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1、课程内容课程内容第七章第七章 高压直流输高压直流输电电线路线路2024/7/191一、接地极作用一、接地极作用接地极主要作用有：接地极主要作用有： 1 1）钳制中性点电位。如单级金属回线、双极两端不接地、双极一端接地）钳制中性点电位。如单级金属回线、双极两端不接地、双极一端接地 2 2）钳制中性点并提供直流电流通路。单级大地回线、双极两端接地）钳制中性点并提供直流电流通路。单级大地回线、双极两端接地接地极电流：单极运行电流、两极不对称运行电流、两极对称运行电流接地极电流：单极运行电流、两极不对称运行电流、两极对称运行电流2024/7/192二、接地极运行特性二、接地极运行特性 直流输电大地回线
2、方式的优点显而易见，但也会带来负面影响。其主要表现在三方面：电磁效应、热力效应、电化效应。直流电流场会直流电流场会改变改变接地极附近接地极附近大磁场大磁场，可能使依靠大地磁场工作设施受影响。如：，可能使依靠大地磁场工作设施受影响。如：指南针、船上的磁罗盘指南针、船上的磁罗盘大地大地电位升高电位升高，对地下金属管道、铠装电缆、接地电气设备（变压器、电力系统，对地下金属管道、铠装电缆、接地电气设备（变压器、电力系统等）影响，因为这些设备比大地更能提供卸载电流通道。等）影响，因为这些设备比大地更能提供卸载电流通道。极址附近出现极址附近出现跨步电压跨步电压和和接触电势接触电势 与接地极相连的接地引线中
3、的谐波电流产生多频与接地极相连的接地引线中的谐波电流产生多频交变磁场交变磁场可能影响无线通讯可能影响无线通讯对对水生物影响水生物影响。电位梯度达到。电位梯度达到2.5V/M2.5V/M时，鱼类会处于假死状态。时，鱼类会处于假死状态。海水中产生海水中产生氯气氯气，腐蚀金属、橡胶等材料设备，腐蚀金属、橡胶等材料设备，毒死毒死水中生物。水中生物。（1 1）电磁效应）电磁效应 当强大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直流电磁场当强大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直流电磁场并伴随出现大地电位升高、地面跨步电压、接触电势等。并伴随出现大地电位升高、地面跨步电压、接触
4、电势等。2024/7/193（2 2）热力效应）热力效应热力效应由于不同土壤电阻率的热力效应由于不同土壤电阻率的接地极接地极呈现出不同的呈现出不同的电阻率值电阻率值，在直流电流的作用下，电极在直流电流的作用下，电极温度将升高温度将升高。当温度升高到一定程度时，土壤中的水分将可能被蒸发掉，当温度升高到一定程度时，土壤中的水分将可能被蒸发掉，土壤的导土壤的导电性能将会变差电性能将会变差，电极将出现，电极将出现热不稳定热不稳定，严重时将可使土壤烧结成几乎不导电的严重时将可使土壤烧结成几乎不导电的玻璃状体玻璃状体，电极将丧失电极将丧失运行功能。运行功能。 影响电极温升的主要土壤参数有土壤电阻率、热导率
5、、热容率和湿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，对于陆地度等。因此，对于陆地( (含海岸含海岸) )电极，希望极址土壤有良好的导电和导电极，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。中有良好的热稳定性能。2024/7/194 当直流电流通过电解液时，在电极上便产生氧化还原反应；当直流电流通过电解液时，在电极上便产生氧化还原反应；电解液中的电解液中的正离子移向阴极正离子移向阴极，在阴极和电子结合而进行，在阴极和电子结合而进行还原反应
6、还原反应； 负离子移向阳极，在阳极给出电子而进行负离子移向阳极，在阳极给出电子而进行氧化反应氧化反应。 大地中的水和盐类物质相当于电解液，当直流电流通过大地返回时，大地中的水和盐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的一端和电力系统接地上，也同样发生在埋在极址附近的地下金属设施的一端和电力系统接地网上。网上。 此外，此外，在电场的作用下，靠近电极附近土壤中的在电场的作用下，靠近电极附近土壤中的盐类物质可能被盐类物质可能被电
7、解电解，形成自由离子。譬如在沿海地区，土壤中含有丰富的钠盐，形成自由离子。譬如在沿海地区，土壤中含有丰富的钠盐( (NaClNaCl) )，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，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。极的运行性能。（3 3）电化效应）电化效应2024/7/195 依据接地极运行时所表现的待性，并考虑到接地极运行特性和地中电流依据接地极运行时所表现的待性，并考虑到接地极运行特性和地中电流的分布情况，极址一般应具备以下条件：的分布情况，极址一般应具备以下条件：三、对接地极极址的要求三、对接地极极址的要求1 1）和换流站要有
8、一定的距离）和换流站要有一定的距离，通常在，通常在202060km60km之间，不要太近，也不要之间，不要太近，也不要太远。如果距离太近，则换流站接地网易拾起较多的地电流，影响电网太远。如果距离太近，则换流站接地网易拾起较多的地电流，影响电网设备的安全运行和腐蚀接地网；如果距离太远，则会增大线路投资和造设备的安全运行和腐蚀接地网；如果距离太远，则会增大线路投资和造成换流站中性点电位过高。另外，极址对重要的交流变电站也要有足够成换流站中性点电位过高。另外，极址对重要的交流变电站也要有足够的距离，一般应大于的距离，一般应大于lOkmlOkm。2 2）有宽阔并且导电性能良好）有宽阔并且导电性能良好(
9、 (土壤电阻率低土壤电阻率低) )的的大地散流区大地散流区，尤其是在极，尤其是在极址附近范围内，土壤电阻率应在址附近范围内，土壤电阻率应在100100m m以下。这对于降低接地极造价，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十分重要的作用。减少地面跨步电压和保证接地极安全稳定运行起着十分重要的作用。3 3）土壤应有足够的水分）土壤应有足够的水分，即使在大电流长时问运行的情况下，土壤，即使在大电流长时问运行的情况下，土壤也应保持潮湿。表层也应保持潮湿。表层( (靠近电极靠近电极) )的土壤应有较好的热特性的土壤应有较好的热特性( (热导率和热导率和热容率高热容率高
10、) )。接地极尺寸大小住往受到发热控制，所以土壤具有好的。接地极尺寸大小住往受到发热控制，所以土壤具有好的热特性，这对于减少接地电极的尺寸是很有意义的。热特性，这对于减少接地电极的尺寸是很有意义的。2024/7/1964)4)附近无复杂和重要的地下金属设施附近无复杂和重要的地下金属设施，无或尽可能少地具有接地电气无或尽可能少地具有接地电气( (如电力、通信如电力、通信) )设备系统，以免造成地下金属设施被腐蚀或增加防腐蚀措施的困难，避免或减小对接设备系统，以免造成地下金属设施被腐蚀或增加防腐蚀措施的困难，避免或减小对接地电气设备系统带来的不良影响和投资。地电气设备系统带来的不良影响和投资。6)
11、6)接地极引线走线方便，造价低廉接地极引线走线方便，造价低廉。5 5）按地极埋设处的地面应该平坦）按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。运行性能也带来好处。2024/7/197 接地极材料接地极材料是指接地极散流是指接地极散流( (馈电馈电) )材料和活性填充材料。材料和活性填充材料。 接地极散流接地极散流( (馈电馈电) )材料的作用：将电流导人大地；材料的作用：将电流导人大地； 活性填充材料的活性填充材料的主要作用主要作用： 是保护馈电材料，提高接地极的使是保护馈电材料，提高接地极的使用寿命，改善
12、接地极发热特性，一般只用于陆地接地极和海岸接地极。用寿命，改善接地极发热特性，一般只用于陆地接地极和海岸接地极。常用的散流材料有：1）铁（钢） 2）石墨 3）高硅铸铁与高硅珞铁4）铁氧体电极 5）铜四、四、 接地极材料接地极材料2024/7/198 铁铁( (钢钢) )碳钢分为低碳钢碳钢分为低碳钢( (含碳量含碳量0006 6) )三种。三种。 经研究结果表明，碳钢直接放在土壤中的平均电腐蚀率约经研究结果表明，碳钢直接放在土壤中的平均电腐蚀率约9kg9kg(A(A年年) )； 碳钢碳含量低，抗电解腐蚀性能较强，但差别并不十分明显。碳钢碳含量低，抗电解腐蚀性能较强，但差别并不十分明显。 由试验结
13、果表明：放在由试验结果表明：放在焦碳中碳钢焦碳中碳钢电腐蚀明显地低于电腐蚀明显地低于9kg(A9kg(A年年) )，但，但含水量含水量增增加腐蚀率也增加，特别是当地下水中含丰富导电物质如加腐蚀率也增加，特别是当地下水中含丰富导电物质如NaClNaCl、Ca2+Ca2+、M M“等时，等时，则钢棒则钢棒pfpf设焦炭床结构的钢棒电解速率将大大增加。此外，随着含盐量的增设焦炭床结构的钢棒电解速率将大大增加。此外，随着含盐量的增加，碳钢的电解速率也明显增大。加，碳钢的电解速率也明显增大。碳钢在土壤或海水中碳钢在土壤或海水中，其化学腐蚀有以下典型的趋势：，其化学腐蚀有以下典型的趋势：氧气氧气是加速腐蚀
14、的主要是加速腐蚀的主要原因。土壤原因。土壤( (或海水或海水) )中含氧量越高，化学腐蚀速度越快。因为碳钢表面的局部中含氧量越高，化学腐蚀速度越快。因为碳钢表面的局部腐蚀取决于阴极反应，阴极反应的去极化随到达阳极的氧含量的增加而加快腐蚀取决于阴极反应，阴极反应的去极化随到达阳极的氧含量的增加而加快oo碳钢在含氧丰富的海水中电化学腐蚀特别快碳钢在含氧丰富的海水中电化学腐蚀特别快。参考文献介绍了碳钢在含氧丰富。参考文献介绍了碳钢在含氧丰富的海水飞溅区的电化学腐蚀速度是无氧情况下腐蚀速度几十倍，厚度达的海水飞溅区的电化学腐蚀速度是无氧情况下腐蚀速度几十倍，厚度达1 127mm27mm年。这是因为在飞
15、溅区更易获得年。这是因为在飞溅区更易获得O O：。直流接地极阳极附近发生析氧反应，附：。直流接地极阳极附近发生析氧反应，附近的土壤存在着大量氧气，且不断有补充和增加，直至到含氧量饱和析出。因近的土壤存在着大量氧气，且不断有补充和增加，直至到含氧量饱和析出。因此，直流接地阳极除电解腐蚀外，还有严重的电化学腐蚀。此，直流接地阳极除电解腐蚀外，还有严重的电化学腐蚀。1 1铁铁( (钢钢) )碳钢碳钢2024/7/199石墨是惰性材料，是由焦炭在石墨是惰性材料，是由焦炭在2000-24002000-2400烧结而成。石墨分子结构呈晶体结构，烧结而成。石墨分子结构呈晶体结构，其晶体结构中不显示阳离子晶格
16、和流动电子，其共价键非常稳定，在常温电解液其晶体结构中不显示阳离子晶格和流动电子，其共价键非常稳定，在常温电解液中不会发生离子化。其导电和导热性能更接近金属，电解速率很小，适合作直流中不会发生离子化。其导电和导热性能更接近金属，电解速率很小，适合作直流阳极。在早期直流输电工程的海岸和海水接地极中广泛应用。但是由于石墨具有阳极。在早期直流输电工程的海岸和海水接地极中广泛应用。但是由于石墨具有非常松散的层状结构，有明显的多孔性，气体容易渗入石墨的层状结构内，破坏非常松散的层状结构，有明显的多孔性，气体容易渗入石墨的层状结构内，破坏层间较弱的结合使石墨变成疏松的粉状物质而溶解。其溶解速度与析出层间较
17、弱的结合使石墨变成疏松的粉状物质而溶解。其溶解速度与析出O O，量有关，量有关，即与散出电流有关。一般石墨电极都用合成树脂浸渍，使合成树脂在石墨的微孑即与散出电流有关。一般石墨电极都用合成树脂浸渍，使合成树脂在石墨的微孑L L中固化，阻止中固化，阻止0202的侵人。由于阳极析出的侵人。由于阳极析出C1C1：对合成树脂有浸渍破坏作用，破坏其：对合成树脂有浸渍破坏作用，破坏其固化，使石墨点蚀而溶解。所以在海岸和海水环境中，石墨电极的寿命取决于浸固化，使石墨点蚀而溶解。所以在海岸和海水环境中，石墨电极的寿命取决于浸渍剂保护作用时间的长短，因而限制了这种材料的使用。新西兰岸边接地极在运渍剂保护作用时间
18、的长短，因而限制了这种材料的使用。新西兰岸边接地极在运行行9 9年后，用高硅铸铁更换了已损坏的石墨电极。年后，用高硅铸铁更换了已损坏的石墨电极。目前，在阴极保护业中，国内外基本上都用高硅铸铁替代石墨电极，因为高硅铸目前，在阴极保护业中，国内外基本上都用高硅铸铁替代石墨电极，因为高硅铸铁也是一种理想阳极材料，且抗腐蚀性优于石墨电极。铁也是一种理想阳极材料，且抗腐蚀性优于石墨电极。2. 2. 石墨石墨2024/7/1910 高硅铸铁是一种含硅量很高的铁硅合金，作为一种抗腐蚀材料在阴极高硅铸铁是一种含硅量很高的铁硅合金，作为一种抗腐蚀材料在阴极保护业中作辅助阳极材料而广泛地加以应用。自保护业中作辅助
19、阳极材料而广泛地加以应用。自19801980年以来，高硅铸铁在年以来，高硅铸铁在直流接地极工程中也获得了越直流接地极工程中也获得了越来越多的应用。高硅铸铁和高硅铬铁的电极基本成分3 3高硅铸铁与高硅铬铁高硅铸铁与高硅铬铁 高硅铸铁之所以具有较强的抗腐蚀性，是因为铸件表面很容易地氧化成一层致密高硅铸铁之所以具有较强的抗腐蚀性，是因为铸件表面很容易地氧化成一层致密的的Si02Si02薄膜，产生钝化，从而阻碍了腐蚀的进一步发展。高硅铸铁的抗腐蚀能力，随薄膜，产生钝化，从而阻碍了腐蚀的进一步发展。高硅铸铁的抗腐蚀能力，随合金中含硅量的增加而增强，合金中含硅量的增加而增强， 高硅铸铁在有卤铁气体，特别是
20、在有氯气生成的环境中应用时，由于氯气的腐蚀高硅铸铁在有卤铁气体，特别是在有氯气生成的环境中应用时，由于氯气的腐蚀性很强，会浸入破坏致密的性很强，会浸入破坏致密的Si02Si02晶体，使铸铁表面产生坑坑凹凹的点蚀现象，加速了晶体，使铸铁表面产生坑坑凹凹的点蚀现象，加速了高硅铸铁电极的腐蚀且不均匀，这就阻碍了它在海水中或其他一些场合的应用高硅铸铁电极的腐蚀且不均匀，这就阻碍了它在海水中或其他一些场合的应用2024/7/1911 国外近几年研制了新一代电极材料国外近几年研制了新一代电极材料铁氧体电极，并在阴极保护业中得铁氧体电极，并在阴极保护业中得到了推广应用。铁氧体电极基本属于不溶性材料，在海水中
21、的电解速率小于到了推广应用。铁氧体电极基本属于不溶性材料，在海水中的电解速率小于1 1旷旷(A(A年年) )，经实测美国，经实测美国BACBAC铁氧体电极在海水中的电解速率为铁氧体电极在海水中的电解速率为875m(A875m(A年年) )4 4铁氧体电极铁氧体电极 铁氧体电极的腐蚀特性要优于高硅类电极，是电极材料新一代抗腐蚀材料，铁氧体电极的腐蚀特性要优于高硅类电极，是电极材料新一代抗腐蚀材料，并在国外的一些阴极保护工业中得到了应用。国内也有很多研究机构在研制铁氧并在国外的一些阴极保护工业中得到了应用。国内也有很多研究机构在研制铁氧体电极，并已成功地研制出适合作为电极的铁氧体材料，但由于工艺的
22、限制，至体电极，并已成功地研制出适合作为电极的铁氧体材料，但由于工艺的限制，至今国内还没有一家研制成产品。今国内还没有一家研制成产品。5 5铜铜分为红铜、黄铜和青铜。铜铜分为红铜、黄铜和青铜。 但铜的价格却是铁的几十倍，且铜进入土壤后会污染地下水。所以，铜不宜但铜的价格却是铁的几十倍，且铜进入土壤后会污染地下水。所以，铜不宜作接地阳极使用。但是，铜对海水的电化学腐蚀有很好的钝化作用，裸铜作接作接地阳极使用。但是，铜对海水的电化学腐蚀有很好的钝化作用，裸铜作接地阴极是令人满意的。地阴极是令人满意的。2024/7/1912五、接地极设计五、接地极设计接地极分类：接地极分类：1 1）陆地电极）陆地电
23、极 2 2）海洋电极，其中）海洋电极，其中陆地电极敷设方式有水平型和垂直型陆地电极敷设方式有水平型和垂直型2024/7/1913 浅埋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。浅埋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。电阻率低，场地宽阔且地形较平坦的情况。 水平浅埋型最常用的方法是把金属电极埋设在焦炭中而不与土壤接触，如图所水平浅埋型最常用的方法是把金属电极埋设在焦炭中而
24、不与土壤接触，如图所示。即在离地面某一深度示。即在离地面某一深度( (一般为一般为1.5m1.5m左右左右) )处开挖一截面为处开挖一截面为b bb(bb(b一般取一般取0.30.30.6m)0.6m)的正方形沟道，然后在沟道中填入焦炭层并夯实。在焦炭层的中央敷设一条的正方形沟道，然后在沟道中填入焦炭层并夯实。在焦炭层的中央敷设一条钢导体，最后用回填土将沟道填满。焦炭必须捣碎，并有钢导体，最后用回填土将沟道填满。焦炭必须捣碎，并有2020的细屑，其含量应大的细屑，其含量应大于于9292，含硫应小于，含硫应小于1 1，灰份应小于，灰份应小于1 1。 1）陆地水平浅埋型。）陆地水平浅埋型。2024
25、/7/1914 贵广二回直流与云广特高压直流工程共用接地极方案采用直径为940米700米二同心圆环电极布置，电极外环采用直径70毫米的钢棒，埋深4米，内环采用直径60毫米的钢棒，埋深3.5米。钢棒使用焦炭包裹，焦炭断面尺寸外环为1.1米1.1米、内环为0.7米0.7米，焦炭主要起保护、导流作用。同时为了确保电极安全运行，在电极周边设置检测井、渗水井等装置，监测电极温升，土壤温度，电流分布和地面跨步电压等。例：例：图为施工人员在进行土方回填作业图为施工人员在进行土方回填作业 图为施工人员在进行焦炭填充作业图为施工人员在进行焦炭填充作业2024/7/1915井型电极底端埋深一般为数十米，甚至达数百
26、米深，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 550 m。井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。但井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。这种形式接地极存在施工难度大，运行时端点电流密度高和产生的气体不易排出等问题。2）陆地垂直型）陆地垂直型2024/7/19161）海岸电极。海岸电极导电元件必须有支撑物，并设有牢固的围栏式保护设施。 2）海水电极。其导电元件放置在海水中，有专门支撑设施和保护设施。 海岸电极常用一行直线排列的垂直电极。它们分别放在多孔的混凝土管道中，后者又放在由大块砾石或卵石形成的多孔石床中，海水可以通过这些孔自由流动，从而保证所需的接地电阻，带走接地极附近的热量，排去阳极附近产生的氯气和氧气，右图为其示意图。如果海水自然流动得不够快，可建一个水泵系统不停地换水。如果水不流动，则阳极温升和腐蚀会大大增加。3）海洋电极敷设方式）海洋电极敷设方式2024/7/19172024/7/1918
