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高压直流输电系统共用接地极运行特性分析

摘要：近年来，随着高压（特高压）直流输电技术的迅速发展，越来越多新建直流输电工程选择共用接地极的方式。在实际工程中，高压直流输电系统共用接地极在检修时可能出现的一些问题，本文主要针对高压直流输电的特点，分析共用接地极检修过程中的电位及入地电流问题，根据分析结论提出相应的检修策略。
关键词：高压直流输电；共用接地极；运行特性
引言
接地极作为高压直流输电系统中必不可少的组成部分，当系统运行于单极大地运行方式或双极不平衡运行方式时为系统双极间不平衡电流流通提供通路，其主要构成设备有接地极线路、阻波器件、隔离开关、接地体、馈电电缆、监测设备等。为实现良好的接地性能，接地极的选址要求较高且需具有足够的占地面积。从我国的直流系统分布上可看出，直流系统建设主要目的是为新能源的远距离外送提供通道，其送端多数位于地质条件恶劣的山地，受端多数位于人口密集的城市地区，工程建设过程中接地极选址存在着较大的困难。随着直流系统数量增加，共用接地极方案优势明显急剧凸显，具有广阔的前景。多个直流系统共用接地极能有效解决接地极选址困难问题，但由于多个直流系统会通过共用接地极耦合，其运行特性会相互影响，需对共用接地极下的系统运行方式及相互间影响特性进行分析。
1共用接地级存在的问题
共用接地极接地故障电流有可能使接地点电位升高而危及共用接地的相关系统、设备及建筑，接地电流引起的电位增高就会波及到共用接地的所有设备。为此,在选取共用接地的地点,需要从共用接地极电位升高以及入地电流的性质这两方面综合分析共用接地可能存在的问题，即共用接地极是否会给设备或系统造成干扰。一般应考虑单极运行、计划停运、不平衡电流等因素。为了确保接地极在规定的运行年限里正常运行，在接地极设计时应留有一定的裕度。
2共用接地极的接线方式
共乐接地极是溪浙特高压直流的宜宾换流站和复奉特高压直流的复龙换流站共用的，它的2条接地极线路直接通过各自的阻波器接入接地极，接地极与阻波器间不配置隔离开关；青台接地极是龙政直流龙泉换流站和林枫直流团林换流站共用的，它的2条接地极线路直接通过各自的阻波器接入接地极，接地极与阻波器间配置隔离开关；燎原接地极是葛南直流的南桥换流站和林枫直流的枫泾换流站共用的，它仅一条接地极线路通过阻波器接入接地极，另一条接地极线路直接接入接地极，接地极线路与接地极间配置隔离开关。
3共用接地极检修过程中入地电流的分析
高压直流输电系统中，共用接地极也需要根据实际情况来对其进行检修，这种检修可能是临时性的抽检，也可能是定期的检修保养。对于两个直流输电系统采用共用接地极时，当其中一个直流系统正常工作运行，而另外一个处于检修状态时，可能会因为发生故障而导致正常运行的系统发生不平衡运行，或者是出现单极大地回线运行，此时就会与正在检修的接地极线路构成一个回路，进而会对于检修人员产生相应的安全隐患。下面以两个直流系统共用同一个接地极为例进行分析。根据图1等效电路可以计算出流过处于检修状态的接地极线路下的高压直流电流和流过换流变中性点的直流电流。图中的Ig表示直流输电系统的入地电流，R1为极址处检修接地等效电阻，R2为处于检修状态的接地极线路电阻，R3为交流系统以及换流变等效电阻，R4为直流系统2中性线出线侧检修接地等效电阻，R5为正常情况下共用接地极电阻，I1表示处于检修状态接地极线路所流过的电流，I2为正常工作下共用接地极所流过的电流，I3为流过换流变中性点总电流，I4为流过直流系统2中性线出线侧检修接地等效电阻的电流。

图1接地极等效电路图
处于检修状态接地极线路所流过的电流I1，如式所示：

流过换流变中性点总电流I3，如式所示：

由上式可以看出，共用接地极的检修情况根据流过电流情况的不同，其所对应的电流的分布情况也是有所不同的。检修处到接地极之间经过检修接地部分和换流变压器与交流运行系统可等效看作一个电阻，该等效电阻的阻值大小与检修处到接地极之间的距离成正比。二者距离越远，等效电阻阻值越大，反之二者距离越近，等效电阻阻值越小。并且，这个等效电阻与实际的接地位置、土壤状况等因素均有关，因此，在实际工作中，该等效电阻准确数值是难以确定的。
此外，换流变的中性点与站内的接地网相连，因此入地电流所分流的直流电流通过该路径进入相应的交流线路之中，再根据大地电位较低的变电站的中性点重新流入大地。流经检修接地极线路的电流，一个等效流通路径为两站之间大地间电阻，该电阻的阻值较大，受等值交流变电站接地点的变化影响较小；另一个等效流通路径为换流变中性点交流线路电阻，相对较小，受交流系统运行方式变化影响较大，所以只能通过试验测量出流经换流变压器中性点的电流，进一步估算对于换流变压器的影响。
在实际的工作运行场合，针对共用接地极临时性的检修，会出现入地电流直接被正在检修的接地极线路引入到直流系统中，由于直流系统与换流变压器的中性点直接连接在一起，这就会使得换流变压器出现直流偏磁的现象，变压器的直流偏磁出现会导致其励磁电流的幅值与相位发生变化，首先会使得变压器损耗增加，包括铁损耗和铜损耗。系统中变压器一般采用的为YNd与YNdyn接线方式，即使谐波分量存在于励磁电流中，变压器主磁通依然为正弦波，所以在变压器绕组中的直流电流对于铁心中的磁滞损耗和涡流损耗不会有太多的影响。但是由于励磁电流达到了磁化曲线的饱和区域，使得变压器的漏磁大大增大，漏磁的增大会引起附加损耗的增大。对于大型变压器而言，其附加损耗与铁损耗差距不大，甚至会多于铁损耗，这就表示若变压器中的直流量增加，其附加损耗也会相应增加。除此之外，直流电流的存在会使得变压器的励磁电流大幅增大，所以对于变压器的铜损耗也会有大幅度的增加。另外，当变压器绕组中流入直流电流时，使得励磁电流显著增多，当直流电流达到励磁电流额定值的4倍时，对于单相变压器而言，此时变压器的噪声会提高20dB，并且，变压器发生直流偏磁现象会增加了谐波的成分，进而使得变压器的噪声频率发生改变，当变压器的内部结构部件与噪声频率达到同一频率时，就会发生共振，令变压器的噪声进一步增大。若这种现象未能及时处理将会使得变压器的保护装置动作。而对于接地极定期的检修和保养情况下，工作人员会令检修部分处于停止工作的状态，这样就会将检修部分与运行系统出现一个电气方面的隔离，此时便不会出现等效电阻换流变压器与交流运行系统的部分，故等效电阻阻值减小，若想减小入地电流，便要适当的将接地极的等效电阻阻值增加。
4共用接地极方案优缺点评价
对系统稳态运行的优缺点：正常运行情况下直流系统运行于双极平衡运行方式，此种工况下直流系统采用共用接地极与独立接地极并无区别，系统的稳态运行特性是一致的。对于多个直流系统（以3个为例），若3个直流系统中有1个或两个处于单极大地回线运行方式或双极不平衡运行方式，不平衡电流流经接地极会引起系统的中性点电位出现偏移。对于整流侧而言，线路到中性点的电压会偏离额定电压；对于逆变侧而言，线路对地额定电压将会偏离额定值，因此可通过限制中性点电压的偏移值将电压限制在线路长期运行电压的最高值范围内。对直流控保系统的优缺点：同样以3个直流系统为例，若3个直流系统中2个处于单极大地回线运行方式或双极不平衡运行方式且极性相反时，采用共用接地极方案就凸显出其优点，可降低接地极流入大地的直流电流值。高压直流输电系统的控制系统具有可灵活调节的优点，若系统当前的运行方式下接地极的入地电流过大，此时可在三个系统间进行功率协调，补偿接地极处的电流。如，假设处于双极平衡的系统当前处于欠负荷运行状态，此时可调节该系统双极的功率输出，使其处于不平衡运行状态，其不平衡电流可用于补偿其他系统单极大地回线运行时的入地电流。从系统保护方面看，采用共用接地极方案后多个系统的中性点相同，若系统中一条线路故障将引起整个直流系统中性点电压波动，可能会对非故障系统产生不利影响。
经济性分析：采用共用接地极方案降低了接地极的数量，但对共用接地极的最大通流能力有了更高的要求。同时共用接地极在选址、工程建设方面也具有更为严格的要求，其整理建设造价需进一步分析对比，在接地极选址困难较大时具有更为明显的优势。
5防腐层剥离风险的评价
相关研究表明，对于管道来说，当管地电位负于–1.2V（vs.CSE）时，会发生剧烈的析氢反应，在管道附近的土壤产生大量的OH–，引起防腐层的剥离、起泡等。对于直流输电系统双极运行工况，需要按照–1.2V（vs.CSE）进行控制。对于单极大地运行情况，由于其干扰时间较短，OH–富集程度和其对防腐层的作用时间都比较短，因此可能与稳态情况有所不同。目前对于间歇性干扰下防腐层剥离性能相关研究还比较匮乏，导致高压直流干扰下的防腐层剥离风险评价还存在空白。笔者认为，开展防腐层剥离风险研究时，不仅要考虑高压直流干扰发生时段阴极电流对剥离性能的影响，还应该结合无干扰时土壤中OH–的扩散速率以及二次干扰是否有累积损伤等开展更加细致的研究工作。
结语
对于直流系统中采用共用接地极的方式，虽然能够很好的解决接地极项目的投资以及减少资源的利用，但这种方式下的检修与维护却有一定的难度。通过对接地极附近电位以及对入地电流的分析，得出的结论如下：（1）检修人员对接地极线路进行检修作业时，尽可能的停电进行检修。进行带电检修工作下，若出现接地极附近的合成电场超过最大跨步电压情况时，此时检修人员需要佩戴绝缘手套、穿绝缘鞋，来保证自身安全。（2）共用接地极的检修情况根据流过电流情况的不同，其所对应的电流的分布情况也是有所不同的。共用接地极的等效电阻和接地极之间的距离成正比，与入地电流成反比。二者距离越远，等效电阻阻值越大，入地电流越小；反之二者距离越近，等效电阻阻值越小，入地电流越大。因此若想减小入地电流，便要适当的增加接地极的等效电阻阻值，尽可能的减小对工作人员的伤害。
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