特高压直流输电接地极设计技术综述与展望

胡劲松,郑宇光,于洋  

国网经济技术研究院有限公司,北京市 昌平区 102218

摘要

在远距离能源输送方案被广泛实施的环境下,特高压直流输电技术具备的远距离、安全稳定等特点将使其得到更广泛应用。文章对直流输电系统的接地极工程设计情况、不同环境下的限制因素进行了综述,结合目前中国直流工程接地极技术及典型案例,分析了10 GW、6250 A扎鲁特—青州直流输电工程青州换流站选址过程,以及糯扎渡—江门5 GW、3125 A直流输电工程普洱换流站垂直接地极本体的选型设计过程。展望未来全球能源互联网特高压直流输电技术实践,对海洋接地极设计方案提出了设想。

关键词 : 全球能源互联网;特高压直流输电;接地极设计

0 引言

随着清洁能源技术的发展,地区集中产能能力提高,世界能源构架逐渐向低碳绿色环保转型[1],跨国跨区域能源联网开始进入规划实施的新阶段。高压直流输电技术可以实现远距离、稳定、低损耗的电能传输,满足电源中心与负荷中心跨多区域的点对点高效传输。随着特高压直流输电技术的成熟运用,该技术可为实现各地区能源的互通互联提供技术支撑[1]

直流接地极是特高压直流输电系统的重要组成部分,由接地导体、活性填充材料以及导流系统组成,通过接地极引线(架空线路或电缆)与换流站相连接[2]。接地极在直流输电系统中起到钳制中性点零电位的作用,在单极大地回路运行方式时为直流运行电流提供通路,从而有效地提高了系统供电可靠性和可用率[2-5]。高压直流输电系统在建设投运初期及年度定期检修或故障排查期间,均可能采取单极大地回路方式运行,此时直流接地极处有高达几千安培的电流通过。大直流电流持续、长时间地流过接地极,会引发周围埋地金属管道及金属构架电腐蚀、电力系统设备中性点偏磁电流超标等负面效应,严重影响周边工程或电力系统安全可靠运行[2-4]。通过优化接地极设计方案,最大限度地减小单极大地返回运行所产生的负面影响,已经成为直流工程换流站建设中的重要内容。

相关技术标准[6-9]对接地极极址、电极形式及布置形状、电极尺寸、电极材料等方面做出具体要求,其中接地极极址的选取最为重要。在实际特高压直流输电工程建设中,时常因换流站周围环境条件、地质条件复杂以及地形受限等造成接地极极址无地可选,设计时对周边环境影响的评估与建成投运的实际情况偏差较大等情况也时有发生。因此,接地极从极址选择到本体仿真计算等各环节应采用因地制宜的设计方式,合理选择接地极极址、线路路径、电极型式,从而保证输电大地返回运行系统的可靠性,提高运行经济性。

本文将结合实际工程中的设计原则,通过接地极设计中涉及的几个典型技术案例的经验,进行概括总结。针对全球能源互联网特高压直流输电项目可能面临的特定条件,展望未来直流输电大地返回接地极设计思路。

1 接地极设计与典型案例

直流输电接地极设计内容可分为接地极极址选择和接地极本体设计两个部分。

极址选择是换流站接地极设计的关键环节,在选址时应根据换流站所在地理位置和附近环境条件,通过技术经济论证综合考虑。尽可能减小在使用单极大地回路运行时对极址附近金属管道、铠装电缆的腐蚀,以及跨步电位差对人畜安全的影响;对周边通信和信号系统的干扰;对土壤结构的破坏等负面效应[10]

在接地极本体设计时应根据系统条件、极址地形条件及土壤电阻率参数分布情况,通过技术经济综合比较确定接地极的布置型式。在极址条件良好且不受约束的情况下,宜选用普通型接地极(水平敷设的单、双圆环型接地极)。

在实际工程设计时,选址区域可能处于地形、地质结构复杂的山区,或存在极址周围金属管线分布复杂等情况。

1.1 接地极选址

1.1.1 常用选址流程

在接地极极址规选阶段,一般遵循如下工作流程:估算接地极占地→地形图选址→收资分析→极址电阻率测量→分析推荐最优极址。主要工作包括:

(1)估算接地极占地。规划选址前,根据现行技术规程和当前工程的系统条件,估算接地极的尺寸或占地面积,建立最小极址场地尺寸概念。

(2)地形图选址。一般在距离换流站不小于100 km的范围内,先通过收集分辨率不低于1:20万的地形图或卫片资料,初步判断可能适合建接地极的区域,综合考虑区域内的城镇建设、交通设施等信息,确定预选极址。

(3)收集附近电力系统及地下金属管线等设施资料。在规划选址阶段,重点收集预选极址附近的220 kV及以上等级的变电站、地下金属管道路径走向和规模,以及铁路(尤其是电气化铁路)的路径走向等资料。预选极址应尽可能远离这些设施。

(4)土壤电阻率测量。对预选极址进行土壤电阻率的测量。

(5)分析推荐最优极址。根据土壤电阻率的测试结果,进行极环本体设计,评估接地极本体技术经济指标;并根据收集到的电力系统和管线资料,仿真分析接地极对周边设施的影响情况,推荐条件最优极址。

1.1.2 青州换流站接地极选址过程

扎鲁特—青州±800千伏特高压直流工程,其受端青州换流站位于山东,容量10000 MW,额定电流6250 A,是目前世界上额定电流最大的直流工程之一。此工程需要设置接地极实现单极大地返回运行方式。

根据工程报告,在设计选址阶段,相关设计单位以换流站为圆心,在30~150 km范围内对所有可能区域进行详细收资,重点对铁路及管线分布情况进行了筛查,最后锁定9块拟选区域,如图1所示。对9个区域逐个进行分析,6、7、8、9区域位于黄河以北,为尽量避免接地极线路跨越黄河,降低工程造价,同时考虑远期的换流站合理落点亦在黄河以北,故本工程的接地极优先考虑黄河以南区域。

图1 30~150 km拟选极址区域分布图
Fig. 1 Potential geographical area for grounding pole system between 30 km and 150 km

确定区域后进一步选址,由于南部区域管线分布依旧较为密集,因此优先考虑极址尽量远于管线10 km以上。进行详细筛选后,锁定了2个备选极址。其中物理条件最好的备选位置(东侧)周围有4条主要管线,最近距离接地极9.7 km,因此向管道部门征求了详细的意见并寻求专业部门进行了防腐措施评估后,确定该位置为最终的极址位置。

1.2 接地极本体设计

1.2.1 常用极环类型

极环本体设计主要包含接地极型式及埋设方式、馈电棒材料、接地极本体及导流系统布置方案等内容。下面主要讨论接地极型式及埋设方式的选择。

接地极一般采用水平浅埋型接地极 [4,7]或垂直型接地极埋设方式[11]

(1)水平浅埋型接地极。

水平浅埋型接地极是现阶段直流工程接地极本体的主要型式。所选极址场地开阔且高差较小时,一般采用水平布置。在条件宽松的情况下,通常采用单圆环电极设计,此方案情况下圆环上溢流密度均相等,利于地表跨步电压的均匀分布。

在实际工程中,单圆环形电极设计往往受到地形条件的限制,为满足接地极设计的技术条件可适当增加圆环数。增加圆环数能有效降低跨步电位差和接地电阻,但效果随着极环数逐渐降低,过多地增加圆环数量不经济,通常宜为2个圆环,一般不超过3个圆环。在多圆环型接地极设计时,应考虑单个圆环的相对半径,以使得接地极发挥最大效应。研究和实践表明[12-13],双环的内外圆环直径之比(内环直径表示为d,外环直径表示为D)为0.75(0.65~0.85)时,可获得最小的接地电阻和溢流密度分布偏差系数[12-13]。如果内环过小(d/D→0),内环发挥不了作用;反之,如果内环过大(d/D→1),容易受外环的屏蔽影响,内环同样发挥不了作用,类似于变成单环[12-13]

在场地受到限制而不能采用圆环形电极的情况下,可采用椭圆型、跑道型等不规则敷设方式。应尽可能使电极布置得圆滑,减小圆弧的曲率。

(2)垂直型接地极。

接地极垂直埋设对极址地形地貌要求较宽松。由于垂直型接地极各子电极是相对独立的,因此允许极址地面高差大一些。此外,垂直型接地极可大幅度降低跨步电位差,从而降低对极址场地的面积要求。

对于垂直型接地极的平面布置形状,理论上多根子电极可以在平面上任意布置。为获得优良的技术特性并最大限度降低工程造价,每根子电极承载大致相同的入地电流是选择垂直型接地极平面布置时追求的目标。选择垂直型接地极平面布置形状时,不仅需考察地形地貌,还应充分考虑地下的地质条件,避免将子电极置于不适合的岩石中。

虽然接地极的垂直埋地敷设能有效减小直流工程返回系统对地形环境的限制,但使用这种接地极埋设方式也将带来溢流密度分布不均、接地极体端部发热较严重[14]、端部电腐蚀较严重、设备排气较困难等问题[6]

鉴于以上接地极的优缺点,在场地允许的情况下,应优先选择单圆型布置,其次是多个同心圆环型布置。在设计中采用垂直型接地极时,应特别关注垂直型接地极的适用环境或条件,扬长避短。

1.2.2 普洱换流站垂直接地极应用

糯扎渡送电广东±800 kV 特高压直流输电工程,容量5000 MW,额定电流3125 A。起于云南普洱换流站,止于广东江门换流站,普洱换流站为送端,单极大地额定电流持续运行时间按3天考虑。普洱换流站极址土壤分层电阻率情况如表1[11] 所示。

表1 普洱换流站接地极极址土壤分层电阻率
Table 1 Layered soil resistivity of Pu’er converter station earth electrode

普洱换流站接地极所选推荐极址有效避开了铁路、埋地电缆以及水管等金属管线,远离换流站等具有电气接地线路的基础设施。此工程的主要制约条件是表层土壤电阻率波动范围大,极址地处山区,地形起伏较大,相对平坦区域小。由表1可知,极址地表土壤电阻率较大,且分布不均。为了保证接地极运行的安全性,应对不同地表土壤电阻率情况进行跨步电压计算校验

式中,E为跨步电压,V;ρs为土壤电阻率,Ω·m。

(1)接地极水平设计方案。

接地极跨步电压受极环大小和埋深的影响,对于水平浅埋型接地极,增加极环的埋深可以起到降低极址跨步电压的作用[15-16]。然而增大极环埋深会大幅增加施工的难度和工程量,因此水平浅埋型接地极的埋深一般不超过5 m。此案例中,在推荐极址范围内,根据极址的地形特点,分别设计单圆环方案、依地形布置的不规则单环方案以及不规则双环方案[6],埋深按5 m设置。根据参考文献[11]中的计算结果绘制方案对比图,见图2。

图2 各接地极方案跨步电压计算结果对比图
Fig. 2 Step-voltage comparison diagram among different schemes

由图2可知, 3种水平型接地极设计方案,在土壤电阻率在0~2000 Ω·m范围内,在极址面积受严格限制条件下,单圆环方案、不规则单圆环方案、不规则双圆环方案下的跨步电压逐级减小。跨步电压计算值最小的不规则双环型接地极设计方案,在表层土壤电阻率小于800 Ω·m的情况下,接地极的跨步电压就超过其控制值。而推荐极址表层土壤电阻率受天气影响较大,在100~2000 Ω·m范围内波动。因此,水平型接地极设计方案不能满足跨步电压的设计要求。

(2)接地极垂直设计方案。

垂直型接地极是由众多的垂直于地面布置的子电极并联组合而成,子电极各自相对独立。由图2所示计算结果可知,不规则双环方案接地极土地利用率较高,跨步电压计算结果相对较小,因此垂直型接地极设计方案参考不规则双环型接地极方案进行垂直极的布置。在极环上每间隔20 m 设置一根30 m 长的垂直接地极,垂直电极顶端距地面5 m[11]。根据参考文献[11],在不规则双圆环布置情况下垂直型跨步电压的计算结果,绘制此方案的跨步电压曲线图,见图3。

图3结果显示,由于推荐极址7 m以下土壤电阻率稳定、阻值较小(见表1),采用垂直型接地极有利于减小接地极跨步电压。根据计算结果与跨步电压控制值之间的对比,此设计方案在不同表层土壤电阻率下均满足设计要求。

因此,普洱换流站采用垂直型接地极方案。采用垂直接地极设计方案,需注意接地极温度不能超过90 ℃,通过控制接地极的焦炭使用量可以满足温升的要求。

图3 双环垂直型接地极跨步电压计算值与控制值对比图
Fig. 3 Step-voltage comparison diagram between the double rings vertical ground electrode calculated result and the controlled value

1.3 现阶段工程情况分析

对于直流工程接地极设计,极址选址是关键。若工程的落点是负荷中心,势必存在地区输油输气管线分布密集的情况。接地极选址应高度重视对其影响的评估,首先收资范围应参考青州换流站的接地极,进行大范围筛查,先锁定所有潜在区域,寻找最优区域后,再进行详细收资,确定备选极址。对于备选极址周围仍然存在较多输油输气管线的情况,务必与当地专业部门进行配合,出具更为专业详尽的评估报告,最后进行仿真评估。

同样,当直流输电工程土地使用权严苛时,采用垂直接地极能显著降低接地极的跨步电压,且允许极址存在一定高差,可以大幅度缩小接地极占地面积和对其周边的影响范围,降低接地极的选址难度。但是,由于垂直型接地极电极溢流密度分布不均,端部发热较严重,因此垂直接地极设计应重点关注电极的发热问题。目前解决问题的思路主要是新材料的研发和减少单极大地持续运行的时间,普洱换流站之所以能够实现垂直接地极的设计,主要是因为将原来额定的30天连续运行时间缩减到了3天[11]。对于跨国工程,输送容量势必很大,额定电流不会小于普洱工程的额定电流,因此对单极大地连续运行时间的规定,将是其中的关键因素之一。

2 未来工程海洋接地极设计思路

中国直流工程多建设在陆地,对于今后的直流工程,若换流站落点在沿海附近,海洋接地极的设计将要求研究新的思路。

接地极选址在近海地区的优点:①海水电阻率极低,利于电流流通;②可有效控制接地极温升问题;③较陆地接地极的深埋方式,埋深浅,工程施工难度低;④较金属馈线返回方式,造价低。

带来的问题:①海洋接地极维护均较陆地接地烦琐,且目前国内经验较少;②对海工设施(海底油气管道和地下建筑等)及接地极附近船舶的腐蚀,缺少基础数据和结论;③地下、海下电缆的磁场效应对磁导航的影响,缺少基础数据和结论;④金属电极的电解与电化学效应对海洋生态的影响,缺少基础数据和结论;⑤对邻近发电厂、变电站、铁路、通信系统的影响,缺少基础数据和结论。

根据相关研究报告,目前世界在其他领域应用电极时已广泛研究实现海底埋设的情况。单回接地极线路由架空线接至海岸,在适当位置选择电缆埋管敷设方式接入海边连接地房处隔离开关,见图4。在连接房,接地电缆分裂成数十根馈线电缆,分别引入海下电极中,见图4、图5。

图4 海岸电极埋设示意图(整体)
Fig. 4 Layout schematic of coastal grounding pole (overall)

图5 海岸电极埋设示意图(局部)
Fig. 5 Layout schematic of coastal grounding pole(partly)

如果未来全球能源互联网工程需要在沿海地区建设特高压直流输电工程,接地极有可能涉及海洋接地这一领域,可以在借鉴上述经验的基础上开展研究。

3 结论

在特高压直流工程被广泛应用的大环境下,换流站接地极设计已成为一个备受关注的问题。

(1)换流站接地极设计可分为接地极选址及接地极本体设计两个部分,其中接地极选址是关键。

(2)接地极选址程序可参考青州站选址案例,首先进行大范围筛查,锁定所有潜在区域,寻找最优区域后,再进行详细收资,确定备选极址。对于备选极址周围仍存在较多输油输气管线的情况,要进行仿真评估,并与当地专业部门进行配合,出具详尽的评估报告。

(3)接地极本体形式的设计,应优先选择单圆型布置,其次是多个同心圆环型布置。在设计中采用垂直型接地极时,可参考普洱换流站垂直接地极应用的典型案例,特别关注垂直型接地极的适用环境或条件,扬长避短。

(4)展望未来全球能源互联网特高压直流输电技术实践,接地极海岸电极埋设可能选址海边,在分析海洋接地极选址优缺点的基础上,本文提出了海岸电极埋设的设想。

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Overview and Prospect of Ground Electrode Designing Technology in HVDC Projects

HU Jin-song, ZHENG Yu-guang, YU Yang
(State Grid Economic & Technological Research Institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102218, China)

Abstract: As a method to deal with the increasing demand for global energy interconnection, HVDC energy transmission projects technically support the power distribution in large areas.Based on the existing grounding system designs of existing HVDC transmission system, this paper reviews the impacting factors of grounding pole design for HVDC converting station.It also analyzes and discusses the current DC engineering grounding technologies and typical cases (grounding pole station selection process for QingZhou converting station of 10 GW,6250 A Zhaut-Qingzhou DC transmission project & the design process of the vertical grounding pole of Puer converting station of Nuozhadu-Jiangmen 5 GW, 3125 A DC transmission project).In the further global UHV DC transmission projects, grounding electrodes can be located at the seashore, and a design plan for the marine grounding electrode is proposed.

Keywords: global energy interconnection; HVDC energy transmission project; grounding electrode design for HVDC converting station


作者简介:

胡劲松

胡劲松(1968),教授级高级工程师,主要从事特高压工程关键技术、复杂地理环境下电网工程技术和智能变电站设计等方面研究和设计咨询工作。入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选,评选为四川省第九批学术和技术带头人。E-mail:h ujingsong@ch inasperi.sgcc.com.cn。

郑宇光(1989),硕士,毕业于荷兰代尔夫特理工大学,主要从事换流站设计工作。

于洋(1978),博士,高级工程师,主要研究方向为直流输电规划与设计。

(责任编辑 赵杨)

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