王秋源，戚樂，夏泠風(fēng)，陳晨，李媛媛，吳小東

(中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，武漢 430071)

0 引言

接地極是高壓直流換流站的重要組成部分，對于直流系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行至關(guān)重要。目前國內(nèi)已具有較完備的設(shè)計規(guī)范、成熟的設(shè)計技術(shù)和工程經(jīng)驗。國內(nèi)設(shè)計主要參照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5224—2014)[1]、《高壓直流接地極設(shè)計通用技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T 437—2012)[2]，以及IEC/TS 62344—2013(Design of earth electrode stations for high-voltage direct current (HVDC) links-General guidelines)[3]。

歐美國家直流工程起步早，其接地極設(shè)計主要依據(jù)為美國電力研究院高壓直流接地極技術(shù)研究狀況(項目編號1467-1)報告EL2020《高壓直流接地極設(shè)計》[4]，《高壓直流接地極設(shè)計總則》(General Guidelines for the Design of Ground Electrodes for HVDC Links)(CIGRE 14.21 TF2—1998)[5]，《高壓直流接地極設(shè)計通用導(dǎo)則》(CIGRE 675—2017)(General Guidelines for HVDC Electrode Design)[6]等。

我國直流工程技術(shù)隨著“一帶一路”倡議走出國門，關(guān)于接地極設(shè)計原則及方法，中外設(shè)計規(guī)范間差異已逐漸凸顯，有必要對其主要差異進行梳理比對。

針對最大允許跨步電壓，本文從人體接觸電阻、感知電流、表層電阻率取值等方面進行了原理性分析；針對接地極溫升計算，梳理了中外規(guī)范推薦方法的差異并給出分析；另外，針對國際工程業(yè)主較為關(guān)心的接地電阻問題進行了仿真論述，指出了接地電阻與其他設(shè)計指標(biāo)間關(guān)系；并以巴基斯坦±660 kV默-拉直流工程、巴西美麗山二期±800 kV特高壓直流工程、我國永仁-富寧±500 kV直流接工程及靈州-紹興±800 kV直流工程的接地極設(shè)計方案為例，對中外接地極規(guī)范設(shè)計理念及原則的異同進行進一步說明。

1 最大允許跨步電壓規(guī)范比對

1.1 人體感知電流

1.1.1 美國EL2020標(biāo)準(zhǔn)及CIGRE 675標(biāo)準(zhǔn)

有實驗數(shù)據(jù)指出[7]，人手或手指感到輕微刺痛的電流平均水平為5.2 mA(直流)，建議直流電流限值考慮為5 mA，這也是美國EPRI 2020、CIGR-675及CIGRE WG14-21TF2給出的人體感知電流。

5.2 mA在CIGRE 675中被定義為“可接受”(perception)電流值，即人體可覺察的最小電流值。另外，CIGRE 675還提出了人體“擺脫電流”(let-go-current)為30 mA，即人體觸電后能自主擺脫的最大電流，也即“安全電流”。此值用于計算接地極發(fā)生故障并短暫持續(xù)時間內(nèi)的跨步電壓最大允許值。

1.1.2 DL/T 5224及IEC 62344—2013

在我國向家壩-上海±800 kV特高壓直流工程送端復(fù)龍換流站接地極(2010年投運)設(shè)計中，國家電網(wǎng)公司委托國網(wǎng)電力科學(xué)研究院、中國科學(xué)院電工所等科研單位就直流接地極的跨步電位差允許值進行了試驗、統(tǒng)計分析及專題研究[1]，共獲得960名中國人(自愿)試驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：超過 96%概率的樣本人群感知直流電流值為5.327 mA，如果取小于95%的人群概率，感知直流電流為5.4 mA，考慮一定裕度，故我國行標(biāo)DL/T 5224考慮人體感知直流電流取5.3 mA是合理的。

1.2 人體腳-腳電阻

1.2.1 美國EL 2020、CIGRE 675及CIGRE WG14-21

美國學(xué)者Dalziel曾針對23名志愿者進行開展“擺脫電流電壓” (let-go currents and voltages)試驗(1956年)，受試者雙手潮濕、雙腳站在鹽水中，通電電流9 mA,雙手間電壓為21 V，手腳間電壓為10.2 V[7]，即手-腳間電阻為1 130 Ω[8]。IEEE-80引用了此結(jié)論并將腳-腳間電阻認(rèn)為與手-腳相同，取為1 130 Ω[9]。為保守起見，EL 2020及CIGRE 675、CIGRE WG14-21TF2均考慮人體電阻為1 000 Ω。

1.2.2 DL/T 5224及IEC 62344—2013

北京電力試驗研究所對3人進行人體電阻測試，在不同觸摸條件下的人體電阻值為1 230 Ω～7 800 Ω[10]；中國電科院的通流試驗共獲得940名中國人(自愿)試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明超過96.9%的樣本個體腳-腳電阻值大于1 400 Ω，若取低于5%的人群概率，人體腳-腳電阻值為1 447 Ω。因此認(rèn)為在計算跨步電壓限值時亞洲人體電阻取1 400 Ω是安全合理的，至少此數(shù)值適用于中國人群。

1.3 人體腳-大地電阻

美國EL 2020報告引用學(xué)者Kimbark的研究結(jié)論[11]，認(rèn)為人的一只腳(赤腳)和大地(潮濕土壤)之間的接觸電阻測定為人站立處以歐姆·米計的地表土壤電阻率的3倍。

中國電科院試驗結(jié)果與EL 2020報告結(jié)論類似。對5人樣本進行了人腳和濕潤土壤表面間接觸電阻與土壤電阻率關(guān)系的試驗，結(jié)果表明：腳與大地接觸電阻/表層土壤電阻率的比值在3上下浮動，且在土壤干燥情況下，此比值會明顯增大。故按不利因素考慮，認(rèn)為接觸電阻仍按3倍土壤土壤電阻率考慮是安全合理的。

CIGRE 675認(rèn)為腳-大地電阻可表達為：

(1)

式中：ρs為所在表層土壤的電阻率；b為腳與地接觸面等效圓直徑，按0.08 m考慮。

1.4 最大允許跨步電壓

基于上述感知電流、腳-腳電阻、腳-大地電阻等因素，可得最大允許跨步電壓基本公式為：

Esc

(2)

式中：IBC為感知電流；RB為人體電阻；Rf為腳-大地電阻。因考慮人體跨步距離為1 m，故Esc也定義為最大電位梯度，V/m。

1.4.1 美國EL 2020及CIGRE WG14-21TF2要求值

美國EL 2020報告及CIGRE導(dǎo)則CIGRE WG14-21 TF2—1998導(dǎo)則直接引用Kimbark結(jié)論，最大允許跨步電壓Esc為：

Esc=5+0.03ρs

(3)

對于體型較大的家畜如馬、牛，最大允許跨步電壓為：

Esc=11+0.24ρs

(4)

對于體型較小的家畜如狗，能允許的電流較小但前后腿距離也小于1 m，因此按人體最大允許跨步電壓考慮。

針對水中環(huán)境的影響，EL 2020引用美國海洋接地極研究經(jīng)驗，指出一條魚從頭到尾壓降為1～5 V時就會失去知覺且會被吸引至陽極，水中電位梯度達到1.25 V/m時，對人或魚都是可接受的。CIGRE WG14-21導(dǎo)則對水中場強要求與EL2020結(jié)論基本一致，為1.25～2 V/m。

需要特別指出的是，CIGRE WG14-21導(dǎo)則介紹了洛杉磯Santa Monica海洋接地極的運行經(jīng)驗[5]，該接地極電極的表面場強為16～21 V/m。WG14-21導(dǎo)則規(guī)定水中電極表面場強應(yīng)控制在15 V/m，需注意這是導(dǎo)體表面最大場強，并非指水中生物的“跨步電壓”。

1.4.2 CIGRE 675要求值

由上述1.1—1.4節(jié)可得CIGRE 675導(dǎo)則中人體最大允許跨步電壓與EL2020中要求即式(3)相同。

對于家畜動物，CIGRE 675引用了IEC TS60479-1、2、3規(guī)范[12 - 14]中使得豬、羊、牛及馬等產(chǎn)生心室震顫的電流實測值，耐受電流最低的是羊(160～390 mA)與馬(160～410 mA)，故按160 mA考慮家畜耐受電流值，可得到與EL2020相同的結(jié)論，即式(4)。

對水中環(huán)境的影響，CIGRE 675引用Kimbark結(jié)論，指出1.25 V/m的水中電位梯度對水中人及魚類是安全的，2.5 V/m將產(chǎn)生不適感。

1.4.3 中國行標(biāo)DL/T 5224—2014要求值

基于上述2.1.2、2.2.1及2.3節(jié)相關(guān)試驗結(jié)論，得到中國行標(biāo)DL/T 5224—2014中要求人體最大允許跨步電壓為：

Esc=7.42+0.031 8ρs

(5)

同時行標(biāo)還規(guī)定靠近接地極的魚塘水中任意點場強不宜大于1.25 V/m，與CIGRE及EL 2020結(jié)論一致。

1.4.4 IEC 62344—2013要求值

IEC62344—2013規(guī)程為中國專家牽頭編制，最大允許跨步電壓與最新版行標(biāo)保持一致，同式(5)，并基于中國電科院試驗得到的人體電阻及感知電流結(jié)論進行了分析。

IEC62344—2013對各類家畜按與人的最大允許跨步電壓相同考慮。特別地規(guī)定了魚塘水中的電位梯度不得超過15 V/m，此結(jié)論與1.4所述的CIGRE WG14-21導(dǎo)則中關(guān)于電極表面梯度描述是相同的。

1.4.5 暫態(tài)故障工況下最大允許跨步電壓值

CIGRE 675規(guī)定了暫態(tài)故障檢修時人體最大擺脫電流為30 mA，帶入式(2)計算得此時最大允許跨步電壓為：

Esc=30+0.187 5ρs

(6)

為保證接地極帶電檢修人員安全，我國行標(biāo)DL/T 5224規(guī)定在接地極故障情況下最大跨步電壓差不大于50 V。

IEC 62344—2013則規(guī)定在部分極環(huán)退出運行等故障工況下最大允許跨步電壓差為70 V，同時還規(guī)定若故障持續(xù)時間較短，如30 min，則可進一步適當(dāng)放寬要求。

經(jīng)對比可知，不同規(guī)范對暫態(tài)故障檢修時接地極最大允許跨步電壓差的要求均不同，范圍為30～70 V范圍。

1.5 表層電阻率的取值

實際工程應(yīng)用中對于表層電阻率ρS的取值，國內(nèi)外處理方法有所差異。

國內(nèi)通?；谕寥离娮杪矢鲗?、各點的測量數(shù)據(jù)，通過擬合反演方式得到縱向土壤分層，并將第一層分層結(jié)果作為表層土壤電阻率，即可計算跨步電壓最大允許值為某一固定值[15]。

CIGRE 675介紹土壤分層方法時，給出了表層土壤模型，但同時還要求體現(xiàn)低阻區(qū)域或電阻快速變化部分，即表層土壤模型是不均勻水平分布，如圖1所示。

圖1 CIGRE 675簡化表層土壤模型Fig.1 Example of a top layer resistivity presented in CIGRE 675

此方式考慮了土壤水平分布不均勻特性，得到了隨著分布位置不同而變化的最大允許跨步電壓閾值，尤其是對于低電阻區(qū)域，其閾值相對更為嚴(yán)苛；同時，此種分層方式更適用于位于山川、湖泊等環(huán)境下的接地極建模[16]。

1.6 比對小結(jié)

綜上所述，不同規(guī)范針對最大允許跨步電壓值的差異，主要為人體感知電流、腳-腳電阻、腳-大地電阻及表層電阻率等取值原則，總結(jié)如表1所示。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)跨步電壓及其影響因素的異同比對Tab.1 Comparison summary about the maximum allowable step voltage

2 最大允許溫升規(guī)范比對

接地極溫升包括穩(wěn)態(tài)溫升和暫態(tài)溫升兩部分。穩(wěn)態(tài)溫升指連續(xù)向接地極中注入恒定電流并使土壤在熱交換達到穩(wěn)態(tài)時的溫升；暫態(tài)溫升則指在接地極設(shè)計持續(xù)單極大地運行最大時間內(nèi)而引起的土壤溫升。

2.1 國內(nèi)行標(biāo)DL/T 5224—2014及IEC62344—2013

2.1.1 接地極溫升特性

如果持續(xù)給接地極注入一恒定的電流，如單極直流輸電系統(tǒng)，則接地極溫度將逐步上升，直至達到穩(wěn)態(tài)溫度。根據(jù)熱力學(xué)理論，接地極附近任意點土壤溫度可表達為：

(7)

式中：θ(t)為任意時間土壤溫度，℃；θmax為穩(wěn)態(tài)最高溫升，℃；θC為t=0時的環(huán)境溫度，℃；T為接地極熱時間常數(shù)，s；k為配合系數(shù)，與電極形狀、土壤特性及環(huán)境條件等因素有關(guān)。

接地極溫升曲線示意圖如圖2所示。

圖2 接地極溫升曲線示意圖Fig.2 Temperature rise characteristic of grounding electrode

對于土壤中某特定點，其溫度與環(huán)境溫度、穩(wěn)態(tài)最高溫升、熱時間常數(shù)和入地電流持續(xù)時間有著密切關(guān)系。當(dāng)極址確定后，極址的環(huán)境溫度和影響溫升的土壤參數(shù)就確定了，影響接地極溫度只有穩(wěn)態(tài)最高溫升θmax、 熱時間常數(shù)T和入地電流持續(xù)時間t這3個參數(shù)。t屬于系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，θmax和T則與接地極型式和尺寸等緊密相關(guān)。T0為接地極連續(xù)運行時間；θpm為接地極在單極大地運行設(shè)計時長內(nèi)實際最高溫度。對于設(shè)計者而言，控制接地極溫度實際上就是選擇合適的接地極型式及尺寸。

2.1.2 熱時間常數(shù)

在接地極設(shè)計中，考慮到接地極址土壤電阻率、熱導(dǎo)率和熱容率等參數(shù)的測量、取值和分布很難準(zhǔn)確界定，設(shè)計中為了慎重起見，認(rèn)為極址土壤任意點溫度以線性上升。在此情況下，如果將時間常數(shù)T定義為電極到達穩(wěn)態(tài)溫度所需要的時間(k=1)，則熱時間常數(shù)可表示為：

(8)

也可表示為：

(9)

式中：T為接地極熱時間常數(shù)，s；C為土壤熱容率，J/(m3·K)；λ為土壤熱導(dǎo)率，W/(m·K)；ρ為等效土壤電阻率，Ω·m；Ve為土壤承受的電壓，V；J為電極表面溢流密度，A/m2；A電極焦炭表面最大面積，m2。

2.1.3 穩(wěn)態(tài)最高溫度

將接地極等效為埋地半球模型，忽略空氣熱傳導(dǎo)，由熱力學(xué)原理可推導(dǎo)得到穩(wěn)態(tài)最高溫升為：

(10)

由于國內(nèi)接地極持續(xù)運行時間遠低于接地極時間常數(shù)，在連續(xù)運行時間內(nèi)的溫升遠不會達到穩(wěn)態(tài)最大溫度。故在實際應(yīng)用時需得到接地極溫升過渡曲線，再將接地極連續(xù)運行時間T0代入指數(shù)模型表達式求得接地極在單極大地運行設(shè)計時長內(nèi)實際最高溫度θpm， 上述方法稱為“指數(shù)法”[17]。

2.2 CIGRE 14.21 TF2導(dǎo)則

與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)相同，CIGRE 14.21 TF2導(dǎo)則同樣按式(10)得到最大穩(wěn)態(tài)溫升θmax。 但此變量在這兩個規(guī)程中被定義為“理論值”，對于接地極工程所限定的有效運行時間內(nèi)的實際溫升，未采用指數(shù)方程，而是根據(jù)引入了“修正系數(shù)”做了簡化處理對實際溫升進行求解，即在最大連續(xù)運行時間內(nèi)實際溫升為：

(11)

根據(jù)CIGRE 14.21 TF2所述，推薦修正系數(shù)Cdfac取值為5。該導(dǎo)則還補充指出，若采用淺埋型接地極如3 m之內(nèi)埋設(shè)深度，則相當(dāng)一部分的運行發(fā)熱將傳遞到空氣中，真實的修正系數(shù)將會遠大于5。對于埋設(shè)深度較深(50～500 m)的接地極，此修正系數(shù)將小于5但仍按大于1考慮。

若土壤條件無特殊情況，對大多數(shù)淺埋型接地極設(shè)計采用式(10)的方法計算溫升且修正系數(shù)按推薦值取為5，將得到遠較于真實情況更高的溫升計算結(jié)果，使得設(shè)計方案非常保守。在世界上早期直流工程中，世界上存在著單極輸電系統(tǒng)，即單極大地返回方式運行是長期正常的運行工況，此時溫升往往是控制因素，在這種背景下選用修正系數(shù)法來計算暫態(tài)溫升以獲得較大的溫升設(shè)計裕度具有一定合理性。

2.3 CIGRE 675導(dǎo)則

CIGRE 675導(dǎo)則在計算實際溫升時，給出了兩種途徑：基于簡化假設(shè)的經(jīng)典計算法，及有限差分?jǐn)?shù)值計算法。其中經(jīng)典計算法與CIGRE 14.21 TF2導(dǎo)則所述相同，但校正系數(shù)依賴于電阻率情況，只有當(dāng)?shù)刃寥离娮杪试?00 Ω·m時，校正系數(shù)為5的取值才是較為合理的。

有限差分?jǐn)?shù)值法的基本思想是利用熱傳導(dǎo)拉普拉斯差方程進行數(shù)值計算。CIGRE 675給出了有限差分?jǐn)?shù)值計算的基本方法及相關(guān)方程，通常利用仿真程序?qū)崿F(xiàn)，是當(dāng)前接地極設(shè)計中常用也較為準(zhǔn)確客觀的一種設(shè)計手段。目前借助有限元軟件對接地極溫升進行仿真分析，該方法物理意義明確，計算精度高且便于實現(xiàn)，甚至能實現(xiàn)多場路耦合仿真，目前已有較多學(xué)術(shù)研究成果[18 - 24]。

2.4 比對小結(jié)

校正系數(shù)法計算結(jié)果相較另兩種計算結(jié)論偏差較大，指數(shù)法計算仍較為保守，有限元法考慮了熱交換等因素，結(jié)果最為客觀準(zhǔn)確，實際工程中建議在可研階段考慮稍保守方法即指數(shù)法對溫升進行計算，而在初步設(shè)計及施工圖階段建議采用更為準(zhǔn)確的有限元法進行仿真計算。

3 接地電阻的要求比對

3.1 對溫升影響

3.1.1 IEC 62344—2013

IEC62344及DL/T5224標(biāo)準(zhǔn)均未對接地極的接地電阻限值提出明確要求，僅規(guī)定接地電阻滿足穩(wěn)態(tài)溫升不超過限值即可。

穩(wěn)態(tài)溫升指考慮接地極運行時間足夠長達到穩(wěn)態(tài)時最大溫升。當(dāng)土壤電阻率為兩層模型時，最大接地電阻為：

(12)

式中Id為雙極不平衡入地電流；ρm為極環(huán)埋深處的土壤電阻率。從上式中可以看出，接地電阻的限值與埋深處的土壤電阻率、等效電阻率有關(guān)。通常來說，由上述計算得到的電阻限值非常寬裕。

目前直流輸電系統(tǒng)的運行方式?jīng)Q定了單極大地運行時間遠小于熱時間常數(shù)。進行溫升計算時更應(yīng)關(guān)注的是在一定的單極大地運行時間內(nèi)暫態(tài)溫升。IEC62344—2013引入CIGRE 675中修正系數(shù)dfac的概念，定義了最大暫態(tài)溫升對應(yīng)的接地電阻限值并建議Cdfac取5，故接地極限值可寫為：

(13)

通常按上式(10)計算出的電阻限值非常高。這也與上文2.4節(jié)分析結(jié)論一致，校正系數(shù)法是一種考慮嚴(yán)苛的估算方法。

3.1.2 CIGRE 675

在CIGRE 675導(dǎo)則提出，接地極設(shè)計要求盡可能降低接地電阻，且在算例中也給出了0.3 Ω的接地電阻限值。但CIGRE 675導(dǎo)則中并未明確指出此限值適用于所有工程，該限值僅針對圖中所示算例。

3.1.3 比對小結(jié)

根據(jù)熱平衡關(guān)系，接地極溫升可寫為：

(14)

式中：C為接地極的比熱容，J/(kg·℃)。

可見接地極的暫態(tài)溫升與接地電阻無關(guān)，僅與接地體的面電流密度和單極大地回線運行的持續(xù)時間有關(guān)[25]。

綜上所述，接地極穩(wěn)態(tài)溫升與接地電阻存在直接關(guān)系，接地電阻越大，穩(wěn)態(tài)溫升越高，但由穩(wěn)態(tài)溫升確定的接地極接地電阻限值將隨土壤電阻率的增大而增加，且較為寬松。接地極在單極大地運行設(shè)計時間內(nèi)的暫態(tài)溫升則由面電流密度、極環(huán)埋設(shè)處土壤電阻率、土壤熱容率共同決定，與接地電阻無直接關(guān)系，實際工程中并不排除出現(xiàn)：接地電阻滿足要求，但因電極與土壤接觸面積較小而產(chǎn)生較大面電流密度，卻使得暫態(tài)溫升超標(biāo)的情況。

3.2 對跨步電壓影響

本節(jié)以某一接地極設(shè)計方案為例，固定接地極極環(huán)尺寸(外徑1 000 m水平雙環(huán))，土壤模型均采用兩層模型，改變土壤模型和接地極埋深，對多組方案進行對比計算，計算軟件為中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院自主研發(fā)軟件ISPEG(前身ETTG)[26 - 29]，該軟件有效性已在國內(nèi)外多個特高壓直流工程中得到了驗證。分別對上層土壤電阻率取較小值(200 Ωm)及較大值(2 000 Ωm)時，改變下層土壤電阻率，層厚取5 m，計算埋深分別為2 m、3 m和4 m時的接地電阻及跨步電壓，得到圖3曲線。

圖3 接地電阻和跨步電壓變化趨勢對比圖Fig.3 Comparison of changing trends of grounding resistance and step voltage

由圖3曲線可知，當(dāng)下層土壤電阻率較小時，兩種情況下的接地電阻差別不大，但跨步電壓卻相距甚遠，此時接地電阻與跨步電壓相關(guān)性不大；而當(dāng)下層土壤電阻率非常大時，兩種情況的接地電阻逐步拉開差距，但跨步電壓都趨于飽和，不再有大幅增加。

故接地電阻與跨步電壓雖然存在一定的正相關(guān)性，但是兩者的變化趨勢并不相同。以接地電阻限值取0.3 Ω為例，通過改變接地極埋設(shè)深度，可以在不改變接地電阻的情況下，大幅降低接地極的跨步電壓；同樣，若表層電阻率較高且下層電阻率較低，也可能導(dǎo)致接地電阻滿足要求但跨步電壓不滿足要求的情況發(fā)生[30]。

4 工程實例分析

本節(jié)對若干個中外實際工程實例進行介紹，通過列舉接地極設(shè)計方案及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)計算值[31 - 33]，進一步佐證上文所述觀點。

4.1 巴基斯坦默拉直流工程Sanghar接地極實例分析

默蒂亞里—拉合爾±660 kV直流輸電工程直流電壓等級為±660 kV，輸電規(guī)模4 000 MW，額定直流電流3 030 A。接地極外環(huán)半徑為170 m，焦炭截面邊長為0.7 m，內(nèi)環(huán)半徑為120 m，焦炭截面邊長為0.55 m，如圖4所示。

圖4 默蒂亞里換流站桑加爾接地極極環(huán)Fig.4 Aerial photo of Sanghar electrode in Mertiari converter station

4.1.1 接地極溫升計算

考慮接地極單極大地運行方式時長為30 d，利用中國行標(biāo)DL/T5224與IEC62344介紹的指數(shù)法，CIGRE 14.21 TF2與CIGRE 675介紹的校正系數(shù)法，數(shù)值計算(軟件)法3種方法對接地極暫態(tài)溫升進行計算，計算結(jié)果如表2所示。

表2 指數(shù)法、校正系數(shù)法及有限元法計算結(jié)果比對Tab.2 Comparison of calculation results by three different methods

可見，校正系數(shù)法計算結(jié)果相較另兩種計算結(jié)論偏差較大，顯然此結(jié)果受校正系數(shù)取值及土壤條件影響較大；指數(shù)法計算的熱時間常數(shù)較小，30 d內(nèi)溫升較快，考慮仍較為保守；有限元法時間常數(shù)較大，暫態(tài)溫升相對較低。主要因為有限元法考慮了：有相當(dāng)?shù)臒崃慨a(chǎn)生在距離接地極很遠的地方，土壤與地面以上空氣進行的熱交換等實際情況。

4.1.2 暫態(tài)故障下跨步電壓校驗

本工程在設(shè)計階段對跨步電壓校驗原則遵循我國行標(biāo)DL/T 5224—2014及IEC 62344—2013，采用分層土壤模型表層等效電阻率計算最大允許值；而設(shè)計評審階段中，CIGRE 675編寫工作組B4.6的加拿大專家作為業(yè)主工程師，提出了最大跨步電壓允許值需按表層土壤測量采樣點表層電阻率最小值6.9 Ω進行計算。

正常工況下極址范圍內(nèi)跨步電勢云圖示意如下圖5所示，最大跨步電壓差為4.456 V/m，滿足國內(nèi)行標(biāo)、IEC及CIGRE規(guī)范要求。

圖5 極址范圍內(nèi)跨步電壓云圖(額定工況)Fig.5 The contour diagram of step voltage within the vicinity of electrode site (nominal condition)

1/4極環(huán)退出運行時，跨步電壓分布仿真結(jié)果如圖6—7所示，最大跨步電壓差達到6.843 V/m，能同時滿足上文所述國內(nèi)行標(biāo)、IEC及CIGRE規(guī)范對暫態(tài)檢修時最大允許跨步電壓差要求。

圖6 極址范圍內(nèi)跨步電壓云圖(1/4極環(huán)退出)Fig.6 Contour diagram of step voltage within the vicinity of electrode site (1/4 electrode ring outage)

圖7 極址范圍內(nèi)跨步電壓分布示意圖(1/4極環(huán)退出)Fig.7 Sketch diagram of the points which are exceed the limitation of normal condition in CIGER-675 (1/4 electrode ring outage)

圖8 極址范圍內(nèi)跨步電壓分布示意圖(1/4極環(huán)退出)Fig.8 Sketch diagram of step voltage distribution in CIGER-675 (1/4 outage)

國內(nèi)工程在暫態(tài)故障工況下一般僅校驗饋線電纜通流能力，并未強調(diào)在故障檢修情況下跨步電壓是否滿足規(guī)范要求，而CIGRE 675則對此提出要求并在算例中給出校驗示例。

事實上，單段(或多段)極環(huán)退出運行的工況需要至少兩條徑向?qū)Я骰芈肪鶖嚅_或極環(huán)受到嚴(yán)重破壞，因而發(fā)生的概率極低。即便此時無法滿足檢修時最大允許跨步電壓要求，單極大地返回運行方式將在很短時間內(nèi)轉(zhuǎn)為單極金屬運行；另一方面，若在雙極對稱運行情況下發(fā)生此類故障，接地極正常安全運行在短期內(nèi)也不會受到嚴(yán)重影響。

對于目前世界上多數(shù)接地極工程，極址處并未設(shè)置電流在線監(jiān)測系統(tǒng)，無法實時判斷極環(huán)及導(dǎo)流回路是否處于正常工作狀態(tài)。較為現(xiàn)實的做法是：盡量縮短單極大地運行時間，并于計劃停運時對接地極進行檢修。故規(guī)范所要求的對于極環(huán)在暫態(tài)故障情況下校驗其跨步電壓，其現(xiàn)實意義較為局限。

4.2 云南永仁至富寧±500 kV直流工程接地極實例分析

本工程直流電壓為±500 kV，直流輸電容量為3 000 MW，直流線路長度為577 km。富寧換流站為本工程受端換流站，其接地極位于云南山區(qū)，采用那弄極址和那連極址并聯(lián)的分體式設(shè)計方案，兩接地極間直線距離為2 km。本工程兩個接地極主要參數(shù)如表3所示。

表3 那連接地極主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of Nalian electrode

表4 那弄接地極主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of Nanong electrode

本工程最大允許跨步電壓按國內(nèi)行標(biāo)DL/T 5224、IEC 62344計算，各項指標(biāo)滿足其要求。雖然并不滿足CIGRE 675、EL-2020、CIGRE 14.21 TF2等規(guī)范要求，但該工程自2016年投產(chǎn)運行以來一直安全穩(wěn)定運行，事實證明了國內(nèi)行標(biāo)設(shè)計原則較為可靠。

4.3 巴西美麗山二期直流工程里約接地極實例分析

里約換流站是巴西美麗山二期特高壓直流工程的受端站，采用雙極單12脈動換流方式，電壓等級為±800 kV，額定電流為2 500 A，輸送容量為4 000 MW。里約接地極如圖9所示。

圖9 巴西美麗山二期直流RIO接地極Fig.9 DC grounding electrode of Rio Ⅱ in Beautiful Moutain of Brazil

極址處的表層(20 m以內(nèi))和下層(50 m以下)土壤電阻率較大，而中間層土壤電阻率較小，以下考慮兩種設(shè)計方案。

方案A按巴西業(yè)主技術(shù)要求考慮接地電阻不超過0.35 Ω限值，垂直接地體將按照圖10所示路徑埋設(shè)。

圖10 里約接地極設(shè)計方案A布置圖Fig.10 Layout diagram of the Rio grounding electrode (scheme A)

方案B不考慮接地電阻限值，僅考慮跨步電壓、溫升、面電流密度等技術(shù)指標(biāo)。沿半徑200 m的水平圓環(huán)路徑埋設(shè)，如圖11所示。

圖11 里約接地極設(shè)計方案B布置圖Fig.11 Layout diagram of the Rio grounding electrode (scheme B)

兩種方案的技術(shù)經(jīng)濟對比如表6和表7所示。就技術(shù)角度來說，除接地電阻外，兩種方案各項技術(shù)參數(shù)均能滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，但從饋電棒材料和占地面積方面而言，方案一不可避免地遠大于方案二。經(jīng)過經(jīng)濟性比對，方案一相較方案二總投資增加1 300萬雷亞爾，增幅約172%。

表5 巴西RIO接地極技術(shù)經(jīng)濟比較Tab.5 Technical and economic comparison of above scheme a and scheme B

表6 平?jīng)雠_接地極技術(shù)指標(biāo)Tab.6 Main technical parameters of PLT electrode of L-S ±800 kV UHVDC transmission project

可見，接地電阻較高情況下可以采用增加極環(huán)埋深、增大填充焦炭截面等手段，使接地極滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的各項技術(shù)參數(shù)指標(biāo)要求，保證接地極的安全穩(wěn)定運行，同時可獲得更優(yōu)的經(jīng)濟性，避免不必要的投資增加。

4.4 中國靈州-紹興特高壓直流工程平?jīng)雠_接地極實例分析

靈州-紹興±800 kV特高壓直流輸電工程直流電壓等級為±800 kV，輸電規(guī)模為8 000 MW，額定直流電流為5 000 A。平?jīng)雠_接地極送端靈州換流站接地極，位于靈武市東南，如圖12所示。

圖12 靈紹直流送端平?jīng)雠_接地極Fig.12 PLT grounding electrode of Lingzhou-Shaoxing ± 800 kV UHVDC transmission project

設(shè)計方案為雙圓環(huán)水平埋設(shè)方案，其技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

該接地極極址土壤分層除極環(huán)埋設(shè)處電阻率較大以外，其他各層等效視在電阻值均較小，設(shè)計方案限制因素為溫升。

在此實例中，接地極接地電阻僅為0.035 Ω，遠低于CIGRE 675算例所要求的0.3 Ω限值，在同類型工程中處于較低水平，跨步電壓、面電流密度等指標(biāo)也處于規(guī)范要求范圍內(nèi)，但暫態(tài)溫升已接近90 ℃限值水平。此實例與3.1節(jié)式(13)結(jié)論相吻合，即在允許連續(xù)單極大地運行的一定時間內(nèi)暫態(tài)溫升由面電流密度、極環(huán)埋設(shè)處土壤電阻率、土壤熱容率共同決定，而與接地電阻值無關(guān)。

5 結(jié)論

本文基于中國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5224—2014、IEC/TS 62344—2013，美國電力研究院報告EL2020《高壓直流接地極設(shè)計》、CIGRE 14.21-TF2—1998、CIGRE 675—2017等國內(nèi)外直流接地極設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，針對接地極最大允許跨步電壓、最大允許溫升、接地電阻限值等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)設(shè)計理念及原則的差異進行了比對分析，并列舉了目前國內(nèi)外4個直流接地極工程技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，比對結(jié)論如下。

1)針對最大允許跨步電壓，中國標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5224與IEC 62344原則相同，而與CIGRE 14.21 TF2及CIGRE 675不同，兩者區(qū)別來源于不同時期、不同地域人群對應(yīng)的試驗結(jié)果差異。CIGRE標(biāo)準(zhǔn)原則更適用于歐美項目采用，中國行標(biāo)及IEC標(biāo)準(zhǔn)更適用于中國或亞洲項目采用。此外，兩者標(biāo)準(zhǔn)體系對于人之外的動物所能承受最大跨步電壓差也有區(qū)別。

2)部分極環(huán)退運等暫態(tài)故障工況下，CIGRE 675規(guī)定了人體最大擺脫電流，我國行標(biāo)DL/T 5224及 IEC 6234規(guī)定了最大允許跨步電壓差為70 V且可適當(dāng)放寬要求。但多數(shù)接地極工程無法實時判斷極環(huán)及導(dǎo)流回路是否處于正常工作狀態(tài)，接地極單段(或多段)極環(huán)退出運行的工況發(fā)生概率極低，即便發(fā)生后直流系統(tǒng)也會在短時內(nèi)切換運行方式。應(yīng)盡量縮短單極大地運行時間，并于計劃停運時對接地極進行檢修，規(guī)范中對暫態(tài)故障情況下跨步電壓的要求具有一定現(xiàn)實局限性。

3)針對接地極溫升計算，指數(shù)法由于未考慮土壤與空氣發(fā)生的熱交換因素，設(shè)計方案具有一定的裕度，通常來說也較為可靠；校正系數(shù)法僅針對淺埋型接地極、等效電阻率為100 Ω左右或具有長期單極大地運行需求的接地極，設(shè)計方案將留有較大溫升裕度；有限元建模分析法則更為客觀準(zhǔn)確，具備較為合理的設(shè)計裕度及較優(yōu)的經(jīng)濟指標(biāo)。實際工程中建議在可研階段考慮稍保守方法即指數(shù)法對溫升進行計算，而在初步設(shè)計及施工圖階段建議采用更為準(zhǔn)確的有限元法進行仿真計算。

4)接地極暫態(tài)溫升不受接地電阻的影響，而由面電流密度、極環(huán)埋設(shè)處土壤電阻率、土壤熱容率等共同決定。當(dāng)接地電阻大于CIGRE算例限值0.3 Ω時同樣可實現(xiàn)暫態(tài)溫升、跨步電壓、面電流密度等技術(shù)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的方案，并不影響接地極安全穩(wěn)定運行；反之在接地電阻較小的情況下，也可能導(dǎo)致接近90 ℃臨界值的溫升。若將接地電阻納入技術(shù)指標(biāo)之一進行控制，則將對工程造價造成明顯影響。