特高压直流输电－接地极及其线路

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1、第7章 直流输电接地极及线路- 1 -特高压直流输电特高压直流输电7 直流输电接地极及其线路n接地极及其线路是直流输电系统中的一个重要组成部分。在双极运行时，地中无电流，接地极起钳制换流器中性点电位的作用。n在双极不对称方式和单极大地回线方式运行时，不但起着钳制换流器中性点电位的作用，而且还为直流电流提供通路。n当接地极通过电流时，会对周围环境产生影响。7 直流输电接地极及其线路n有关名词术语n 高压直流接地极系统 (简称接地极系统)n在高压直流输电系统中为实现正常运行或故障时以大地或海水作电 流回路运行而专门设计和建造的一组装置的总称，它主要由接地极 、接地极线路和导流系统组成。换流站 直流

2、中 性母线1. 接地极系统2.接地极3. 接地极线路4. 导流线5. 馈流元件6. 馈电电缆7.电缆 跳线7 直流输电接地极及其线路n 接地极 n放置在大地或海中的导电元件的阵列，提供直流电路某一点与大地之间的低电阻通路，具有传输连续电流一定时间的能力。n注1:接地极可安置在与换流站相距一定距离的地点。n注2:安置在海中的电极可称为海水电极。n 接地极线路n连接换流站直流中性母线与接地极的绝缘的线路。7 直流输电接地极及其线路n 导流系统n将接地极线路上的电流引导至接地馈电元件的装置。它由导流线和构架、隔离开关、馈电电缆及其连接件组成。n 馈电元件n放置在接地极活性填充材料中的接地导体。n 馈

3、电电缆n连接导流线和馈电元件的电缆，包括引流电缆和配电电缆。n 电缆跳线n连接馈电元件与馈电元件的电缆。7.1 对接地极的要求n7.1.1 接地极地电流对环境的影晌n直流电流持续地、长时间地流过接地极会产生电磁效应 、热效应和电化效应，对环境产生影响。na. 电磁效应n当强大的直流电流经接地极注入大地时，在极址土壤中 形成一个恒定的直流电流场，并伴随着出现大地电位升 高。对极址附近以及电流通道上的设施(包括地下设施) 和人畜安全带来影响。n(1) 直流电流场会改变接地极附近大地磁场，可能使得依 靠大地磁场工作的设施(如指南针)在极址附近受到影响 ，不能正确工作。7.1 对接地极的要求n(2)

4、大地电位升高，可能会对极址附近地下金属管道、恺装电缆、具有接地系统的电气设施(尤其是电力系统)等产生负面影响。因为这些设施往往能给接地极入地电流提供比土壤更好的泄流通道。如:n位于地电流通道上的两个变压器中性点接地的变电所，它们之间会 有电位差，直流电流将会通过大地、交流输电线路，由一个变电所(变压器中性点)流入，在另一个变电所(变压器中性点)流出。当变压器绕组中有直流电流流过时，由于直流电流的偏磁作用，可能引起变压器铁芯磁饱和，导致变压器噪音增加、损耗增大和温升增高，影响变压器的正常运行。n如果接地极离铁路太近，直流地电流也可能对铁路系统的信号和电气化铁路的供电系统带来影响。7.1 对接地极

5、的要求n(3) 大的入地电流在极址附近地面出现跨步电压和接触电势，可能会影响到人畜安全。因此，为了确保人畜的安全，必须将其控制在安全范围之内。n(4 ) 直流输电工程几乎都是采用12脉动换流器，此换流器除了产生持续的直流电流外，还将产生12, 24, 36.等12倍数的谐波电流。在单极大地回线方式运行时。换流器产生的谐波电流将全部或部分地(当换流站中性点加装电容器或滤波器时)流过接地极引线。这种谐波电流形成的交变磁场，将可能干扰通信信号系统。为减少接地极架空线路上的谐波电流对通信系统的电磁干扰，其最有效的方法之一是使架空线路远离通信线路。7.1 对接地极的要求nb. 热效应n接地极在通过直流电

6、流时，电极温度将升高。当温度升高到一定程度时，土壤中的水分可能被蒸发掉，土壤的导电性能将会变差，电极将出现热不稳定，严重时将可使土壤烧结成几乎不导电的玻璃状体，电极将丧失运行功能。n影响电极温升的主要土壤参数有土壤电阻率、热导率、热容率和湿 度等。因此，对于陆地(含海岸)电极，希望极址土壤有良好的导电和导热性能，有较大的热容系数和足够的湿度，这样才能保证接地极在运行中有良好的热稳定性能。7.1 对接地极的要求nc. 电化效应n当直流电流通过电解液时，在电极上便产生氧化还原反应，电解液中的正离子移向阴极，在阴极和电子结合而进行还原反应。负离子移向阳极，在阳极给出电子而进行氧化反应。大地中的水和盐

7、类物质相当于电解液，当直流电流通过大地返回时，在阳极上产生氧化反应，使电极发生电腐蚀。电腐蚀不仅仅发生在电极上，也同样发生在埋在极址附近的地下金属设施和电力系统接地网上。此外，在电场的作用下，靠近电极附近土壤中的盐类物质可能被电解，形成 自由离子。譬如在沿海地区，土壤中含有丰富的钠盐(NaCI)， 可电解成钠离子和氯离子。这些自由离子在一定的程度上将影响到电极的运行性能。7.1 对接地极的要求n7.1.2 对极址的要求(DL/T 5224 高压直流输电大地返回运行系统 设计技术规定)n为减小和避免接地极对环境的影响，极址一般应具备以下条件：na. 距离换流站要有一定距离，但不宜过远，通常在10

8、50km之间。 如果距离过近，则换流站接地网将通过较多的地电流，影响电网设 备的安全运行和腐蚀接地网。如果距离过远，则会增大线路投资和 造成换流站中性点电位过高。此外，极址对极址对220kV及以上电 压等级的交流变电站直线距离不应小于10km。nb. 接地极址宜选择在远离城市和人口稠密的乡镇，交通方便，没有 洪水冲刷和淹没，接地极线路走线方便的空旷的地带。由于海水电 阻率比陆地土壤电阻率低很多，因此在有条件(如换流站与海岸的距 离小于50km且海洋环境条件允许)的地方，一般宜优先考虑采用海 洋或海岸接地极。7.1 对接地极的要求nc. 有宽阔而又导电性能良好(土壤电阻率低)的大地散流区，特别是

9、在极址附近范围内，土壤电阻率应在100m以下。这对于降低接地极造价，减少地面跨步电压和保证接地极安全稳定运行起着极其重要的作用。nd. 土壤应有足够的水分，即使在大电流长时间运行的情况下，土壤也应保持潮湿。表层(靠近电极)的土壤应有较好的热特性(热导率和热容率高)。接地极尺寸大小往往受到发热控制，因此土壤具有好的热特性，对于减少接地电极的尺寸是很有意义的。ne. 接地极埋设处的地面应该平坦，这不但能给施工和运行带来方便，而且对接地极运行性能也带来好处。nf. 接地极引线走线方便，造价低廉。7.1 对接地极的要求n7.1.3 接地极的技术要求n接地极必须满足系统运行条件、使用寿命、最大允许跨步电

10、压及土壤最大 允许温升的限值要求。n7.1.3.1 系统运行条件n系统运行条件包括接地极的极性、通过接地极的电流大小和时间。n(1) 接地极极性n接地极的极性应满足系统运行和环保要求。直流系统在单极大地回线方式 运行时，接地极的极性一般是一端为正(阳)极，另一端为负(阴)极。对于单 极直流输电工程，这种极性往往是固定不变的。对于双极直流输电工程， 一般由于允许一极先建成投运，极性也是固定的，待双极建成投产后，极 性通常不固定，极性随系统运行需要而变化，它取决于地中电流方向，即 两极电流之差的方向。对于双极直流输电工程在单极大地回线方式运行时 ，其接地极的极性取决于运行极的极性，如在正极运行时，

11、送端换流站接 地极为负(阴)极，受端换流站接地极为正(阳)极，在负极运行时情况正好相 反。7.1 对接地极的要求n(2)通过接地极的电流大小和时间n 正常额定电流。正常额定电流系指直流系统以大地回 线方式运行时，流过接地极的最大正常工作电流，它等 于系统额定电流。对于单极大地回线直流工程，其持续 运行时间与直流系统运行时间相同。对于双极直流工程 ，在额定电流下运行的时间包括：建设初期先建成的一 极以大地回线方式运行的时间，双极投运后，计划停运 和强迫停运一极运行的时间。n 最大过负荷电流。一般直流系统最大过负荷电流为额 定电流的1.1倍，持续时间一般为2h。 7.1 对接地极的要求n 最大短时

12、电流。最大短时电流系指当直流系统发生故障时，流过 接地极的暂态过电流。最大短时过电流一般取正常额定电流的1.5倍左右，持续时间为310秒，其值由系统设计规范确定。n 不平衡电流。不平衡电流系指两极电流之差。对于双极对称运行方式，在理想情况下，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，也有不平衡电流流过，其值可由控制系统自 动控制在额定电流的1%之内。当双极电流不对称运行时，流过接地极的电流为两极运行电流之差，可取两极不对称运行的额定电流之差。7.1 对接地极的要求n7.1.3.2 使用寿命n接地极一般应按一次性建成投产进行设计，其设计寿命应与直流输电 系统换流站相同。如无可靠资

13、料，接地极设计寿命宜不少于30年。n影响接地极使用寿命的主要因素是馈电材料的电腐蚀。根据法拉第电 解作用定律，阳极电腐蚀量不但与材料有关，而且与电流和作用时间 之乘积成正比。因此，接地极的寿命采用以阳极运行的电流与时间之 乘积(安培小时或安培年)来表示。n在计算接地极阳极运行安时数时，应按接地极寿命期内可能出现的各 种单极运行方式计算，即按单极额定运行、一极计划和强迫停运时另 一极运行以及双极不平衡运行时的电流乘时间之和（累积）计算。n按上述方法计算得到的寿命，只是用于设计的预期计算值，而在实际 运行中，往往并不严格按设计时规定的运行方式运行。为了确保接地 极在规定的运行年限里正常运行，在接地

14、极设计时应留一定的裕度。7.1 对接地极的要求7.1.3.3 技术条件 最大允许跨步电位差和最大允许接触电位差 在最大暂态电流下，接地极地面任意点的最大允许跨步 电位差和最大允许接触电位差应满足下式要求：式中:Emy 地面最大允许跨步和接触电位差，V/m; 表层土壤电阻率，.m。 如地面任意点最大跨步电位差不满足上式要求，应采取 隔离措施。7.1 对接地极的要求n 在正常额定电流下，地面转移电势对于通信系统不大于60V。n 对靠近鱼塘的接地极，正常额定电流下，水中任意点的场强不大于1.25V/m。n 在任何情况下，接地极任意点的最高温度必须低于水的沸点。n 接地电极馈电元件宜分成若干段，任意一

15、段退出(检修)或任意一根导流线断开，不影响接地极安全运行。7.2 接地极型式及其布置n7.2 接地极型式及其布置n目前世界上已投入运行的直流工程接地极可分为两类:一类是陆地电极，另一类是海洋电极。陆地电极和海洋电极由于它们面对的极址条件不同，因而其电极布置方式也不相同。n7.2.1 陆地电极n陆地接地极主要是以土壤中电解液作为导电媒质，其敷设方式分为 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，又称井型电极，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、连接容易、无污染的金属或石墨材料，并且周围填充石油焦炭。7.2 接地极型式及其布置

16、n水平埋设型电极埋设深度一般为数米，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运行方便、造价低廉等 优点，特别适用于极址表层土壤电阻率低，场地宽阔且地形较平坦 的情况。n垂直型电极底端埋深一般为数十米，少数达数百米。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550m。垂直型电极最大的优点是占地面积较小，且 由于这种电极可直接将电流导入地层深处，因而对环境的影响较小 。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。这种形式的接地极存在施工难度大，运行 时端部溢流密度高和产生的气体不易排出等问题。此外，由于子电 极之间是相对独立的，显然若将这些子电极连接起来，则无疑会增 加导(流)线接线的难度。 7.2 接地极型式及其布置n7.2.2 海洋电极n海洋电极主要是以海水作为导电媒质。海水是一种导电性比 陆地更好的回流电路，海水电阻率约为0.2m，