IEC TS 623442022 RLV 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一般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进程加速，高压直流（HVDC）输电技术凭借其在大容量、远距离电能传输及新能源并网方面的显著优势，已成为现代电力系统的重要组成部分。接地电极站作为HVDC输电系统的关键配套设施，承担着为单极大地回线运行方式提供电流通路、保障系统安全稳定运行的重要功能，其设计质量直接关系着输电系统的可靠性、安全性及周边生态环境的可持续性。国际电工委员会（IEC）于2022年5月正式发布IECTS62344:2022RLV《高压直流（HVDC）链路接地电极站的设计——一般指南》，该技术规范在系统总结各国HVDC工程实践经验基础上，全面规定了接地电极站的设计原则、技术要求和评估方法，填补了国际层面针对该领域系统性技术指导文件的空白。本报告在系统梳理国内外相关技术标准体系的基础上，对IECTS62344:2022RLV的编制背景、技术框架、核心内容及主要参与单位进行深入分析和介绍，并结合当前行业发展趋势对该标准的应用前景进行展望。该标准的发布实施对于推动全球HVDC输电工程建设的规范化、标准化发展具有重要意义，可为我国相关国家和行业标准的制修订提供重要技术参考。关键词：高压直流输电；接地电极站；IEC技术规范；标准化；设计指南；单极大地回线；电极设计；国际电工委员会一、引言1.1研究背景在全球应对气候变化、推动绿色低碳发展的大背景下，可再生能源的大规模开发利用已成为各国能源战略的核心方向。然而，风电、光伏等新能源发电资源与负荷中心往往呈现逆向分布特征——大型能源基地多位于偏远地区，而电力消费中心则集中于经济发达的城市群，这一格局对电能的远距离、大容量传输提出了迫切需求。高压直流（HighVoltageDirectCurrent,HVDC）输电技术凭借其输电距离远、输送容量大、线路损耗低、调节响应快等技术优势，已成为解决这一矛盾的关键技术路径。截至2022年底，全球已投运及在建的HVDC输电工程超过200项，输送容量累计超过300GW。中国作为全球HVDC输电技术应用最为广泛的国家，已建成投运数十项HVDC工程，其中不乏±800kV、±1100kV等特高压直流输电工程，累计输电能力位居世界首位。在欧洲，以北海海上风电送出为背景的多端柔性直流电网正在加速建设；在南美洲，巴西美丽山±800kV直流输电工程实现了亚马孙清洁水电的远距离外送。HVDC输电技术正以前所未有的速度在全球范围内推广应用。1.2接地电极站在HVDC系统中的作用与地位在HVDC输电系统中，换流站是交流-直流转换的核心枢纽，而接地电极站则是保障系统中性点电位稳定、提供不平衡电流通路的关键设施。在单极大地回线运行方式下，接地电极站通过大地构成直流电流的返回通路，使系统能够在单极故障或检修工况下保持另一极的持续运行，从而显著提高系统可用率与运行灵活性。以中国已投运的多个特高压直流工程为例，单极大地回线方式下的额定电流可达数千安培，接地电极站需长期承受极高的入地电流。与此同时，接地电极站的设计和运行也面临一系列复杂的技术挑战。电热效应方面，大电流长时间流经接地极会导致土壤温度显著升高，当温度超过一定阈值（一般认为是90℃~100℃）时，土壤中的水分将急剧蒸发，土壤电阻率呈指数级上升，进而引发热不稳定甚至热崩溃现象，严重时可能导致接地极系统完全失效。电解产物方面，直流电流流经接地极与土壤界面时将引发电化学反应，产生氢气和氯气等气体，不仅会改变电极周围土壤的理化特性，还可能对电极材料造成电化学腐蚀，缩短电极使用寿命。地表电位梯度方面，靠近接地极的地表区域将形成较高的电位梯度，对人身安全、地下金属管线、通信电缆等构成威胁。此外，接地极的选址还涉及土地资源、环境敏感区、公众接受度等多方面因素的综合考量。1.3标准编制的必要性与紧迫性尽管HVDC输电技术已历经数十年发展，但在IECTS62344发布之前，国际上一直缺乏一部专门针对接地电极站设计的系统性技术规范。各国和各电力公司主要依据各自的工程经验和企业标准进行设计，导致不同工程在电极型式选择、热稳定性校核方法、安全防护指标等方面存在显著差异。随着HVDC工程的跨国跨区域互联趋势不断增强，建立统一的技术规范已成为行业内的共同呼声。在此背景下，国际电工委员会第115技术委员会（IECTC115）——高压直流输电技术委员会，组织国际权威专家启动了IECTS62344的编制工作。该技术规范旨在总结全球HVDC接地电极站设计和运行经验，建立一套科学、系统、通用的设计指南，为工程设计人员、运维管理人员和标准化工作者提供全面技术参考。二、标准概述2.1标准基本信息IECTS62344:2022RLV《高压直流（HVDC）链路接地电极站的设计——一般指南》由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）下属第115技术委员会（IECTC115）组织编制，于2022年5月16日正式发布。该标准为技术规范（TechnicalSpecification,TS）类型，并采用RLV（RedlineVersion）版本形式发布，即在同一文档中同时呈现标准第一版与现行版本的对照内容，便于使用者清晰识别技术条款的修订变化，追踪技术要求的发展脉络。标准原文以英语编写，分类号为“其他有关输电网和配电网的设备”。2.2标准定位与适用范围IECTS62344:2022RLV定位于HVDC接地电极站设计领域的基础性通用技术规范，其适用范围覆盖以下工程类型：-传统电网换相换流器型HVDC系统（LCC-HVDC）；-电压源换流器型HVDC系统（VSC-HVDC）；-采用单极大地回线或单极金属回线运行方式的HVDC系统；-双极HVDC系统中需要单极大地回线暂时运行方式的工程。该标准的适用对象包括：HVDC系统中用于正常或故障工况下通过大地构成直流电流回路的电极站；兼作接地极与阳极或阴极运行功能的电极站；与换流站中性和接地系统相连的电极站。标准涵盖接地电极站设计的所有核心环节，包括基本设计条件确定、电极型式选择、热稳定性分析、安全防护设计、环境影响的减缓措施、监测系统配置以及试验验收要求等。三、标准核心内容解析3.1总体设计原则IECTS62344:2022RLV确立了接地电极站设计的五项核心原则：第一，安全优先原则。电极站设计必须将人身安全置于首位，确保在所有运行工况下地表电位梯度、接触电压和跨步电压均控制在安全限值以内。第二，可靠性原则。电极站应具备足够的热容量和长期运行稳定性，确保在规定的运行年限内不出现热失控、严重腐蚀等可能导致功能丧失的失效模式。第三，环境友好原则。电极站的建设和运行必须将对周边生态环境的影响降到最低，包括土壤温度影响、电解产物排放、电磁场影响等。第四，经济合理性原则。在满足技术和安全要求的前提下，应优化设计方案，合理控制工程造价和运维成本。第五，全生命周期管理原则。设计应充分考虑施工、运行、检修和退役全过程的可行性和便利性。3.2土壤电阻率测量与建模土壤电阻率是接地电极站设计的核心基础参数，其准确性直接决定电极尺寸、埋设深度和布置方案的合理性。标准要求在选址阶段开展系统的土壤电阻率勘测，建立场地土壤分层结构模型。在测量方法方面，标准推荐采用温纳四极法（Wennermethod）或施伦贝格法（Schlumbergermethod）进行垂直向土壤电阻率探测。测量点位的布设应覆盖电极站预定区域及其周围一定范围，推荐网格间距不大于50m。对于海水电极或沿海地区电极站，还需开展海水电阻率测量。在数据建模方面，标准要求将勘测数据反演为水平分层土壤模型，一般要求建立不少于三层（表层、中层、深层）的土壤结构模型。对于土壤电阻率沿水平方向变化明显的场地，应建立水平分块或连续变化模型。3.3接地电极型式选择标准系统梳理了当前工程实践中应用的主要接地电极型式，包括：（1）陆地浅层水平电极。包括水平直线形、环形、星形等布置形式，采用浅沟埋设（一般埋深1.5m~3m），适用于土壤电阻率较低、表层土壤导电性能良好的场地。这种型式的优点是施工简便、造价较低、便于检测维护；缺点是占用土地面积较大，对地表电位分布控制能力有限。推荐电流密度一般为0.5A/m²~1.5A/m²。（2）陆地深层垂直电极。采用钻孔方式将电极安装于地下数十米至数百米的深层土壤或岩层中，适用于表层土壤电阻率高、深层存在良好导电层的场地。这种型式的优点是占用土地面积小，地表电位梯度较低，对地表生态环境影响小；缺点是施工复杂、造价高、后期检测维护困难。（3）海岸/近海电极。利用海水的高导电性将电极布置于海岸线附近或近海区域，适用于换流站邻近海洋的工程条件。这种型式的优点是电极散流能力极强，地表电位梯度极低，热稳定性好；缺点是受海洋环境腐蚀影响大，需要特殊的防腐措施，且可能对海洋生态环境产生潜在影响。标准同时要求根据工程的具体条件——包括输送容量、运行方式、进出线布局、场地条件、环境约束、投资水平等因素进行技术经济综合比选，确定最优电极型式。3.4电极热稳定性分析热稳定性分析是接地电极站设计的核心内容，直接关系到电极的长期运行安全和寿命。标准建立了系统的热稳定性分析框架，包括：稳态热分析。基于额定持续电流和土壤初始温度，采用解析方法或数值计算方法（有限元法、有限差分法等）计算电极周围土壤的温度场分布。要求在最不利工况下，电极表面温度不超过水的沸点（100℃），推荐土壤温度不超过90℃以保证长期运行的安全性。瞬态热分析。模拟电流阶跃上升或周期性负荷条件下电极周围土壤温度的动态变化过程，评估土壤热容对温度上升的缓冲作用。热时间常数与间歇运行能力。计算电极系统的热时间常数，评估短时过负荷和间歇运行工况下电极的允许过载能力。土壤脱水效应评估。当电极表面温度超过约60℃~70℃时，土壤中水分开始向远离电极方向迁移，导致电极附近土壤电阻率上升、温度进一步升高的正反馈效应。标准要求评估这一热-湿耦合过程，确保在极端条件下不出现热崩溃。3.5安全防护设计安全防护设计是接地电极站设计的重中之重。标准从以下维度对安全防护提出了系统要求：接触电压与跨步电压。标准规定，接地电极站在正常和故障运行工况下的地表接触电压和跨步电压均应满足IEC60479系列标准规定的安全限值要求。对于持续时间较短（≤3s）的故障电流，允许值可适当放宽。接地极围栏与警示标志。对于可能产生危险电位梯度的电极区域，应设置物理围栏和安全警示标志，限制无关人员进入。地下金属设施防护。电极站周边的地下金属管道、电缆金属护套等设施在直流入地电流作用下可能发生电化学腐蚀。标准要求对影响范围内的地下金属设施进行专项评估，必要时采取阴极保护、绝缘隔离或迁改措施。通信与信号系统防护。直流入地电流产生的电位升高可能对周边通信系统、铁路信号系统等产生干扰影响。标准要求开展电磁兼容性评估并制定相应的防护措施。3.6监测系统标准要求接地电极站配置完善的监测系统，以实时掌握电极运行状态并及时发现潜在异常。核心监测内容包括：-电极电流（各分支电流分配监测）；-电极电位与地表电位分布；-电极温度与土壤温度监测；-土壤含水量监测（可选）；-接地电阻在线监测。监测系统应具备就地显示、数据远传和异常报警功能，运行数据应接入换流站监控系统。四、主要参与编制单位介绍4.1IECTC115技术委员会IECTS62344:2022RLV由国际电工委员会第115技术委员会（IECTC115）组织编制。该技术委员会成立于2006年，是国际电工委员会中专门负责高压直流输电技术标准化的专业技术委员会，其工作范围涵盖HVDC输电系统的设计、建设、运行和维护等全生命周期各环节的标准化工作。4.2中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司（以下简称“中南电力设计院”）成立于1954年，隶属于中国能源建设集团有限公司，是中国电力工程咨询与设计领域的核心骨干企业，拥有工程设计综合甲级资质。在HVDC领域，中南电力设计院具有深厚的工程积累和突出的技术优势，先后承担了中国多条特高压直流输电工程的接地极设计任务。其中具有代表性的工程包括：向家坝—上海±800kV特高压直流输电工程复龙换流站接地极设计、溪洛渡—浙西±800kV特高压直流输电工程接地极设计、灵州—绍兴±800kV特高压直流输电工程接地极设计、酒泉—湖南±800kV特高压直流输电工程接地极设计等。这些工程分布于中国不同地理区域，涵盖了从高土壤电阻率的西北干旱地区到低土壤电阻率的华中水网地区等多种复杂地质条件，积累了极为丰富的工程实践经验。在标准化工作方面，中南电力设计院深度参与了多项国家和行业标准的编制工作，是《高压直流输电接地极设计导则》等行业标准的主要起草单位之一。在IECTS62344编制过程中，中南电力设计院的资深技术专家作为工作组成员全程参与讨论，重点在陆地深层垂直电极设计、热稳定性分析方法、监测系统配置方案等方面贡献了中国工程的成功经验和技术创新成果。五、标准技术特征与发展趋势5.1与传统方法的对比分析与传统基于简化假设的经验设计方法相比，IECTS62344:2022RLV在以下方面实现了显著技术提升：设计基础数据的系统性。标准强调了高密度土壤电阻率勘测和多层土壤模型建模的重要性，大幅提高了设计计算的输入精度。分析方法的多维度性。将稳态热分析、瞬态热分析和热-湿耦合效应评估纳入统一框架，实现了从静态校核向全域动态评估的跨越。安全指标的完整性。将接触电压/跨步电压要求、环境影响评估、电磁干扰防护等纳入强制考虑范畴，形成了覆盖全要素的安全保障体系。5.2柔性直流输电的适配性随着柔性直流输电（VSC-HVDC）技术的大规模工程应用，接地电极站面临新的技术挑战。在VSC-HVDC系统中，由于换流器拓扑和控制策略的特点，单极大地回线运行方式下的电流特性与传统LCC-HVDC系统存在显著差异，包括谐波分量更丰富、故障电流上升速率更快等。IECTS62344:2022RLV在编制过程中充分考虑了VSC技术对电极站设计的新要求，在暂态电流分析、电极材料选择和监测系统配置等方面纳入了对VSC系统的适配性要求。5.3标准未来发展方向展望未来，IECTS62344的后续修订工作预计将在以下方向持续深化：-数值仿真技术的深度应用，包括三维多物理场耦合仿真、人工智能辅助设计优化等；-新型电极材料和防腐技术的标准化；-与新能源大规模并网和新型电力系统构建相关的多端直流系统接地技术；-电极站全生命周期数字化管理技术要求。六、结论与展望IECTS62344:2022RLV《高压直流（HVDC）链路接地电极站的设计——一般指南》的正式发布是国际HVDC输电技术标准化进程中一项具有里程碑意义的重要成果。该标准首次在国际层面建立了系统、全面的HVDC接地电极站设计技术准则，涵盖土壤勘测建模、电极型式选择、热稳定性分析、安全防护设计、环境影响控制和监测系统配置等全部核心环节，体现了IECTC115汇集全球工程智慧、推动技术规范统一的卓越成就。标准所确立的“安全优先、可靠性保障、环境友好、经济合理、全生命周期管理”的顶层设计原则，以及将稳态热分析、瞬态热分析、热-湿耦合效应评估纳入统一框架的系统化分析方法，代表了当前该技术领域国际先进水平，对未来HVDC接地电极站的设计实践和技术发展具有重要的引领作用。对于我国而言，I