摘要：在遠(yuǎn)距離能源輸送方案被廣泛實(shí)施的環(huán)境下，特高壓直流輸電技術(shù)具備的遠(yuǎn)距離、安全穩(wěn)定等特點(diǎn)將使其得到更廣泛應(yīng)用。文章對(duì)直流輸電系統(tǒng)的接地極工程設(shè)計(jì)情況、不同環(huán)境下的限制因素進(jìn)行了綜述，結(jié)合目前中國(guó)直流工程接地極技術(shù)及典型案例，分析了10 GW、6250 A扎魯特—青州直流輸電工程青州換流站選址過(guò)程，以及糯扎渡—江門5 GW、3125 A直流輸電工程普洱換流站垂直接地極本體的選型設(shè)計(jì)過(guò)程。展望未來(lái)全球能源互聯(lián)網(wǎng)特高壓直流輸電技術(shù)實(shí)踐，對(duì)海洋接地極設(shè)計(jì)方案提出了設(shè)想。

關(guān)鍵詞 : 全球能源互聯(lián)網(wǎng);特高壓直流輸電;接地極設(shè)計(jì)

0 引言

隨著清潔能源技術(shù)的發(fā)展，地區(qū)集中產(chǎn)能能力提高，世界能源構(gòu)架逐漸向低碳綠色環(huán)保轉(zhuǎn)型[1]，跨國(guó)跨區(qū)域能源聯(lián)網(wǎng)開始進(jìn)入規(guī)劃實(shí)施的新階段。高壓直流輸電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、穩(wěn)定、低損耗的電能傳輸，滿足電源中心與負(fù)荷中心跨多區(qū)域的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高效傳輸。隨著特高壓直流輸電技術(shù)的成熟運(yùn)用，該技術(shù)可為實(shí)現(xiàn)各地區(qū)能源的互通互聯(lián)提供技術(shù)支撐[1]。

直流接地極是特高壓直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，由接地導(dǎo)體、活性填充材料以及導(dǎo)流系統(tǒng)組成，通過(guò)接地極引線(架空線路或電纜)與換流站相連接[2]。接地極在直流輸電系統(tǒng)中起到鉗制中性點(diǎn)零電位的作用，在單極大地回路運(yùn)行方式時(shí)為直流運(yùn)行電流提供通路，從而有效地提高了系統(tǒng)供電可靠性和可用率[2-5]。高壓直流輸電系統(tǒng)在建設(shè)投運(yùn)初期及年度定期檢修或故障排查期間，均可能采取單極大地回路方式運(yùn)行，此時(shí)直流接地極處有高達(dá)幾千安培的電流通過(guò)。大直流電流持續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間地流過(guò)接地極，會(huì)引發(fā)周圍埋地金屬管道及金屬構(gòu)架電腐蝕、電力系統(tǒng)設(shè)備中性點(diǎn)偏磁電流超標(biāo)等負(fù)面效應(yīng)，嚴(yán)重影響周邊工程或電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行[2-4]。通過(guò)優(yōu)化接地極設(shè)計(jì)方案，最大限度地減小單極大地返回運(yùn)行所產(chǎn)生的負(fù)面影響，已經(jīng)成為直流工程換流站建設(shè)中的重要內(nèi)容。

相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6-9]對(duì)接地極極址、電極形式及布置形狀、電極尺寸、電極材料等方面做出具體要求，其中接地極極址的選取最為重要。在實(shí)際特高壓直流輸電工程建設(shè)中，時(shí)常因換流站周圍環(huán)境條件、地質(zhì)條件復(fù)雜以及地形受限等造成接地極極址無(wú)地可選，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)周邊環(huán)境影響的評(píng)估與建成投運(yùn)的實(shí)際情況偏差較大等情況也時(shí)有發(fā)生。因此，接地極從極址選擇到本體仿真計(jì)算等各環(huán)節(jié)應(yīng)采用因地制宜的設(shè)計(jì)方式，合理選擇接地極極址、線路路徑、電極型式，從而保證輸電大地返回運(yùn)行系統(tǒng)的可靠性，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

本文將結(jié)合實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)原則，通過(guò)接地極設(shè)計(jì)中涉及的幾個(gè)典型技術(shù)案例的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行概括總結(jié)。針對(duì)全球能源互聯(lián)網(wǎng)特高壓直流輸電項(xiàng)目可能面臨的特定條件，展望未來(lái)直流輸電大地返回接地極設(shè)計(jì)思路。

1 接地極設(shè)計(jì)與典型案例

直流輸電接地極設(shè)計(jì)內(nèi)容可分為接地極極址選擇和接地極本體設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

極址選擇是換流站接地極設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在選址時(shí)應(yīng)根據(jù)換流站所在地理位置和附近環(huán)境條件，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證綜合考慮。盡可能減小在使用單極大地回路運(yùn)行時(shí)對(duì)極址附近金屬管道、鎧裝電纜的腐蝕，以及跨步電位差對(duì)人畜安全的影響;對(duì)周邊通信和信號(hào)系統(tǒng)的干擾;對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞等負(fù)面效應(yīng)[10]。

在接地極本體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)條件、極址地形條件及土壤電阻率參數(shù)分布情況，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較確定接地極的布置型式。在極址條件良好且不受約束的情況下，宜選用普通型接地極(水平敷設(shè)的單、雙圓環(huán)型接地極)。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，選址區(qū)域可能處于地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的山區(qū)，或存在極址周圍金屬管線分布復(fù)雜等情況。

1.1 接地極選址

1.1.1 常用選址流程

在接地極極址規(guī)選階段，一般遵循如下工作流程：估算接地極占地→地形圖選址→收資分析→極址電阻率測(cè)量→分析推薦最優(yōu)極址。主要工作包括：

(1)估算接地極占地。規(guī)劃選址前，根據(jù)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程和當(dāng)前工程的系統(tǒng)條件，估算接地極的尺寸或占地面積，建立最小極址場(chǎng)地尺寸概念。

(2)地形圖選址。一般在距離換流站不小于100 km的范圍內(nèi)，先通過(guò)收集分辨率不低于1:20萬(wàn)的地形圖或衛(wèi)片資料，初步判斷可能適合建接地極的區(qū)域，綜合考慮區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)建設(shè)、交通設(shè)施等信息，確定預(yù)選極址。

(3)收集附近電力系統(tǒng)及地下金屬管線等設(shè)施資料。在規(guī)劃選址階段，重點(diǎn)收集預(yù)選極址附近的220 kV及以上等級(jí)的變電站、地下金屬管道路徑走向和規(guī)模，以及鐵路(尤其是電氣化鐵路)的路徑走向等資料。預(yù)選極址應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離這些設(shè)施。

(4)土壤電阻率測(cè)量。對(duì)預(yù)選極址進(jìn)行土壤電阻率的測(cè)量。

(5)分析推薦最優(yōu)極址。根據(jù)土壤電阻率的測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行極環(huán)本體設(shè)計(jì)，評(píng)估接地極本體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo);并根據(jù)收集到的電力系統(tǒng)和管線資料，仿真分析接地極對(duì)周邊設(shè)施的影響情況，推薦條件最優(yōu)極址。

1.1.2 青州換流站接地極選址過(guò)程

扎魯特—青州±800千伏特高壓直流工程，其受端青州換流站位于山東，容量10000 MW，額定電流6250 A，是目前世界上額定電流最大的直流工程之一。此工程需要設(shè)置接地極實(shí)現(xiàn)單極大地返回運(yùn)行方式。

根據(jù)工程報(bào)告，在設(shè)計(jì)選址階段，相關(guān)設(shè)計(jì)單位以換流站為圓心，在30～150 km范圍內(nèi)對(duì)所有可能區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)收資，重點(diǎn)對(duì)鐵路及管線分布情況進(jìn)行了篩查，最后鎖定9塊擬選區(qū)域，如圖1所示。對(duì)9個(gè)區(qū)域逐個(gè)進(jìn)行分析，6、7、8、9區(qū)域位于黃河以北，為盡量避免接地極線路跨越黃河，降低工程造價(jià)，同時(shí)考慮遠(yuǎn)期的換流站合理落點(diǎn)亦在黃河以北，故本工程的接地極優(yōu)先考慮黃河以南區(qū)域。

圖1 30～150 km擬選極址區(qū)域分布圖

Fig. 1 Potential geographical area for grounding pole system between 30 km and 150 km

確定區(qū)域后進(jìn)一步選址，由于南部區(qū)域管線分布依舊較為密集，因此優(yōu)先考慮極址盡量遠(yuǎn)于管線10 km以上。進(jìn)行詳細(xì)篩選后，鎖定了2個(gè)備選極址。其中物理?xiàng)l件最好的備選位置(東側(cè))周圍有4條主要管線，最近距離接地極9.7 km，因此向管道部門征求了詳細(xì)的意見并尋求專業(yè)部門進(jìn)行了防腐措施評(píng)估后，確定該位置為最終的極址位置。

1.2 接地極本體設(shè)計(jì)

1.2.1 常用極環(huán)類型

極環(huán)本體設(shè)計(jì)主要包含接地極型式及埋設(shè)方式、饋電棒材料、接地極本體及導(dǎo)流系統(tǒng)布置方案等內(nèi)容。下面主要討論接地極型式及埋設(shè)方式的選擇。

接地極一般采用水平淺埋型接地極 [4,7]或垂直型接地極埋設(shè)方式[11]。

(1)水平淺埋型接地極。

水平淺埋型接地極是現(xiàn)階段直流工程接地極本體的主要型式。所選極址場(chǎng)地開闊且高差較小時(shí)，一般采用水平布置。在條件寬松的情況下，通常采用單圓環(huán)電極設(shè)計(jì)，此方案情況下圓環(huán)上溢流密度均相等，利于地表跨步電壓的均勻分布。

在實(shí)際工程中，單圓環(huán)形電極設(shè)計(jì)往往受到地形條件的限制，為滿足接地極設(shè)計(jì)的技術(shù)條件可適當(dāng)增加圓環(huán)數(shù)。增加圓環(huán)數(shù)能有效降低跨步電位差和接地電阻，但效果隨著極環(huán)數(shù)逐漸降低，過(guò)多地增加圓環(huán)數(shù)量不經(jīng)濟(jì)，通常宜為2個(gè)圓環(huán)，一般不超過(guò)3個(gè)圓環(huán)。在多圓環(huán)型接地極設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮單個(gè)圓環(huán)的相對(duì)半徑，以使得接地極發(fā)揮最大效應(yīng)。研究和實(shí)踐表明[12-13]，雙環(huán)的內(nèi)外圓環(huán)直徑之比(內(nèi)環(huán)直徑表示為d，外環(huán)直徑表示為D)為0.75(0.65～0.85)時(shí)，可獲得最小的接地電阻和溢流密度分布偏差系數(shù)[12-13]。如果內(nèi)環(huán)過(guò)小(d/D→0)，內(nèi)環(huán)發(fā)揮不了作用;反之，如果內(nèi)環(huán)過(guò)大(d/D→1)，容易受外環(huán)的屏蔽影響，內(nèi)環(huán)同樣發(fā)揮不了作用，類似于變成單環(huán)[12-13]。

在場(chǎng)地受到限制而不能采用圓環(huán)形電極的情況下，可采用橢圓型、跑道型等不規(guī)則敷設(shè)方式。應(yīng)盡可能使電極布置得圓滑，減小圓弧的曲率。

(2)垂直型接地極。

接地極垂直埋設(shè)對(duì)極址地形地貌要求較寬松。由于垂直型接地極各子電極是相對(duì)獨(dú)立的，因此允許極址地面高差大一些。此外，垂直型接地極可大幅度降低跨步電位差，從而降低對(duì)極址場(chǎng)地的面積要求。

對(duì)于垂直型接地極的平面布置形狀，理論上多根子電極可以在平面上任意布置。為獲得優(yōu)良的技術(shù)特性并最大限度降低工程造價(jià)，每根子電極承載大致相同的入地電流是選擇垂直型接地極平面布置時(shí)追求的目標(biāo)。選擇垂直型接地極平面布置形狀時(shí)，不僅需考察地形地貌，還應(yīng)充分考慮地下的地質(zhì)條件，避免將子電極置于不適合的巖石中。

雖然接地極的垂直埋地敷設(shè)能有效減小直流工程返回系統(tǒng)對(duì)地形環(huán)境的限制，但使用這種接地極埋設(shè)方式也將帶來(lái)溢流密度分布不均、接地極體端部發(fā)熱較嚴(yán)重[14]、端部電腐蝕較嚴(yán)重、設(shè)備排氣較困難等問(wèn)題[6]。

鑒于以上接地極的優(yōu)缺點(diǎn)，在場(chǎng)地允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇單圓型布置，其次是多個(gè)同心圓環(huán)型布置。在設(shè)計(jì)中采用垂直型接地極時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注垂直型接地極的適用環(huán)境或條件，揚(yáng)長(zhǎng)避短。

1.2.2 普洱換流站垂直接地極應(yīng)用

糯扎渡送電廣東±800 kV 特高壓直流輸電工程，容量5000 MW，額定電流3125 A。起于云南普洱換流站，止于廣東江門換流站，普洱換流站為送端，單極大地額定電流持續(xù)運(yùn)行時(shí)間按3天考慮。普洱換流站極址土壤分層電阻率情況如表1[11] 所示。

表1 普洱換流站接地極極址土壤分層電阻率

Table 1 Layered soil resistivity of Pu’er converter station earth electrode

普洱換流站接地極所選推薦極址有效避開了鐵路、埋地電纜以及水管等金屬管線，遠(yuǎn)離換流站等具有電氣接地線路的基礎(chǔ)設(shè)施。此工程的主要制約條件是表層土壤電阻率波動(dòng)范圍大，極址地處山區(qū)，地形起伏較大，相對(duì)平坦區(qū)域小。由表1可知，極址地表土壤電阻率較大，且分布不均。為了保證接地極運(yùn)行的安全性，應(yīng)對(duì)不同地表土壤電阻率情況進(jìn)行跨步電壓計(jì)算校驗(yàn)

(1)接地極水平設(shè)計(jì)方案。

接地極跨步電壓受極環(huán)大小和埋深的影響，對(duì)于水平淺埋型接地極，增加極環(huán)的埋深可以起到降低極址跨步電壓的作用[15-16]。然而增大極環(huán)埋深會(huì)大幅增加施工的難度和工程量，因此水平淺埋型接地極的埋深一般不超過(guò)5 m。此案例中，在推薦極址范圍內(nèi)，根據(jù)極址的地形特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)單圓環(huán)方案、依地形布置的不規(guī)則單環(huán)方案以及不規(guī)則雙環(huán)方案[6]，埋深按5 m設(shè)置。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]中的計(jì)算結(jié)果繪制方案對(duì)比圖，見圖2。

圖2 各接地極方案跨步電壓計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

Fig. 2 Step-voltage comparison diagram among different schemes

由圖2可知， 3種水平型接地極設(shè)計(jì)方案，在土壤電阻率在0～2000 Ω˙m范圍內(nèi)，在極址面積受嚴(yán)格限制條件下，單圓環(huán)方案、不規(guī)則單圓環(huán)方案、不規(guī)則雙圓環(huán)方案下的跨步電壓逐級(jí)減小。跨步電壓計(jì)算值最小的不規(guī)則雙環(huán)型接地極設(shè)計(jì)方案，在表層土壤電阻率小于800 Ω˙m的情況下，接地極的跨步電壓就超過(guò)其控制值。而推薦極址表層土壤電阻率受天氣影響較大，在100～2000 Ω˙m范圍內(nèi)波動(dòng)。因此，水平型接地極設(shè)計(jì)方案不能滿足跨步電壓的設(shè)計(jì)要求。