hvdc输电系统直流接地极电流场分布的仿真分析

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1、1绪论1.1本课题的提出和意义直流输电系统有两种运行方式：以单极运行方式和双极运行方式。其中单极运行方式又分金属回线方式和以大地（或海水）作为回路的单极大地回路方式。在单极大地回路方式下运行，大地回路流过全部系统电流；双极线路在正常的情况下，大地回路只有不平衡电流流过（其值大约为额定电流的1％左右），但当一根导线或一组换流[1]阀发生故障时，直流系统仍可利用大地作为回路作单极运行。利用大地作回路的直流系统是通过埋在大地（或海水）中的散流导体来实现系统与大地的电气连接，即直流接地极来实现，因此直流接地极是直流输电系统中一

2、个十分重要的电器设备，其安全可靠运行非常重要。高压直流输电技术在很多方面不同于交流输电，有它自身固有的特点和技术要求，接地极设计技术就是其中的一例。高压直流输电系统是将工作接地和安全（保护）接地分开，工作接地称之为“接地极”。接地极在直流输电系统运行中起着极其重要的作用：一是直接长时间地为系统输送电力，提高系统运行的可靠性；二是钳制换流站(整流阀)中性点电位，避免两极对地电压不平衡而损害设备。由于强大的直流电流经接地极注入大地，因此导致极址大地电位升高，出现跨步电压、土壤发热、电极被[2]电腐蚀等新问题。通过接地极流入

3、大地的入地电流，在接地极上的分布是不均匀的。一般而言，接[3]地极的端部溢流最大，中间部位最少，其差值可达数倍。这种分布导致了接地极利[4-5]用率低，部分部位过热和过早腐蚀，地表电位分布不均匀等问题。如500kV直流输电系统葛上线的上海端的南桥直流接地极，曾因为电流分布不均匀而发生事故，接地[6]极和引流电缆被烧毁。科学地设计接地极，就是保证出现上述问题不致影响电极安全运行，不致对极址周围电气设施、地下金属管道设施安全运行和人畜安全构成威胁；与此同时，尽可能地减少建设接地极的投资。综上所述，需要设置能长期稳定地将直流

4、大电流导入地中的直流接地极，因此非常有必要对各种形式和布置的直流接地极的电流场（包括接地极表面电流分布）进行1计算分析，这直接影响直流接地极的设计，同时也是直流输电系统安全稳定运行的基础。1.2接地极技术及电流场计算方法概述1.2.1直流输电接地极技术特点直流接地极从理论上讲可被设置为不同的结构形式，而实际上已投运的接地形式确实也是多种多样的。如我国葛－上工程南桥接地极为直线布置，而葛洲坝接地极则[7]为圆环布置。总体来说可分为两类：一类是井型电极，它是由若干根垂直于地面布置的子电极组成；另一类是沟型，也称浅埋型电极，

5、这类电极一般是以一定形状水平埋设于土壤中，埋深一般仅为数米，沟形电极由于埋设浅，因此较井型电极有以下优点：（1）施工、运行方便；（2）易排除电极在运行中产生的气体和热量；（3）电流分[8]布比较均匀；（4）造价比较低廉。因而沟型电极已被广泛应用于实际工程。其他各种电极结构形式分类可归纳如下：从极址性质上可分：陆地、海岸和海水接地极；从埋深状况可分为浅埋和深埋接地极；从形状上可分为直线、圆环、星型和椭圆形接地极，从接地极单个电极的布置方式又可分为水平与垂直接地极。这主要由实际的极址位置与极址的地质条件决定。以下为典型几种

6、接地极型式：（1）直线型浅层接地极直线型接地极如图1-1所示，电极分布在一条直线上。优点是占地面积少，缺点[9]是端部电流密度相当高。图1-1直线型接地极2（2）圆环型接地极圆环型接地极如图1-2所示。圆环形电极的最大优点是电流在电极上的分布是均[10]匀的，不会出现局部跨步电压过高，同时具备用料较省、运行性能好的特点。图1-2圆环形状接地极（3）深井布置接地极深井布置接地极如图1-3所示，电极埋深在40米以上，地面连线布置可有不同的形状，优点是可将接地极埋设在大地电阻率比表面更低的土壤中，从而降低接地电阻，也能减少电

7、流对表层土壤中埋设的金属物的影响，缺点是设计和施工工艺相对要求较[11]高。图1-3深井接地极示意图31.2.2接地极布置的基本原则不同的电极埋设深度所反映出的地面最大跨步电压、土壤参数ρm、C、λ的设计取值，施工土方开挖量是不同的。对此，在确定接地极埋设深度时应当充分地考虑。电极埋设深度必须满足在最大短时（暂态）电流流入大地情况下，地面任意点跨步电压不得超过预先规定的最大允许值Emy，满足这一条件最小埋设深度可按下式近[12]似计算。ρτ1pha≥⋅nnK()m(1－1）2πEmyρ1――地面土壤等效电阻率（Ωm）；

8、τp――电流线密度平均值（A/m）；Emy――地面最大跨步电压允许值（V/m）；An――电极形状系数取其极大值；Ka――土壤电阻率不均匀分布系数取其极大值。接地极埋设深度的设计取值除了必须服从于地面任意点最大跨步电压满足要求外；最好能将它铺在土壤电阻率低、热特性好、水分充足的土壤中；而不宜放在岩石砂卵石层和干燥无水的高电阻率的土壤