求。极址需要更加宽阔且导电性能良好，以满足接地极大地散流良 好的要求。但是溪洛渡、向家坝水电站地处川、滇交界的金沙江上，送端换流站处 于山岭重丘地区，平地少，面积小，这给接地极的选址和设计带来了很大制约，更 为保证接地极稳定运行以及周围人畜的安全增加了困难。因此，开展对该系列工程 接地极型式的选择及可行性研究具有重要的意义。 2 3 1 极址简介及电极型式选择 四川省兴文县共乐镇东阳极址和万寿极址是西北电力设计院为溪洛渡右岸换 流站推荐的接地极极址4 ，其中东阳极址地貌属山问盆地，呈南北展布，东西长约 2 k m ，南北宽约i 3 k m ，场地较平坦，高差一般小于5 m ，场地西侧有灌儿沱河，河 一1 7 华北电力大学硕士学位论文 宽3 5 m ，水深0 3 2 m ，常年不干；万寿极址地形也比较平坦，可用地范围南北 约0 6 k m ，东西约l k m ，两极址的电性结构参数如表2 3 和2 4 所示。 从极址的电性参数来看，土壤表面覆盖层都比较薄，深层土壤电阻率却相对较 高，因此基本上排除了采用深埋垂直型电极的可能。另外，从极址的地形来看，都 较为宽阔平坦，初步看可以满足圆环型电极的设计条件，所以，溪洛渡右岸换流站 接地极型式首推标准多圆环水平敷设方式。 表2 - 3 东阳极址土壤电性参数 极址分层土壤电阻率r h n层深 1 2 0 03 1 东阳28 8 0 03 1 4 38 5 0 0 袭2 - 4 万寿极址土壤电性参数 极址 分层土壤电阻率r 岫层深m 14 3 61 o 29 0 05 o 万寿 37 8 4 0 4 4 0 47 3 4 0 2 3 2 多圆环接地极可行性分析 、 ( ) 乡 ( a )( b ) 图2 一1 2 圆环接地极型式 ( a ) 标准三圆环接地极；( b ) 非标准圆环接地极 电极型式采用标准三圆环等深布置，见图2 1 2 中的( a ) ，尺寸大小：东阳极 址4 0 0 m ，2 8 0 m 和1 9 0 m ；万寿极址为3 6 0 m ，2 5 0 m 和1 7 0 m ，埋深均为3 m 。 将两极址的电性分层简化等效成双层结构，对于东阳极址，将第二层和第三层 一1 8 华北电力大学硕士学位论文 合并为一无限深层，土壤电阻率取为8 5 0 d a n ；对于万寿极址将第一和第二层合并为 一层，层深为6 m ，土壤电阻率为7 6 4 q m ；第三、第四层合并为无限深层，电阻率 为7 3 4 1 2 m 。采用镜像法对两极址的主要技术参数进行了计算，结果如表2 - 5 所示。 可以看出，采用文 5 给出的模型，从接地电阻看，东阳极址可以满足系统运 行要求，但是安全裕量较小，而万寿极址在现有条件下却很难满足系统运行要求。 表2 - 5 主要技术参数的控制值与模拟计算值比较 接地电阻最大跨步地面最高最大电流电流不均 极址参数类型 q 电压v电位v 密度a m 1系数 控制值 0 2 4 7 5 6 0 1 2 0 00 0 0 0 东阳 计算值o 2 4 45 2 19 2 8 0 7 3 1 1 6 0 0 5 3 9 控制值 0 2 8 56 3 li 2 0 00 0 0 0 万寿 计算值 0 4 1 26 3 01 5 6 7 x 1 0 31 1 8 70 4 1 9 为了提高系统运行安全裕量，对于东阳极址，首先可以适当增加电极尺寸后采 用非等深布置。例如，将尺寸增大为4 4 0 m ，3 1 0 m 和2 1 0 m ，外环保持3 m 埋深不变， 小环和中环埋深为2 5 m 。通过计算得出，接地电阻降为0 2 2 q ，最大跨步电压4 6 8 v ， 最大电流密度1 0 a m 。另外也可采用图2 - 1 2 ( b ) 所示的非标准圆环型电极，这种 电极型式的特性介于标准环型和直线电极之间，可获得相对均匀的电流密度，但电 极尺寸较大，经济性差一些。例如调整三个圆环的半径分别为1 7 0 m ，2 4 0 m 和3 4 5 m ， 中间的直线段长为4 0 0 m ：在埋深不变情况下，采用数值算法求得其接地电阻为 0 2 0 9 q ，最大跨步电压为4 7 5 v ，最大电流密度1 0 m 。在经济性方面，增加尺寸 后若采用等深布置必将加大系统建设的工程量和投资费用，而如果采用非等深布 置，通过计算可以发现，土方开挖量增加极少，焦炭用量和电极长度虽有所增加， 但总体来看，工程量和投资均变化不大。对于方案二，安全裕量虽提高了，但电极 尺寸增大了许多，经济性较差。 对于万寿极址，由于其可用区域长条型的特点，很难在各个方向上同时增加尺 寸，所以可采用图2 - 1 2 ( b ) 所示的非标准环型电极型式，但是由于极址土壤电阻 率较高，要满足系统运行要求，需要的电极尺寸很大，工程量也剧增，例如若将接 地电阻降为0 2 7 6 q ，所需要的环形半径为1 9 0 m ，2 8 0 m 和4 0 0 m ，直线段为4 8 0 m ， 电极尺寸比原尺寸增加了将近3 5 0 0 m ，因此其经济性很差，不宜采用。 需要说明的是，表2 - 5 中各参数以及文 3 3 中的参数计算都是基于额定电流 i = 4 0 0 0 a 条件下的计算值。但在接地极设计过程中校验跨步电压是否满足要求时， 原则上采用的电流为最大暂态入地电流n ”该工程最大暂态电流为6 0 0 0 a ，若以此 一1 9 _ 华北电力大学硕士学位论文 值来计算最大跨步电压，则其值为7 0 2 v 。与表2 5 中的跨步电压控制值比较可知， 东阳极址也是不能满足安全要求的，对此必须在极址附近设立栅栏以防人畜进入或 采取其它措施。 综上所述，溪洛渡右岸换流站初选东阳极址，接地极型式采用标准三圆环型式， 在额定条件或过负荷条件下可以满足运行要求，适当增加尺寸后采用非等深布置， 在经济性变化不大的情况下，可以获得较大的安全裕量；但从故障时产生的最大跨 步电压来看，却不能满足安全要求，需要设立栅栏或者采取其它措施。而对于万寿 极址，受极址面积限制，标准三环电极难以达到要求，若采用非标准环型电极型式， 可以满足运行要求，但电极材料用量大，工程量及造价也剧增，所以万寿极址不宜 作为该换流站的接地极极址。 2 3 3 共用接地极方案设想 金沙江一期工程溪洛渡、向家坝水电站拟采用三回8 0 0 k v 特高压直流输电线 路送往华东和华中地区，通常情况下相应地需要建设三个接地极。但由于溪洛渡、 向家坝水电站