IEC TS 623442022 高压直流（HVDC）链路接地电极站的设计.一般指南标准立项发展报告

高压直流（HVDC）链路接地电极站的设计通用指南标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:DesignofEarthElectrodeStationsforHigh-VoltageDirectCurrent(HVDC)Links-GeneralGuidelines摘要随着全球能源转型战略的深入推进，高压直流（HVDC）输电技术凭借其在长距离、大容量电能传输及异步电网互联等方面的显著优势，已成为构建新型电力系统的重要技术支撑。接地电极站作为HVDC输电系统中不可或缺的组成部分，承担着为单极运行方式提供电流返回通路、稳定换流站中性点电位等关键功能，其设计质量直接关系到输电系统的运行安全性与可靠性。本报告以国际电工委员会（IEC）发布的技术规范IECTS62344:2022《高压直流（HVDC）链路接地电极站的设计——通用指南》为研究对象，系统阐述该标准的立项背景、技术框架与核心内容，深入分析其在电极型式选择、接地电阻设计、热稳定性校核、跨步电压控制及环境防护等方面的技术规定。报告指出，该标准的发布填补了HVDC接地电极站设计领域国际通用技术准则的空白，为各国工程设计人员提供了统一的技术依据，对提升全球HVDC工程建设的标准化水平具有重要引领作用。未来，随着柔性直流输电技术和海上风电送出工程的快速发展，接地电极站设计标准将朝着适应更高电压等级、更复杂运行工况及更严格环保要求的方向持续演进。关键词：高压直流输电；接地电极站；IECTS62344；标准化；接地设计；电力系统KeywordsHigh-VoltageDirectCurrent(HVDC);EarthElectrodeStation;IECTS62344;Standardization;EarthingDesign;PowerSystem一、引言1.1研究背景在全球应对气候变化、推动能源结构绿色低碳转型的大背景下，高压直流（HVDC）输电技术已成为实现大规模可再生能源远距离消纳、跨区域电网互联以及城市负荷中心可靠供电的关键技术手段。自1954年世界上第一条商用HVDC输电线路在瑞典投入运行以来，HVDC技术经历了从汞弧阀换流到晶闸管换流、再到基于电压源换流器（VSC）的柔性直流输电的多次技术飞跃。截至2024年，全球已投运及在建的HVDC输电工程超过200项，单回线路输送容量已达到12GW（如中国昌吉—古泉±1100kV特高压直流输电工程），输电距离突破3300公里。在HVDC输电系统中，接地电极站（EarthElectrodeStation）是实现系统电流回路的关键设施。在单极运行方式（含单极大地返回方式）下，接地电极站为运行电流提供返回通路；在双极运行方式下，接地电极站兼负不平衡电流的泄放功能。同时，接地电极站还承担着稳定换流站换流变压器中性点电位、降低系统对地电位升的重要作用。可以说，接地电极站的设计水平直接影响着HVDC系统的安全稳定运行水平。1.2标准立项的必要性尽管接地电极站在HVDC系统中的重要性不言而喻，但在IECTS62344:2022发布之前，国际上缺乏专门针对HVDC接地电极站设计的统一技术标准。各国工程实践中，设计人员往往参照IEEEGuide（如IEEEStd665）、IEC62305系列（防雷接地标准）以及各国电力行业标准（如中国DL/T5217《换流站接地极设计技术规程》）等加以变通应用，但这些标准并非针对HVDC接地电极站的特殊运行工况（如长时间持续通流、大电流密度、复杂的土壤电化学环境等）而制定，在实际应用中暴露出诸多不适用之处。具体而言：其一，HVDC接地电极站长期承受直流大电流作用，电极周围的土壤在电场和温度场的耦合作用下会发生电导率变化、水分迁移和电化学腐蚀等现象，而交流接地标准无法涵盖这些直流特有的物理化学过程。其二，HVDC接地电极站的跨步电压、接触电压和转移电位等安全指标的控制要求与交流变电站接地系统存在本质差异，直流电流对人体和动物的生理效应与交流不同，需要专门考虑。其三，HVDC接地电极站的设计寿命通常要求达到30年以上，在持续直流电流作用下，电极材料的腐蚀速率、土壤的热稳定性等都需要专门的试验数据和设计方法予以支撑。因此，制定统一的HVDC接地电极站设计国际标准，既是全球HVDC工程建设的迫切需要，也是IEC在特高压输电标准化领域完善标准体系的必然要求。在此背景下，IECTC115（高压直流输电技术委员会）组织国际权威专家，历经多年研究和讨论，于2022年5月正式发布了IECTS62344:2022技术规范。二、标准概述2.1标准基本信息IECTS62344:2022《高压直流（HVDC）链路接地电极站的设计——通用指南》（Designofearthelectrodestationsforhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)links-Generalguidelines）由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）下属的第115技术委员会（TC115，即HVDC输电技术委员会）负责编制。该标准于2022年5月16日正式发布，标准状态为“现行”，文件语言为英语，分类号归属于“其他有关输电网和配电网的设备”类别。需要特别说明的是，该文件为IEC技术规范（TechnicalSpecification，TS）类型文件，属于IEC正式出版物的一个类别，其权威性和技术指导性与国际标准（IS）相当，但在制定周期上更为灵活，能够及时响应技术发展的需求。2.2标准适用范围IECTS62344:2022适用于HVDC输电系统中与换流站相连的接地电极站的设计，涵盖以下关键方面：-电极型式选择：包括陆地电极（水平布置、垂直布置及组合布置）和海洋电极（海岸电极和深海电极）的选型指导；-电气设计参数：接地电阻设计、允许最大持续电流和短时过负荷电流的确定方法、电极温升计算等；-安全防护设计：跨步电压、接触电压允许值的确定，接地电位的计算与控制，以及接地极引线（架空线或电缆）的设计要求；-材料与腐蚀防护：电极材料（如高硅铸铁、石墨、铜等）的选材原则、腐蚀余量设计及防腐蚀措施；-环境影响因素：电极布置对周边地下金属管线、通信电缆等设施的影响评估及防护措施；-监测与维护：接地电极站运行状态监测系统的配置要求、例行检测与维护的技术指导。该标准可作为HVDC工程接地电极站设计、建设和运行维护的统一技术依据，适用于陆上及海底HVDC输电工程。三、标准核心技术内容分析3.1总体设计原则IECTS62344:2022在开篇即确立了接地电极站设计的总体原则框架。标准强调，接地电极站的设计应基于系统运行方式分析，充分考虑单极大地返回运行和双极不平衡运行两种工况下的电流大小及持续时间。设计寿命期内，接地电极站应满足以下基本要求：-在规定的最大持续电流和短时过负荷电流作用下，电极及其周围土壤的温度不应超过允许限值，以确保接地电阻的长期稳定；-在故障状态或检修状态下，接地电极站周边的跨步电压和接触电压应控制在安全限值以内，保障人身和动物安全；-电极材料在预期寿命内的腐蚀量不应影响电极的结构完整性和电气性能；-接地电极站的设计应考虑对周边环境（包括地下金属结构、通信设施、生态环境）的影响，并采取必要的防护措施。3.2设计基础资料标准对设计输入资料提出了明确要求，包括但不限于：换流站的系统参数（额定电流、过负荷能力、运行方式转换时序等）、站址区域的土壤电阻率分层模型及随季节变化的规律、地下水文资料（水位、流速、水质化学成分）、地震烈度与地质构造条件、环境温度变化范围、以及周边地下设施分布情况等。这一部分内容为后续设计计算提供了规范化的数据基础，有效避免了因基础资料不全导致的设计缺陷。3.3接地电阻设计接地电阻是接地电极站设计的核心参数之一。IECTS62344:2022详细规定了接地电阻的计算方法，包括均匀土壤和分层土壤模型下的解析计算方法和数值计算方法。标准指出，接地电阻设计值应满足系统运行要求，即在最大持续电流条件下，接地电极站的电位升不超过设计允许值，同时应保证换流站中性点电位偏移在允许范围内。值得注意的是，标准特别强调了直流接地电阻与交流接地电阻的差异。在直流电流持续作用下，电极周围土壤中的电场分布不均匀，靠近电极表面的电流密度最大，土壤可能因焦耳热效应而升温，进而导致土壤水分蒸发、电阻率增大，形成正反馈的恶性循环。为此，标准引入了热稳定性分析的要求，明确了电极表面允许的最大电流密度和土壤允许温升的推荐值。3.4电极型式与布置标准对陆地电极和海洋电极两大类接地电极分别给出了设计指导。对于陆地电极，标准介绍了水平接地极（如水平敷设的圆钢或扁钢）、垂直接地极（如深井式接地极）以及由两者组合而成的复合接地极等三种基本型式，分析了各自的适用条件。标准指出：在土壤电阻率较低、表层土壤较厚的站址，宜优先采用水平接地极；而在表层土壤电阻率高、深层土壤电阻率低的站址，垂直深井接地极往往具有更好的技术经济性。对于大型HVDC工程，通常采用多组电极并联的布置方式，以降低总体接地电阻并均匀分布电流。对于海洋电极，标准涵盖了海岸电极和深海电极两种类型。海岸电极布置在海岸线附近的海底，利用海水这一良导体实现低电阻接地；深海电极则布置在远离海岸的深水区域。标准对两类海洋电极的设计要点、施工方法及运行维护要求分别进行了阐述，特别关注了海水温度、盐度、潮汐变化以及海洋生物附着等因素对电极性能的影响。3.5安全防护设计安全防护是接地电极站设计中涉及人身安全的关键环节。IECTS62344:2022详细规定了跨步电压和接触电压的允许值确定方法。标准基于人体电流耐受特性研究成果，给出了直流电流作用下人体允许的跨步电压和接触电压的计算公式，该公式考虑了电流持续时间、人体电阻、地表覆盖层电阻率等因素。值得关注的是，标准对跨步电压的控制提出了“设计-校核-验证”三位一体的要求：即在设计阶段通过计算校核各关键位置的跨步电压和接触电压；在施工完成后的调试阶段进行现场实测验证；在运行阶段通过定期检测确认安全性能的持续性。这一闭环管理思路显著提升了安全防护的可靠性。3.6材料选择与腐蚀防护接地电极材料的选用直接关系到接地电极站的使用寿命和运行可靠性。标准对常用电极材料（高硅铸铁、石墨、铜、铜覆钢等）的物理性能、化学稳定性、电化学腐蚀特性等进行了系统比较，并给出了材料选用的决策流程。在腐蚀防护方面，标准要求设计时应考虑电极在使用环境中的腐蚀速率，并据此确定电极的截面尺寸和腐蚀余量。对于埋地金属部分，标准推荐采用外加电流阴极保护或牺牲阳极保护措施，以延长接地电极站的使用寿命。3.7环境影响与防护接地电极站运行时，入地电流可能对周边地下金属管道、油气管道、通信电缆、轨道交通设施等产生电磁干扰和电化学腐蚀影响。IECTS62344:2022对影响评估方法、允许干扰限值以及缓解措施（如设置屏蔽极、加装绝缘接头、采用排流保护等）给出了原则性的指导。这一内容适应了现代工程对环境保护和公共设施安全日益严格的要求。四、主要起草单位介绍IECTS62344:2022的编制汇聚了全球HVDC领域权威企业和研究机构的专家学者。其中，ABB（AseaBrownBoveri，瑞士）作为全球电力和自动化技术领域的领军企业，在该标准的制定过程中发挥了突出的技术引领作用。ABB在HVDC输电领域拥有超过60年的工程实践经验，先后参与了全球多项标志性HVDC工程的建设，包括世界上第一条商用HVDC工程（哥特兰岛工程）、以及多个创纪录的特高压直流输电项目。ABB的瑞典卢德维卡（Ludvika）研发中心长期致力于HVDC换流站及其辅助设施的核心技术研究，在接地电极站的电磁场数值分析、土壤热稳定性评估、电极长期运行性能试验等方面积累了丰富的研究数据和工程经验。在IECTS62344:2022的编制过程中，ABB的专家团队主导了标准中关于陆地电极热稳定性计算方法、电极材料腐蚀特性数据库以及运行监测技术要求等技术条款的起草工作，为标准的科学性和工程适用性提供了坚实的技术支撑。五、标准实施意义与应用前景5.1对行业的技术引领作用IECTS62344:2022的发布实施，从根本上改变了HVDC接地电极站设计缺乏专门国际标准参照的局面。该标准将全球数十年HVDC工程建设与运行中积累的接地电极站设计经验进行了系统化、规范化的总结和提升，形成了涵盖设计原则、计算方法、材料选型、安全防护、环境影响评估等全链条的技术规范体系。对于正在积极发展HVDC技术的国家和地区的工程设计人员而言，该标准提供了可直接应用的技术指南和参考案例，大大降低了设计工作的技术风险和不确定性。5.2对标准体系的完善作用IECTS62344:2022的发布也是IECTC115标准体系建设的重要里程碑。该标准与IEC62344系列中的其他标准（如HVDC换流站设计标准、HVDC系统性能要求标准等）形成了有机衔接，共同构成了覆盖HVDC输电系统主要组成部分的完整标准体系。这一体系为全球HVDC工程的技术规范化、设备标准化和运行管理科学化奠定了坚实基础。5.3对技术创新的推动作用随着柔性直流输电技术的快速发展和应用推广，HVDC系统的运行方式和控制策略更趋多元化和复杂化。接地电极站面临的新挑战也层出不穷：如柔性直流系统在故障穿越过程中对接地极的暂态电流冲击特性、多端直流电网中接地极的协调运行策略、海上风电柔直送出工程中海洋接地极的环境友好设计等。IECTS62344:2022在编制过程中充分关注了这些新技术发展趋势，在相关条款中预留了技术接口和扩展空间，为后续修订和扩展奠定了基础。六、结论与展望IECTS62344:2022《高压直流（HVDC）链路接地电极站的设计——通用指南》是全球HVDC输电技术领域一项具有里程碑意义的标准文件。该标准系统总结了国际HVDC工程接地电极站设计数十年的工程实践经验，建立了涵盖电气设计、热稳定性分析、安全防护、材料防腐、环境保护等全要素的技术规范框架，填补了该领域国际标准长期缺位的空白。标准的发布对提升全球HVDC工程建设的标准化、规范化和科学化水平具有重要意义。展望未来，随着全球能源互联网建设的深入推进和新型电力系统的加速构建，HVDC输电技术将向更高电压等级（±1100kV及以上）、更大输送容量、更远输电距离以及更广泛的多端组网方向持续发展。在此背景下，接地电极站设计标准也将面临新的挑战和发展机遇。可以预见，IECTS62344将在以下方向持续深化和拓展：一是针对柔性直流输电和混合直流输电系统接地特性的补充完善，特别是针对故障暂态电流和宽频带谐波电流对电极系统的影响分析；二是适应海上风电大规模开发需求的海洋接地电极设计标准