（电力系统及其自动化专业论文）±800kv直流输电接地极基本特性的研究.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 直流输电接地极基本特 性的研究，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： 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) 作者签名：量逝! 垫导师签名 日期：尘醐日日期：互山 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第l 章引言 我国现在已经建成多个5 0 0 k v 高压直流输电工程，其中包括葛洲坝上海、 天生桥广东等输电工程。直流输电接地极作为直流输电系统中的一个重要部 分，是单极回路运行时直流工作电流的返回通道。强大的直流电流长时间地通过接 地极注入大地，会导致极址土壤发热，极址大地电位升高，甚至在地面上产生危害 性的电压。大地电位升高可能对极址附近地下金属管道、铠装电缆和接地电气设施 ( 如电力系统、通讯系统) 的安全运行造成不利影响。因为这些设施是地电流的良 好通道，当直流电流流过时，会产生电腐蚀；大地电位升高可能危及人及动物的安 全，设计时应将最大跨步电压控制在人及动物能接受的安全水平内；土壤发热可能 影响接地极本身的安全运行【l l 。 根据国家特高压电网发展规划，2 0 2 0 年前将建成8 0 0 k v 直流和1 0 0 0 k v 交流 特高压主干网【2 1 。其中，国网公司将建设四条8 0 0 k v 直流输电系统，南网公司将 建设两条+ 8 0 0 k v 直流输电系统。与5 0 0 k v 高压直流输电相比，特高压直流输电 容量为6 4 0 0 m w ，接地极的入地电流将达到4 0 0 0 a ，因此单极运行时流经接地极的 电流大于士5 0 0 k v 直流输电系统的电流。另外，我国规划建设的特高压直流系统落 点通常在重负荷地区。因此，特高压直流系统的接地极入地电流的影响问题是需要 研究的重要课题。论文提出研究特高压直流输电接地极的基本特性及其算法，为 8 0 0 k v 直流输电接地极设计、运行提供理论和设计依据，因此接地极基本特性的研 究具有重要的理论意义和实际应用价值。 1 2 国内外研究现状 直流输电接地极设计涉及到地球物理学、电工原理及电磁场、热力学、电化学 等多种学科理论。早在2 0 世纪7 0 年代，美国e p r i 就对接地极设计理论进行了研 究，并提出了部分计算公式，但有些设计理论是基于单极直流输电系统，且计算公 式都是基于均匀导电媒质和均匀恒定电流场，从工程上讲，不具有可操作性【3 1 。近 些年国内外许多专家学者对接地方面进行了大量的研究。 1 9 7 2 年，g i a o s a r m a 首先提出了电极分段的概念，设每个微段本身的泄漏电流 密度相等，并将微段作为线元来计算电阻系数r 。【4 】。随后，d a w a l i b i m u k h e d k a r 分 别将微段作为点源( 称之为求和法) 与将微段作为线元( 称之为积分法) 来计算电阻系 数毛与地中任意点的电位【5 1 ，特别指出：只有当无限细分时，求和法算得的值与在相 华北电力大学硕士学位论文 同条件下按积分算得的值之间才将达到完全相等。接着，他们又采用“多步分析法” 计算沿电极的电流分布，用“平均电位法”( 即先在电极上选用适当的点计算它们的 电位然后再平均的方法) 计算互电阻系数凡。“多步分析法”求解电流分布不均匀系 数，节约了求解联立方程组花费的计算机时间，而“平均电位法”能更精确地计 算电阻系数。 1 9 7 9 年，h e p p e 详细地推导并得到了各线性导体段的自电阻和它们问的互电阻 的计算表达式，这些表达式易于编写计算机程序，文中还充分利用了地网对称的特 点，将具有同样泄漏电流的微段作为一种类型来处理，从而缩减了矩阵阶数，大量 节约了计算机内存和c p u 时间【6 】。 1 9 8 0 年，k o u t e y n i k o f f 采用“二次分域”的技巧并提出了更为精确地计算临近 导体段上某点电位妒的表达式，使得在计算导体段的自电阻与临近导体段间的互电 阻时，能得到更为精确的结果。 文献【7 】使用所谓“收缩矩阵法”来计算接地电阻，此方法利用各微段导体电位 相等的边界条件，依次将n 个节点收缩为l ，从而能在电流分布未求出之前，就可 直接由自电阻与互电阻系数，求得整个地网的接地电阻。 1 9 8 3 年，陈慈萱教授分别用边界元零次插值法和边界元一次插值法计算各边界 元的泄漏电流分布。按一次插值法计算的电流分布更接近于实际，能得到更理想的 电位分布，但计算时间成倍增加。陈慈萱教授应用零次插值法计算时，使用了所谓 “等比分段加密法”，即对接近交叉点的单元再划分为二，这样计算的电流密度能 与实际更吻合，采用零次插值法便能满足工程需要【8 9 ，1 们。 1 9 8 4 年，戴江江将边界积分变换法引入接地计算，该方法是利用拉普拉斯方程 及其边界条件，构造近似解【，的逼近方程，即使用带权6 3 积分意义下的平均逼近来 计算接地体参数。此方法对于计算介质分布比较复杂的土壤中的接地体参数比较简 便【l l 】。 我国对直流输电接地极的设计理论、地球物理参数测量、极址选择、环境影响 评估、材料选择和计算方法等，进行比较系统的研究，并取得了成果。通过研究发 现，传统的设计理论存在着诸多不合理的情况，譬如，计算公式过于简单，未考虑 大地参数分布不均匀和接地极形状对电流分布的影响，往往产生理论计算与实际结 果的技术指标相差甚远的情况；设计方案不够精细，对局部可能出现的极端情况考 虑不周，致使接地极运行故障率较高【3 1 。 文献 1 2 1 采用边界元数值法对h v d c 直线型直流输电接地极附近三维电流场进 行了计算，通过分析计算，指出直线型直流输电接地极表面溢流的端部效应是导致 其在运行中出现事故的重要原因，直线型不是理想的接地方式。 文献 1 3 1 以芦潮港一嵊泗跨海直流供电工程中的接地极为例，计算和分析了在多 2 华北电力大学硕士学位论文 层介质中的直流输电接地极的本体溢流分布，介质中的电流密度、场强、电位的分 布以及跨步电压、接地电阻和安全距离等。计算中应用了点匹配法、镜像法和金属 管道的传输线等值模型方法，并对传输线等值模型法进行了改进。 文献【1 4 】详细分析了高压直流输电接地极的特性，在基本电磁场的理论观点及 其假设的基础上，阐述直流输电接地极的模型建立和电流场分析，并进行了接地电 阻、电位分布和温度分布等计算。 文献 1 5 】针对直流输电工程接地极的备选极址概况，选取理论上适合采用垂直 形电极的极址，设计了几种垂直接地极的不同布置形式，在子电极长度不变其它参 数改变和子电极根数不变其它参数改变两种情况下，进行了技术和经济性能上的计 算比较。结果表明，几种方案中的跨步电压和接地电阻均满足设计要求，但都存在 接地极附近土壤温升过高的现象。同时选取几种垂直接地极布置形式中各项技术指 标相对最优的方案与双圆环水平布置接地极进行了技术经济比较，得出了一系列结 论。 文献 2 4 】以国外学者提出的“等值镜象法”为基础，给出了双层土壤中圆环接 地极接地电阻的简化计算公式，并对该简化计算公式进行了验算。结果表明，该公 式具有较高的计算精度。 上述文献对高压直流输电接地极的某些方面进行了分析，得到了部分计算方法 和结论，在高压直流输电接地极分析、设计方面取得了很大的进展。但是，有些文 献【1 2 4 8 1 是基于单层或双层土壤模型来分析的，有些文献【1 4 2 1 2 3 1 的理论性较强，分 析方法不容易在工程中实现。为了分析多层土壤中的直流输电接地极，为实际工程 设计提供参考和指导，还需要我们在高压直流输电接地极的特性分析方面进一步开 展研究工作。 1 3 本论文主要工作 直流输电接地极的基本特性有：接地极的接地电阻；接地极的电流分布；当外 加电动势时，在直流输电接地极附近及其表面的电位分布【m 1 。论文叙述了接地极土壤 电阻率的各种测量方法和常用的接地极形式，引入“反射电流”的概念，利用等效 法详细推导了水平多层土壤中接地极基本特性的计算方法，同时结合实例，给出了 直流输电接地极设计中的一些重要结论。主要工作包括以下几个方面。 ( 1 ) 基于大地电磁测深法的接地极土壤电阻率测量 介绍了工程上常用的测量土壤电阻率的方法、原理和适用范围，同时对几种方 法的特点进行比较。提出在高压直流输电中测量深层土壤的必要性。重点论述了大 地电磁测深法的原理和应用，根据实测结果建立了金沙江一期直流输电工程东阳接 地极的大地电阻率模型。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 直流输电接地极的各种形式和选择原则分析 论述了直流输电的三种输电形式和接地极的作用，接地极的各种形式的典型结 构图、特点和常用的接地电阻计算表达式，给出了工程中直流输电接地极形状选择 的原则。 ( 3 ) 直流输电接地极的电压分布、接地电阻公式推导 采用镜象法，分析了双层介质( 一层空气、一层土壤) 和三层介质( 一层空气、 两层土壤) 情况下的镜象设置。但在多层介质中，设置镜象非常复杂，为使镜象法 方便地应用于多层介质中，引入“反射电流”的概念，利用等效法详细推导了水平 多层土壤中地面电位和跨步电压的计算表达式。 ( 4 ) 金沙江一期东阳接地极参数和设计方案应用研究 结合金沙江一期溪洛渡浙西8 0 0 k v 直流输电工程东阳接地极的极址系统运 行条件、土壤参数等，确定金沙江一期东阳接地极的预选设计方案。使用a n s y s 软件分析给出该方案的接地电阻、电极电流分布、电场强度、电位分布和跨步电压 等结论，并对方案中的接地电阻和最高跨步电压的修正提出建议。 4 华北电力大学硕士学位论文 第2 章直流输电接地极土壤电阻率的测量 在直流输电接地极的设计中，有许多参数和方面需要考虑，例如：土壤温升、 接地极的接地电阻、接地极的使用寿命、接触电压和跨步电压及接地极附近地下设 施的腐蚀等f 5 舶。这些参数是基于接地极附近大地土壤建模的基础之上的，所以大地 土壤电阻率的测量是直流输电接地极设计的基础。 过去高压直流输电工程测量土壤电阻率参数通常采用电测深法，主要用于极址 表层( 小于2 公里) 土壤参数测量。但是电测深法当电压极距大于3 0 0 m 时，地中 干扰电流对测试结果影响很大，且测量时为了消除互感的影响，则应使电流引线和 电压引线间保持足够远的距离以减少互感的影响【l 丌，给实际测量带来了诸多不便。 为避免电测深法的缺点，获得更为精确的土壤电阻率的测量数据，可以采用大 地电磁测深( m a g n e t o t e l l u r i cs o u n d i n g - - - - m ts o u n d i n g ) 法进行大地土壤电阻率的 测量【1 6 1 。 本章首先利用直流输电系统的一个简单的计算模型，推导出直流电流在大地中 的分布规律，提出测量深层土壤电阻率的必要性，然后介绍大地电磁测深法的原理， 并对测量土壤电阻率的各种方法的优缺点进行对比，结合金沙江一期特高压直流输 电工程，提出大地电磁测深法在高压直流输电接地极土壤电阻率中的应用前景。 2 1 测量深层土壤的必要性 图2 1 为均匀土壤中直流以大地为回路时的地中电流剖分图【1 7 1 。 i 图2 1 均匀土壤中的直流电流分布 由图2 1 可知，大地表层处的电流密度较深层处为大。采用图2 2 的坐标系统， 算出在深度为h 以上的土壤中所流过的总电流为： 小2 取赤 ( 2 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 推导得， 1 卜扣少1 1一 | i 蚱n h 力 1 图2 2 两电极连线的平分面电流密度推导 争= 罟 协2 ， 式中：l 深度为h 处以上的土壤中流过的总电流( 单位：a ) 在式( 2 2 ) 中，h 取不同值，可以得到不同的生的值，得到图2 - 3 。 j r 图2 - 3 穿透电流和高度的关系图 由图2 3 可见，h = 0 2 5 d ，将有厶= o 2 9 5 i ：取h = 0 5 d ，则有厶= o 5 i ；取h = d ， 则有l = o 7 0 5 i 。也就是说将有7 0 5 电流可以穿透到深度为o 2 5 d 的地中，5 0 的 电流可以穿透到深度为0 5 d 的地中，2 9 5 电流可以穿透到深度为o 2 5 d 的地中。 d 愈大电流的穿透深度也愈大。 特高压直流输电往往具有上千公里的传输距离，所以直流输电的地中电流将具 有很大的深度。显然在这样大的深度内必须考虑土壤的不均匀性，有必要对深层土 壤电阻率进行测量1 1 ”。 2 2 常用大地电阻率测量方法 测量土壤电阻率参数通常采用电测深法和电磁测深法，前者主要用于极址表层 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 小于2 公里) 土壤参数测量，后者主要用于地壳( 深层) 参数或航飞普查测量。 除此以外，还有中南电力研究院于1 9 9 3 年提出的“电位分布拟合”法。下面简要 地介绍这三种测量方法。 2 2 1 电测深法 所谓电测深法即是用一对电流探极向大地引入电流，用另一对探极测量所产生 的电位差，然后利用测得的电压和电流关系，计算出所测土壤的电阻率值。该方法 电流和电压探极主要有如下几种布置【1 6 1 7 1 。 ( 1 ) 温纳排列( w e n n e ra r r a y ) 温纳布置是迄今为止用于测量大地电阻率最广泛的方法之一。其电流和电压探 极布置如图2 4 所示。 f 高 ，丰t 7 丰7 丰_ 图2 - 4 温纳排列探极布置 若c 1 c 2 通过的电流为a ，p 1 p 2 间所测得的电压为v ，则所测点的视在电阻 率即为： 脚蒯二( 渤) ( 2 - 3 ) 式中：d 为极距，认为是测试深度。 该方法操作简单，便于采用，在土壤分布均匀情况下，测量结果准确。对于上 下层土壤电阻率有变化情况，可以通过改变极距( d ) ，来获得其变化曲线。 ( 2 ) 库勒伯格排列( s c h l u m b e r g e r a r r a y ) 库勒伯格探极布置不同于温纳布置在于其极向距离是不相等的，两个电位探极 间距很靠近，探极布置也是对称于中点，如图2 5 所示。 图2 - 5 库勒伯格捧列探极布置 通常的间距a 5 b ，在此情况下，所测点土壤视在电阻率值可以表达为： 7 华北电力大学硕士学位论文 户= 车；( 锄) ( 2 4 ) 伽 其有效测深被认为是二分之一电流探极间距。 该方法较温纳法，在确定电阻率水平不连续处的深度时，具有较高的准确度， 因而更为实用。 ( 3 ) 不等距四极布置 以上两种方法，要求探针布置成一条直线。对于接地极土壤电阻率参数测试而 言，由于要求测试范围之广，测量深度之深，测量点数目之多，因而在测量中要始 终保持测量探极布置在一条直线上，并使其间距相等，是很困难的。这就是说探极 的布置将会受到房屋、沟、渠、塘、道路、农作物等条件的限制。为此，这里介绍 并推荐另一种测量方法不等距四极法。该方法首次由武高所和中南电力设计院 成功地用于葛洲坝接地极大地电阻率参数测量，获得了良好经济效益和社会效益。 这一方法原理如图2 - 6 所示，设c 1 p l ，c 1 p 2 ，c 2 p l ，c 2 p 2 问的距离分别 为d i ，d 2 ，d 3 和d 4 ，当电流i 从c 1 流入和c 2 流出时，根据恒定电流方程式，电 压表测得的电压值u 为： 图2 - 6 不等距四极布置 u = ( p 。) 一矿( p ：) = 等c 去一i 1 一百1 d d d + 旁d 2 万、-，t。 令：上：土一上一上+ 上 。d od ld 2d 3d 4 则：u = 万i p 百1 即。 8 ( 2 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 脚砜等( 2 - 8 ) 比较式( 2 - 3 ) 和式( 2 8 ) 可以看出，两式所不同的是“测量深度”有差异： 前者极距d 为测深，后者d o 为测深。若各探极的距离相等，且在一条直线上，即有 d l - = i 4 = d ，d 3 = d 2 = 2 d ，将其代人式( 2 7 ) 即可得到式( 2 - 3 ) ，这表明温纳法是不等距 四极法的特例，或者说不等距四极法是温纳法的一般形式。 由于不等距四极法的测量探极间的距离可以是任意的，可以不在一条直线上， 因而给测量工作带来了极大的方便：可以方便地利用场地的架空配电线路作为测量 回路；交替交换电流与电压探极，获得不同的测试深度；探极布置不受房屋、沟、 塘、渠等条件的限制，节省测量费用。 上述三种测量方法无论哪一种，所测值仅代表所测点相应“深度”之值。在实 际工作中，土壤电阻率值各处是不均匀的，有的差别甚至颇大，故测量必须分块分 层进行。 先用方形网格或射线网络将极址分成若干小块，然后在每个网格的节点处进行 不同深度的测量。对于电极埋设处，应适当增加测点。测点密度视土壤电阻率分布 均匀程度和测深来定：土壤电阻率分布不均匀下测点密度可以大些，反之则小些； 钡9 深愈深，测点密度愈小。在一般情况下，测点密度不宜小于表列出的数据。 表2 1 测深和测点密度的参考选择 测深( m ) o r l 0l o 5 0 5 0 1 0 0 1 0 0 3 0 03 0 0 5 0 05 0 0 1 0 0 0 测点密度 1 0 05 0 1 0 02 5 5 01 0 2 0 5 1 02 5 g k m 2 ) 分层测深的划分最好和地质结构分布资料相吻合，如果没有地质结构分布资 料，对浅层的测试，应多分几层，对于深层，则可少分几层。 为了获得比较准确的测试结果，选择试验电源和电流值也是重要的。接地极处 在直流电流情况下运行，因此，用直流电源测试的土壤电阻率较能代表运行情况下 的电阻率。除此之外，对于深层电阻率的测试，由于电压探针极距较大，须考虑地 中干扰电流对测试结果的影响。减少这种影响最有效方法是增大试验电流，设探针 电压极测得的干扰电压为v g ( 一般为数毫伏级) ，允许误差为e ( 一般取5 ) ，故 有式( 5 ) ： 嘉一匕= 0 - s ) 丢 ( 2 - 9 ) 最小测试电流由式( 2 - 1 0 ) 计算出： ，：坐( 彳) ( 2 1 0 ) p 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 电位拟合法 众所周知，在给一接地装置注入电流时，其附近地面电位将升高。显然各点电 位升，除了与入地电流线性相关外，同时与试验场地土壤电阻率及其分布也密切相 关。为此，这里介绍的电位拟合法，就是采用计算机对土壤电阻率值及其分布是给 定的模型进行地面电位分析计算。通过合理地改变极址土壤电阻率值及其分布，使 得各点的电位理论计算值与试验值相拟合，来确定极址土壤电阻率参数值及其分 布。电位拟合法工作分两步进行。 第一步：现场模拟试验。在被试极址合适的位置安装一个小型模拟电极( 建议 采用半径为5 m 的圆环) ，在远离模拟电极( 建议大于2 0 k i n ) 的地方安装一个辅助 电极，租用附近的配电线路，将其中的一相或两相，串入试验电源后连接两个电极， 另一相留作测量电位用。试验时，给模拟电极注入一定值( 建议大于5 a ) 的电流， 同时在模拟电极至两电极中点间测量电位升。电位测点数目应足够多，电位变化大 的地方测点应密一些，反之可稀一些，总之应使测得的电位分布曲线有良好的连续 性。 第二步：计算机拟合。我国第二个高压直流输电工程天生桥至广州5 0 0 千伏直流输电工程天生桥侧接地极位于大山区，土壤导电性能差，且分布复杂。模 拟试验中发现，在离开试验电极距离大于试验电极任意两点间最大距离的5 倍以远 外，无论是山区还是平地或稻田，等电位线基本上是同心圆。因此，无论极址土壤 电阻率参数如何分布，可以将其视为水平分层等值分布。在拟合计算中，先应根据 试验得到的电位分布曲线和形状，同时结合极址地区地质资料，估计出极址土壤电 阻率参数分层，并给出初值，然后采用计算机计算出与模拟试验相同测点的电位， 通过不断地修改初值，达到理论计算与模拟试验结果吻合。当理论计算与模拟试验 的电位分布曲线是吻合或比较吻合时，此时的给定初值即可作为土壤电阻率参数的 设计计算模型。这里必须指出，在进行拟合计算时，电极形状、尺寸和埋深必须与 试验模拟电极完全一致。 由于电位拟合法模拟了接地极运行情况，因此所获得的参数真实可靠，特别适 用于确定土壤参数分布复杂地区和数百米至数公里深处的土壤电阻率值但此方法 需租用配电线路，实验难度较大，费用较高，同时数据处理比较复杂 2 2 3 大地电磁测深法 2 2 3 1 大地电磁测深( m t ) 的原理 由于太阳风引起电离层的扰动，产生向地球辐射的电磁波。由于不同频率的电 磁波在地下传播时具有不同的趋肤深度，不同频率的地面波阻抗反映了不同深度范 l o 华北电力大学硕士学位论文 围内的介质电阻率。通过观测地面上不同频率的波阻抗或视电阻率，可以得到一个 观测点上的视电阻率( 或相位) 一频率曲线。由视电阻率一频率曲线可以通过一定 的反演方法获取地下不同厚度范围内的电阻率分布。 大地电磁测深方法采用的频率范围是3 2 0 h z - - o 0 0 0 5 h z ，具有勘探深度大的特 点。 图2 7 大地电磁测深的原理示意图 根据电磁理论，在地面测量两个正交的电场( e ) 和磁场饵) ，电磁波的趋肤深度可 表示为：l t 6 。厂广 2 丽 ( 2 1 1 ) 式中，a 为磁导率；o - 为电导率；m = 2 n f 为角频率；厂为频率。对非均匀介质，视电 阻率的表达式为： i7 1 2 n = 匕上 ( 2 1 2 ) 。 c o u 广泛应用于矿产勘探的大地电磁法( m t 法) 为测量接地极深层大地电阻率提供 了方便。该方法是建立在大地电磁感应原理基础上的电磁测量方法，场源是天然的 交变电磁场。m t 法工作时，在同一点和同一时刻连续记录电场的两个相互垂直的 水平分量e x 和e y 以及磁场三个相互垂直的分量h 。、h y 和h ：，通过计算处理得到 该点的波阻抗z 。当大地电磁呈各向同性和水平层状分布时，阻抗z = e h ，经变换 后求得地壳阻抗与周期t 的变化关系( 视在电阻率曲线) 2 2 3 2 大地电磁测深法在接地极设计中的应用 大地电磁测深在国内石油、天然气普查勘探，在深部地质结构探测，在地热和 华北电力大学硕士学位论文 地下水资源调查，在地震预测、预报和地质灾害防治等应用领域的地位得到进一步 的肯定；而在海洋资源探测领域的应用，在固体矿产资源勘察的应用，在石油、天 然气详细勘探中的作用，已表露出可喜的前景。f 1 8 j 9 1 过去，交流接地网和高压直流输电接地极的土壤电阻率测量通常采用电测法。 随着高压直流输电工程的发展，特别是我国规划的特高压直流输电工程建设，其入 地电流达到4 0 0 0 安培，接地极半径也达到5 0 0 多米。在接地极或邻近接地极附近 的大地表面，电位梯度主要是上层土壤电阻率的函数，而接地极的电阻却主要是深 层土壤电阻率的函数，在接地装置的尺寸非常大时更是如此。显然为了获得精确的 数据，电测法已经不能满足工程的需要。电磁测深法，尤其是大地电磁测深法已经 用于土壤电阻率的测量。 大地电磁测深法的主要特点是： ( 1 ) 地形影响小，基本上不受地形条件的限制； ( 2 ) 高阻层屏蔽作用小。采用一般的方法进行测量时，如果在土壤的结构中 有一层土壤率很高的土壤层，要将高阻层下的低电阻率层测量出来比较困难； ( 3 ) 垂直方向分辨能力及水平方向分辨能力高； ( 4 ) 勘测范围广：能从几十米到地壳深层。 文献【3 】规定在高压直流输电大地返回运行系统中土壤电阻率测量范围宜大于2 倍的接地极面积且不小于l k m 2 , 最大测量极距宜不小于1 0 0 0 m 。为了正确评价地电 流对电力系统、地下金属管道、地下电缆等设施产生的影响，一般应对极址大地特 性及其结构进行勘探。大地电性特性及其结构，探测范围应是极址附近数平方千米 甚至更大，勘探深度一般应至数十千米或者直至地壳。 2 3 测量方法的比较 。 通过上述对各种土壤电阻率测量方法的介绍，归纳得出下表： 表2 2 工程上常用土壤电阻率测量方法比较 测量方法 适应范围 特点 土壤分布均匀情况下，测量结果探针布置成一条直土壤电阻率值各处 温纳捧列( w e n n e r 准确；土壤电阻率变化时，改变线，且间距相等是不均匀的，有的 a r r a l y ) 极距，获得变化曲线。差别颇大，故测量 必须分块分层进 电涮深法库勒伯格排列该法较温纳法，在确定电阻率水探针布置成一条直 行对于深层电阻 ( s c h l u m b e r g e r 平不连续处的深度时，具有较高 线对极距有要求 率的测试，由于电 a r r a ” 准确度，因而更实用 压探针极距较大， 不等距四极法 方便地利用场地的架空配电线 探极间距是任意 测试结果受地中干 1 2 华北电力大学硕士学位论文 作为测量回路；交替交换电压与的，探极布置不受扰电流影响 电流探极。获得不同的测试深度地形限制 模拟接地极运行情况因此所获 需租用配电线路，试验难度较大，费用 电位拟合法参数真实可靠，特别适用于确定 较高，数据处理比较复杂 土壤参数分布复杂地区 瞬变电磁探深人工发射的阶跃波 测量范围较广 ( t e m ) 形电磁脉冲激发 可以连续测量取得 电磁溯深法 利用交变电磁场的 大地电阻率读数， 大地电磁探深可以探测地下数百米到数千米 感应耦合作用，可 不必像e r 法逐点 ( m t )深度范围的电性变化以穿透直流勘探难 取得 以穿透的高阻层 通过比较可以看出，在测量大地土壤电阻率时，大地电磁探深法( m t 法) 不仅在 测量的深度和广度上比其他方法有明显的优越性，而且测量数据较易获得。 特高压直流输电的入地电流4 0 0 0 a ，传输距离上千公里。为了满足高压直流输 电接地极设计需要，大地电磁测深法( m t ) 法已经在实际工程中使用。 2 4 金沙江一期东阳直流输电接地极电阻率测量 金沙江一期直流输电工程东阳接地极的大地土壤电阻率测量分为两个阶段： 第一阶段为接地极初步选址阶段。该阶段，东阳接地极土壤电阻率采用直流电 测法测试，经数据处理后，得到如表2 - 3 所示的土壤电阻率分层情况。 表2 - 3 初步选址阶段东阳极址的土壤电阻率分层模型 分层序号层厚( m )电阻率( f 2 m ) l3 1 2 0 23 1 48 8 0 3 o o 8 6 0 第二阶段为接地极筛选确定阶段。该阶段，东阳接地极土壤电阻率测试采用直 流电测深法测试浅层电阻率，采用大地电磁测深方法测试深部电阻率。在勘测过程 中，直流电法浅层电阻率测试实施的最大供电极距a b 2 = 1 0 5 0 m 的测试，其测试有 效深度为3 0 0 m 。深层电阻率的测试，采用大地电磁测深( m t ) 法完成，测试深度 华北电力大学硕士学位论文 为5 0 k i n 。经数据处理后，得到如表2 - 4 所示的土壤电阻率分层情况。 表2 4 筛选确定阶段东阳极址的土壤电阻率分层模型 分层序号层厚( m )电阻率( q m ) l42 5 286 0 31 1 87 9 0 43 4 72 6 8 55 5 6 21 7 9 63 1 6 73 1 5 7 1 4 1 6 21 6 6 8 1 2 7 通过表2 3 和表2 - 4 的比较，可以看出大地电磁测深法在土壤电阻率测量中的 优越性。随着特高压直流输电工程的建设和发展，大地电磁测深法将会更广泛地应 用于直流输电接地极的土壤电阻率测量中。 2 5 小结 直流输电接地极极址附近的大地土壤电阻率的测量是分析、研究直流输电接地 极的基本特性的基础，大地土壤电阻率的分层模型直接影响到分析研究的准确性。 大地电磁测深法在测量广度和深度上比传统的电测深法优越，因此随着高压直流输 电工程特别是特高压直流输电工程的发展，大地电磁测深法将广泛应用于高压直流 输电接地极土壤电阻率的测量中。在高压直流输电接地极土壤电阻率测量时，建议 采用直流电测深法测试浅层电阻率，采用大地电磁测深方法测试深部电阻率。这样 不同的土壤电阻率测量方法优势互补，可以获得更为精确的大地土壤电阻率分层模 型。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第3 章高压直流输电接地极的形式选择 直流输电系统中的接地极在系统运行中的重要作用主要表现为两个方面：一是 直接为输电系统传送电流，提高系统运行的可靠性；- - 是钳制换流站中性点电位，避免 两极对地电压不平衡而损害设备。接地极故障会直接影响整个直流输电系统的正常 运行。因此，科学设计接地极，保证其满足系统安全运行要求是非常重要的。直流输 电的接线方式不同，正常运行时通过直流输电接地极的电流是不同的。 本章介绍了直流输电接地极在直流输电中的作用，并详细论述了各种形式的接 地极的基本特点和示意图，给出了直流输电接地极形式选择的基本原则。 3 1 直流输电的三种接线方式 直流输电通常可采用三种接线方式，单极线路( 图3 1 ) 、同极线路( 图3 2 ) 和双极线路( 图3 3 ) 。采用单极和同极接线时，线路的传输电流将全部由接地电极 进入大地。单极接线时长期通过接地电极的电流即为传输电流l ，同极接线时则为两 条线路传输电流的总和l + l ：，采用双极接线时，长期通过接地极的是线路的不平 衡电流l 一l ：，它一般为线路传输电流的l 3 。然而当一极发生故障退出运 行而转为单极接线的工作方式时，通过接地极的电流会上升为健全极线路的传输电 流，其持续时间一般达数十天。如果为了要在故障情况下保持必要的传输功率，健 全相有时还需在短期过负荷下运行，此时通过接地极的电流还会进一步增大【l 丌。 图3 2 同极接线 1 5 华北电力大学硕士学位论文 图3 3 双极接线 3 2 直流输电接地极的结构形状 从理论上讲，直流输电接地极可以设置成不同的结构，而事实上，日前己投入 运行的直流输电接地极的形式确实也是多种多样的，如我国士5 0 0k v 葛一上直流工 程的上海南桥侧采用直线形接地极，葛洲坝侧则采用圆环形接地极。许多工程都是 根据实际地质情况，将接地极设计成不规则的形状，如原苏联士4 0 0k v 伏尔加格勒 一顿巴斯直流工程的两侧接地极均是根据现场的具体情况，设计成周长为1 2 0 0m 的封闭环形。只是为了降低电极表面的最大流散电流密度，减小电极的腐蚀，在选 择直流接地电极的形状时，应尽量选用那些电流能沿导体均匀流散的形状，这也是 为了满足土壤发热时间常数和电极热稳定性的要求。因此直流接地电极的尺寸一般 都比较大，而且不采用交流接地所用的网状地网。实际工程中比较常用的直流输电 接地极形状主要有如下几种。0 7 t 3 2 1 浅层水平接地极 浅层接地极可布置成连续的水平形式，附以连续的或间断的溢流元件。它具有 以下优点： ( 1 ) 施工、运行方便； ( 2 ) 易排除电极在运行中产生的气体和热量； ( 3 ) 电流分布比较均匀； ( 4 ) 造价比较低廉。 在工程实际中，经常遇到的土壤模型是由接近地表的电阻率较低的薄层大地和 其下电阻率较高的地层构成。基于这种模型以及考虑到施工维修的方便及节约，浅 层水平接地极日前己被广泛应用于实际工程，其埋深由最浅的1 2 m 到最深的8 m ， 依据实际的土壤情况及冻土深度而定 水平接地极的形状可以是任意的，但不同形状电极的技术指标、经济指标、运 行特性不同。按其形状可分为圆环形、星形和直线形等。其中，使用得比较广泛的 电极形状是圆环形和直线形两种。由电极所处位置的地形特点确定。 6 华北电力大学硕士学位论文 为了更好地均衡电极表面的流散电流密度，接地体最好分成若干段，分别经作 为接地引下线的馈电电缆和架空的电极线相连。 l 圆环形接地极 浅层连续的圆环形接地极的典型结构如图3 - 4 所示。圆环形接地体的半径般 为3 0 0 1 ，0 0 0 m 。图3 - 4 所示为分割成3 段的圆环形接地体，沿圆环敷设有配电电 缆，电极线终止在环的中心，分别经3 根主馈电缆接到各分段的配电电缆。为了保 持圆环沿整个接地电极长度均匀散流的自然优势，圆环接地电极一般不分段运行， 因而也不设分段隔离开关。 圆环形电极的最大优点是电流在电极上的分布均匀，不会出现局部跨步电压过 高，同时具有用料较省、运行性能好的特点。但缺点在于，由于环中余地不能利用， 因而所需土地面积大，可能难以实际应用；另外，圆环形接地极难于分段隔离，运 行灵活性较差。 1 电极；2 配电电缆；3 馈电电缆；4 电极线；5 一跨接电缆 图3 _ 4 浅层连续的圆环形接地极的典型结构 2 星形接地极 图3 5 所示的星形布置，是专用于地理条件不便于采用圆环形接地极时的一种 替代形式。星形接地极可采用3 根或多根分支，但是当分支多于6 根时就不太恰当 了。每根星形分支的长度一般为几十米到几百米。图3 5 所示星形接地极共有4 根 分支，电极线终止在接地极的中心，在从这里通过隔离开关向各分支馈电，沿分支 敷设有配电电缆和跨接电缆。 星形接地极的优点在于它能适应地形及电阻率比较复杂的地区，这是由于它的 形状不需十分规则，而且分支根数可以因地制宜地加以选择。另外，星形接地极也 便于分段，带来了一定的运行灵活性。缺点则是需要的土地面积要比圆环形接地极 稍大些，而且溢流比较集中在接地极中心和分支的终端。 1 7 华j e 电力大学硕士学位论文 1 电极；2 配电电缆；3 馈电电缆；4 一电极线；5 跨接电缆 图3 5 星形接地极的结构示意图 3 直线形接地极 直线形接地极是简单地布置成一条直线的接地极，如图3 - 6 所示。直线形接地 体的长度一般为3 0 0 6 0 0 m 。图3 - 6 所示3 段接地体分别经隔离开关和电极线相连。 这些隔离开关用于隔离各段，这样可以在任何一段退出工作进行维修时，剩下各段 仍可带一定负荷继续运行。若沿整个接地体的长度敷设一根配电电缆，再经跨接电 缆把电流引入接地体，那么流散电流的分布将更趋均匀。 直线形接地极不一定要完全笔直。当所选定的站址是长而窄时，就适宜用直线 形接地极。对于这种接地极，特别适宜的是沿着河流、小溪埋设，这些地方由于有 水，所以大地电阻率就能得到很大改善。直线形接地极就用地来说是最经济的，从 用材量来看，直线形明显低于星形接地极，而与圆形接地极不相上下，但直线形接 地极也具有与星形接地极同样的缺点，即端部的溢流密度相当高。 】 l - 电极；2 配电电缆；3 隔离开关；4 电极线；5 一跨接电缆 图3 - 6 直线形接地极结构示意图 3 2 2 垂直接地极 垂直接地极是由一些主轴垂直的分散元件构成的，通过水平连接导体连在一 起。这种接地极的一般布置如图3 7 所示。 垂直接地极也有浅层( l o r e 以内) 埋设的，但更多的是埋设在6 0 m 或更大的深 度，其目的是为了能埋设在大地电阻率比地表更低的土层中，并将地电流从可能受 到干扰的物体引开。垂直接地极元件的平面排列可以因地制宜，单线式、双线式、 圆形和网格形都是可行的。 1 8 一一一 华北电力大学硕士学位论文 4 尘1已1芭1 一 、3l i 一1 e ：8 8 8 撒 l 44 蠢 5 一 1 电极；2 配电电缆；3 接地引下电缆；4 隔离开关；5 焦炭填充物；6 跨接电缆 图3 7 垂直接地极结构示意图 单根及双线垂直接地极的接地电阻计算公式一般可见于相关书籍。而三根以上 垂直元件成一直线排列的垂直接地极的接地电阻可按下式计算： r = 丢限+ 昙哇+ j 1 + + 】( 3 - 1 ) 式中，n 为单个元件的数量，s 为各个元件之间的距离，r l 为单个垂直元件的 接地电阻。 同样，由三个及以上垂直元件沿一圆形排列的垂直接地极的接地电阻可由下式 计算： r = 盖陋等小三d 薹壶， p 2 ， 以2 花口怠删。 、7 式中d 为圆形结构的直径。十分明显，增加垂直元件的个数，并不能与个数成 比例地降低接地电阻。 3 2 3 岸边接地极 因为海水为传输地电流提供了最佳通道，而跨越水域又是高压直流输电的主要 应用范围之一，所以直接与水接触的接地极在h v d c 输电系统中是很重要的在许 多情况下，将接地极建造在海岸边或邻近海岸的海水中，这是合乎逻辑的选择。 一般的岸边接地极的剖面图如图3 8 所示。它的设计要求与陆地接地极有较大的 差别。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 1 一海岸线；2 石墨电极；3 多孔管；4 - 多孔石床；5 馈电电缆 图3 - 8 岸边接地极结构示意图 岸边接地电极可由一个或多个沿岸边直线排列的悬于水中的导电元件构成，阳 极一般用长度为1 5 2 m 的石墨电极，它悬于多孔的混凝土管道中，后者又放在由 大砾石或卵石形成的多孔石床中，这些孔可以使水自由流动，从而解决电流的流通、 阳极释放的氯气和氧气的逸出以及发热等问题。如果水不流动，则阳极的腐蚀和温 升会大大增加运行经验说明，对于持续通过电流为5 0 a 的阳极来说，有0 2u s 的 水流即可。当天然水源不足时，必须人为供水。另外，它的导电元件的支持物和机 械保护必须能防止波浪的袭击。 其接地电阻可按下式计算： r = 壶慨l n 争+ p 2 i n 詈+ 仉岛l n 昙】+ 酉f 2 p 4 ( 3 3 ) 式中l 为接地极元件( 圆柱) 的长度，m ；为接地极元件的半径，m ；r 2 为混凝 土包封管的内半径，m ；，3 为混凝土包封管的外半径，m ；r 4 为用岩石回填的挖坑半 径，m ；n 为水的电阻率，d m ：p 2 为有孔洞的混凝土管壁的电阻率，t 2 j n ；岛为 含水饱和的回填土的电阻率，q j ，l ；p 4 为原状土的电阻率，d a n ；系数r h 和玎：为： 瞅韵+ t - i p 铲瞅韵+ t - i p s ， 3 2 4 海水接地极 在找不到合适的场地，或者需要避免波浪的作用，或者为了减小通过大地的地 华北电力大学硕士学位论文 电流而不宜采用陆地或岸边接地极时，可将接地极置于距岸边一定距离的海水中。 海水接地极可能是一种很经济的选择，特别是对仅仅用做阴极的接地极，这时可以 用一根简单的裸导线敷设在海底。在海水里的阳极附近会放出氯气，因此当打算至 少有部分时间将接地极作阳极运行时，为了防止氯的腐蚀，应当采用石墨( 或镀铂钛) 作为阳极，并在其周围装置聚氯乙烯或混凝土围栏，这些围栏也作为对鱼类的屏蔽 物。图3 9 为洛杉矶海水接地极一个单元的构造详图，整个接地极由2 4 个这样的单 元组成。 1 盖；2 项部；3 中部；4 一底部；5 电极；6 一引线；7 一屏蔽壁上的孔( 代表两面) 图3 - 9 海水接地极示意图 3 3 电极形状选择原则 从广义上讲，只要极址场地条件允许，并且能满足系统运行的技术要求，那么 采用任何形式布置的接地极都是可以的。但是实际上，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 对其工程造价也会产生重大影响。一般来讲，在选择或确定电极形状时应遵循以下 基本原则。 ( 一) 力求使电流分布均匀 为了获得比较均匀的电流分布特性，根据理论分析和工程设计运行经验，可以 得到以下结论。 ( 1 ) 在场地允许的情况下，一般应优先选择单圆形电极，其次是多个( 两个 及以上) 同心圆环形电极。 ( 2 ) 在场地条件受到限制而不能采用圆环形电极的情况下，也应尽可能地使 电极布置得圆滑些，尽量减少曲弧的曲率。 ( 3 ) 如果地形整体性较差，则可采用星形( 直线形) 电极；如果端部溢流密 度过高，则可在端部增加一个“屏蔽环”，特别是如果出现电极埋设层土壤电阻率 2 l 华北电力大学硕士学位论文 高于相邻土壤层时，可采用星形电极，可能获得比较均匀的电流分布特性。 ( 4 ) 对于海水电极，由于海水导电性能强，电极形状对电流分布的影响不像 陆地那样明显，因此海水电极布置形状主要取决于海湾条件和运行维护方便等其他 因素。 ( 5 ) 对于海岸电极，电极一般应沿海岸敷设。由于海岸土壤电阻率很低，并 且面对是海水，所以即使采用直线形电极，也只需在端部几米处增加一个“屏蔽环”， 就可能获得比较均匀的电流分布特性。 ( 二) 充分利用极址场地 对于那些受温升和跨步电压条件控制的接地极，若采用单圆环布置，容易产生 两个问题：一是因要求环径较大，极址( 中央) 不能充分利用，容易受到极址场地 面积的限制；二是若极址受到限制，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，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，正好可弥补单圆环布置的上述缺点，整个极址得到了利用，分散了热量。 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。 ( 三) 尽可能对称布置 电极对称布置有利于导流系统布置，提高导流系统的均衡度和可靠性，降低导 流系统的工程造价。 3 4 小结 作为高压直流输电工程中的一个重要组成部分，直流输电接地极中流过的电流 因高压直流输电运行方式而不同。不同于交流电网中的接地装置和接地网，当高压 直流输电接地极单极运行和同极运行时，直流输电接地极将长时问通过强大的电 流。 理论上讲，高压直流输电接地极的形状选择在场地条件允许时，只要满足系统 运行的技术要求就可以。但是，不同形状的直流输电接地极的溢流密度、接地电阻、 电位分布和工程造价差别很大，因此选择高压直流输电接地极形状时要遵循一定的 原则。对于金沙江一期特高压直流输电工程，建议接地极优先选择水平浅埋标准同 心圆环形，环的个数为2 个或3 个。 华北电力大学硕士学位论文 第4 章直流输电接地极的电流、电压分布计算 过去，