基于廣域連接的廣東地區(qū)接地極連接方案研究

高嘉，鄭智慧，熊紐，簡(jiǎn)翔浩，?，陳碩

（1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣州 510670；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510633；3.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣州 510670）

隨著西電東送和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)步推進(jìn)，我國(guó)直流輸電正朝著高電壓、大容量的方向發(fā)展，直流落點(diǎn)越來(lái)越多，系統(tǒng)額定電流也逐步提高，參照傳統(tǒng)的常規(guī)方式設(shè)置接地極，導(dǎo)致選址工作變得愈加困難。一方面，我國(guó)負(fù)荷多集中在東部以及南部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，人口密集，受接地極影響的設(shè)施多，尤其是電力系統(tǒng)和油氣管道，交流電力系統(tǒng)復(fù)雜，油氣管道密集，造成接地極選址受限。另一方面，在電源集中的西部地區(qū)，山地面積大，受地理?xiàng)l件的制約，尋找面積大，適合埋設(shè)接地極的平地較困難［1-2］。

南方電網(wǎng)直流輸電工程的受端大部分落點(diǎn)在廣東，是我國(guó)特大省級(jí)電網(wǎng)之一。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷大、電力元件眾多。而珠三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密度大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，油氣管道金屬設(shè)施眾多，使得接地極選址受到很大的限制。送端換流站多位于云南，屬于高山地貌，區(qū)域地形峰巒疊嶂、山勢(shì)陡峻、山高谷深坡陡，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，局部地帶有平壩，范圍不大且多呈現(xiàn)長(zhǎng)條形分布，由于平壩區(qū)域障礙設(shè)施較多，也不利于接地極選址。

近年來(lái)已采取共用接地［3］、垂直接地極［4-5］、深井接地［6］等新型接地技術(shù)，部分解決了接地極選址難、建設(shè)難的問(wèn)題，本文提出基于廣東省內(nèi)現(xiàn)有接地極組成廣域接地極方案，實(shí)現(xiàn)接地極系統(tǒng)方案的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。

1 廣域接地極概述

廣域接地極有別于狹義上常規(guī)的獨(dú)立接地極或共用接地極，即接地極不限于一個(gè)接地點(diǎn)或接地場(chǎng)所，而是在一定區(qū)域內(nèi)但凡現(xiàn)實(shí)中具備可行性的處于不同極址的多個(gè)獨(dú)立接地極通過(guò)電氣連接組成廣域范圍內(nèi)的并聯(lián)接地極系統(tǒng)，系統(tǒng)單極運(yùn)行電流可通過(guò)這些不同接地體在不同地點(diǎn)散流，形成一個(gè)廣域范圍內(nèi)的接地極系統(tǒng)［1］。

廣域接地極可將一回直流單極大地回線(xiàn)運(yùn)行電流由多個(gè)子接地極分擔(dān)［7-8］，較常規(guī)接地極減小了單個(gè)極址的電磁效應(yīng)［9］，在降低新極址的設(shè)計(jì)要求和緩解現(xiàn)有接地極對(duì)油氣管道和周邊電力系統(tǒng)的影響有良好的效果［10］。

2 廣域接地極組成方案

目前，廣東地區(qū)南方電網(wǎng)已投運(yùn)的直流線(xiàn)路共有8回，投運(yùn)的接地極共有6個(gè)，其中2個(gè)為兩回直流共用。對(duì)廣東省內(nèi)已建的各接地極是否可作為廣域接地極連接分析情況如表1所示。

表1 接地極作為廣域接地極連接可行性分析Tab.1 Feasibility analysis of existing grounding electrode as DC WAN grounding electrodes

根據(jù)后續(xù)的直流送電規(guī)劃，換流站落點(diǎn)分別為珠江三角洲東部和西部地區(qū)，各2個(gè)站址（以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)東1、東2、西1、西2換流站）。根據(jù)初步的接地極選址，粵西北地區(qū)接地極極址條件較好，新選極址有條件按照共用接地極建設(shè)，滿(mǎn)足后珠江三角洲西部后續(xù)新增2回直流的需求。同時(shí)，現(xiàn)有的天堂接地極有接入新直流的條件［12］。

粵西地區(qū)可滿(mǎn)足西部?jī)蓳Q流站的選址要求，粵東地區(qū)選址較為困難，滿(mǎn)足兩回直流接入的共用接地極的極址更少［13］，因此有采用廣域接地極連接，以滿(mǎn)足珠江三角洲東部2回直流接入的需求。以下分為有粵東接地極和無(wú)粵東接地極兩種情況，考慮廣域連接。

廣東境內(nèi)（包括計(jì)劃建設(shè)的粵東新接地極）各接地極其地理位置分布如圖1所示。

圖1 換流站與接地極地理位置分布圖Fig.1 Geographic distribution map of converter station&grounding electrodes

作為廣域接地極的四個(gè)子接地極從地理位置比較分散，東1、東2換流站距離近，但距離各接地極線(xiàn)路都較遠(yuǎn)，考慮采用順序連接方式或拓?fù)溥B接方式組成廣域接地極網(wǎng)絡(luò)，接地極與東部換流站按照就近原則接入。田源接地極和粵東接地極距交流電網(wǎng)負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，對(duì)交流電網(wǎng)影響相對(duì)較小，可作為東1、東2換流站的接入端［13］。天堂接地極與東部換流站之間相隔珠江口，不能直接連接，通過(guò)魚(yú)龍嶺接地極或者田源接地極作為中部換流站的接入端間接連接，換流站與接地極距離見(jiàn)圖2。

圖2 換流站與接地極系統(tǒng)地理分布示意Fig.2 Geographic demo for converter station&grounding electrodes

從換流站到接地極的導(dǎo)流引線(xiàn)暫定型號(hào)為L(zhǎng)GL—630/55，25℃環(huán)境下，導(dǎo)線(xiàn)電阻約為0.011 3Ω/km。由接地極系統(tǒng)地理分布位置來(lái)看，各接地極地理位置較為分散，土壤分層情況也不完全一致，計(jì)算模型中以實(shí)際測(cè)量得到的接地電阻值作為各子接地極的接地電阻輸入數(shù)據(jù)根據(jù)選擇的四個(gè)接地極的位置，可以確定以下基本連接方式。

3 廣域接地極的自然分流計(jì)算

（1）無(wú)粵東接地極

東1、東2換流站地理位置接近，以下以東1換流站接入為例進(jìn)行研究。其中東部換流站以魚(yú)龍嶺接地極作為接入點(diǎn)時(shí)，魚(yú)龍嶺接地極分流系數(shù)較大，對(duì)油氣管道影響嚴(yán)重，故考慮以田源接地極作為廣域接地極接入點(diǎn)。東1換流站入地電流取3 150 A，若無(wú)新接地極時(shí)，對(duì)田源－魚(yú)龍嶺－天堂互聯(lián)方案的分析，有以下方案：

1）方案1：田源－魚(yú)龍嶺－天堂廣域接地極連接

僅以田源、魚(yú)龍嶺、天堂接地極作為廣域接地極連接時(shí)，可采用環(huán)形連接，如圖3所示。逆時(shí)針依次田源－魚(yú)龍嶺－天堂，以田源作為廣域接地極的接入點(diǎn)，此種廣域連接方案下直流線(xiàn)路總長(zhǎng)度約為609 km。

圖3 方案1（田源-魚(yú)龍嶺-天堂廣域接地極）連接入地電流Fig.3 DC grounding current of plan 1（Tianyuan-Yulongling-Tiantang DC WAN grounding electrodes）

在這種連接方式下，接地極分流系數(shù)分別為：田源接地極68.2%、魚(yú)龍嶺接地極20.9%，天堂接地極10.9%，分流結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 廣域接地極自然分流主要參數(shù)Tab.2 Major parameters for WAN grounding electrode naturalshunted current

2）方案2：田源－新村廣域接地極連接

牛從直流受端接地極位于韶關(guān)市翁源縣新村，已實(shí)施牛從直流受端接地極遷改工程，原從西換流站到新村接地全長(zhǎng)144 km，改接點(diǎn)至新接地極線(xiàn)路長(zhǎng)54 km，改接點(diǎn)至舊接地極線(xiàn)路全長(zhǎng)33 km。目前新村接地極和部分線(xiàn)路線(xiàn)路閑置，可考慮利用新村接地極作為廣域接地極的終端子站，承擔(dān)少部分接地電流。

以田源、新村接地極作為廣域接地極連接時(shí)，采用順序連接。田源至新村接地極之間的直流線(xiàn)路可利用原從西換流站到新村接地極的線(xiàn)路。該方案工程量較少，同時(shí)利用舊接地極線(xiàn)路全長(zhǎng)33 km，僅需改造改接點(diǎn)直新接地極線(xiàn)路54 km為同塔雙回接地線(xiàn)路，廣域連接部分接地極直流線(xiàn)路總長(zhǎng)87 km，如圖4（a）所示。

分流結(jié)果見(jiàn)表2，在這種連接方式下，接地極分流系數(shù)分別為：田源接地極73%、新村接地極27%。即新村接地極入地電流是850.5 A，小于目前遷改前允許半小時(shí)運(yùn)行電流1 200 A的要求，能否長(zhǎng)期運(yùn)行還需進(jìn)一步研究，在考慮多回直流的復(fù)合電流情況下，將超過(guò)1 200 A。因此田源－新村廣域接地極連接方案可實(shí)施性不強(qiáng)。

（2）有粵東接地極

若建設(shè)粵東接地極，可將接地極址作為廣域接地極的接入點(diǎn)，分別有方案3逆時(shí)針依次新接地極-田源-魚(yú)龍嶺-天堂，如圖4（b）所示。方案4田源-魚(yú)龍嶺-天堂接地極組成環(huán)形連接，如圖5（c）所示。這種兩種連接方式下，廣域連接總長(zhǎng)度為分別為434 km和735 km。

方案3天堂接地極的分流系數(shù)僅為0.3%，分流效果極其有限。方案4將田源－魚(yú)龍嶺－天堂接地極組成環(huán)形連接，增加了直流線(xiàn)路長(zhǎng)度，但天堂接地極分流效果依然低于3%，對(duì)于東部換流站的廣域接地極連接中，天堂接地極距離其他接地極過(guò)遠(yuǎn)，同時(shí)具有增容共用方案，接入粵西地區(qū)換流站的條件，可舍去天堂接地極作為此廣域接地極的子接地極。

方案5位逆時(shí)針依次粵東－田源－魚(yú)龍嶺作為廣域接地極連接，廣域連接總長(zhǎng)度為260 km，如圖4（d）所示。在這種連接方式下，接地極分流系數(shù)分別為：新極址為86%、田源接地極為10.6%、魚(yú)龍嶺接地極為3.4%。

因魚(yú)龍嶺接地極分流系數(shù)較小，增加一回直流線(xiàn)路連接新極址和魚(yú)龍嶺接地極，組成環(huán)形連接，形成方案6，如圖4（e），廣域連接總長(zhǎng)度為429 km。

組成環(huán)形后，魚(yú)龍嶺接地極入低電流提高約10%，接地極分流系數(shù)分別為：新極址為76.2%、田源接地極為10.4%、魚(yú)龍嶺接地極為13.4%。

方案7：改變廣域接地極接入點(diǎn)，若將田源作為廣域接地極的接入點(diǎn)，依次連接新極址和魚(yú)龍嶺接地極，連接方式如圖4（e）所示。接地極分流系數(shù)分別為：田源接地極為61.1%、新極址為19.5%、魚(yú)龍嶺接地極為19.4%。

圖4 方案2～7廣域接地極連接方案Fig.4 DC WAN grounding electrodes plan 2～7

按照以上幾種連接方式，總結(jié)廣域接地極各接地極的直流線(xiàn)路長(zhǎng)度及分流系數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果可知：

1）由于廣域接地極引線(xiàn)接入點(diǎn)不同，各接地極分流系數(shù)發(fā)生較大變化，通過(guò)改變接地極引線(xiàn)接入點(diǎn)可以調(diào)節(jié)廣域接地極的電流分配情況。

2）田源接地極已經(jīng)有4回直流接入，不宜作為廣域接地極的接地點(diǎn)，且粵東接地極為新建接地極可作為廣域接地極的接入點(diǎn)，一方面可減小其他子接地極的分流系數(shù)，同時(shí)直流線(xiàn)路距離最短，因此不宜采用方案1和7。

3）從線(xiàn)路實(shí)施難度上看，順序連接線(xiàn)路均在珠三角外圍，實(shí)施較容易，環(huán)形連接時(shí)接地極需穿過(guò)珠三角核心區(qū)，實(shí)施難度極大，因此不宜采用方案4和6。

4）新村接地極和田源接地極廣域連接可以利用原有線(xiàn)路，造價(jià)較低，在新村接地極入地電流是850.5 A，也在新村接地允許的半小時(shí)運(yùn)行電流1 200 A內(nèi)，方案2田源－新村廣域連接可以作為備選方案。

5）方案3和方案5的差異在于是否接入天堂接地，從分流效果看，由于天堂接地處于廣域連接的末端，只分流了0.3%電流，但線(xiàn)路很長(zhǎng)，效果不明顯，因此推薦采用方案5粵東－田源－魚(yú)龍嶺（順序連接）廣域連接。

4 廣域接地極的均流計(jì)算

方案5粵東－田源－魚(yú)龍嶺（順序連接），其各子接地極的自然分流分布不均勻時(shí)，若對(duì)廣域接地極采取均流措施，可在接地極直流線(xiàn)路中串接均流電阻，對(duì)各接地極進(jìn)行均流調(diào)整。在廣域連接粵東－田源－魚(yú)龍嶺（順序連接）方式下，在粵東接地極串接一個(gè)電阻值為1Ω的均流電阻，如圖5所示。

圖5 粵東-田源-魚(yú)龍嶺（順序連接）廣域順序連接入地電流（增加均流電阻）Fig.5 DC grounding current for Yuedong-Tianyuan-Yulongling（Sequentialconnection）with current averaging resistor

增加均流電阻后，接地極分流系數(shù)分別為：粵東新極址為58.5%、田源接地極為31.5%、魚(yú)龍嶺接地極為10%。

為使得各子接地極之間電流分配較為均勻，采取串聯(lián)一個(gè)小電阻來(lái)改變廣域接地極的電流分配，繼而使其接地系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)獨(dú)立接地極均能滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行要求不失為一可考慮的均流方案。在增加均流電阻后各子接地極分流系數(shù)如表3所示。

表3 均流電阻與子接地極之間的分流系數(shù)關(guān)系Tab.3 Relation between current averaging resistors and shunt coefficient

從表3可以看出，可采取在子接地極支路增加均流電阻方案來(lái)合理分配各子接地極分流系數(shù)，調(diào)節(jié)效果明顯，加比較小的電阻，如0.5Ω，粵東接地極的即由自然分流的86%降低到69.7%，這樣可以降低粵東接地極的建設(shè)規(guī)模和難度。同樣，魚(yú)龍嶺接地極對(duì)周邊影響相對(duì)較嚴(yán)重，可以在魚(yú)龍嶺接地極接地極串接一個(gè)電阻值，減少魚(yú)龍嶺側(cè)的入地電流。

串聯(lián)電阻流過(guò)大電流時(shí)的發(fā)熱嚴(yán)重，制造難度很大，國(guó)內(nèi)額定電流最大的串聯(lián)電阻參數(shù)見(jiàn)表4，實(shí)物見(jiàn)圖6［14-15］。

圖6 均流電阻器Fig.6 Current averaging resistor

表4 串聯(lián)電阻參數(shù)Tab.4 Series resistor parameters

南方電網(wǎng)的接地極額定電流普遍大于3 000 A，目前設(shè)備需要多組并聯(lián)，并戶(hù)內(nèi)布置改善運(yùn)行環(huán)境，也將給運(yùn)行帶來(lái)很大困難。因此現(xiàn)階段廣域接地極建議采用自然分流。

5 廣域接地極多回直流同時(shí)運(yùn)行工況計(jì)算

三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行工況可適當(dāng)加以考慮，而兩回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行工況則必須考慮，作為最嚴(yán)重工況：廣域接地極中共三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行，基于方案5粵東－田源－魚(yú)龍嶺（順序連接）廣域連接。

考慮魚(yú)龍嶺接入兩回直流，田源或粵東接地極接入一回直流，共三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行時(shí)，包含兩種運(yùn)行工況：魚(yú)龍嶺2回+粵東1回和魚(yú)龍嶺2回+田源1回。其中魚(yú)龍嶺2回+粵東1回三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行分流見(jiàn)圖7。

圖7 魚(yú)龍嶺2回+粵東1回入地電流Fig.7 DC Grounding current of Yulongling 2 loop+Yuedong 1 loop

當(dāng)東1和東2換流站兩回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行，即粵東接地極接入兩回直流，此時(shí)廣域接地極中田源接地極或魚(yú)龍嶺接地極其中一個(gè)子接地極也存在一回同極性單極大地回路運(yùn)行時(shí)，廣域接地極共三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行，包含三種運(yùn)行工況：粵東2回+田源1回、粵東2回+魚(yú)龍嶺（穗東換流站）1回、粵東2回+魚(yú)龍嶺（寶安換流站）1回。

以上多回直流同時(shí)運(yùn)行工況共五種運(yùn)行工況的廣域接地極的各子接地極分流數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 廣域接地極共三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行分流結(jié)果Tab.5 Current shunt result of DC WAN grounding electrodes with simultaneous 3-loop DC（same polarity）

在以上兩種三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行工況下，魚(yú)龍嶺接入兩回+田源或粵東接入一回、粵東接入兩回+田源或魚(yú)龍嶺接入一回共三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行時(shí)，廣域連接粵東－田源－魚(yú)龍嶺（順序連接），三個(gè)子接地極均未超過(guò)其額定電流值，同時(shí)能減少了粵東、魚(yú)龍嶺接地極兩回直流共用異極性時(shí)的電流，降低粵東極址的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)緩解魚(yú)龍嶺接地極對(duì)油氣管道和周邊電力系統(tǒng)的影響，具有實(shí)施的可行性。

6 結(jié) 論

1）廣域接地極可將一回直流單極大地回線(xiàn)運(yùn)行電流由多個(gè)子接地極分擔(dān)，較常規(guī)接地極減小了單個(gè)極址的電磁效應(yīng)。

2）廣域接地極輔以合適的均流措施可滿(mǎn)足多回直流共用的需要，可通過(guò)加小電阻或改變接地極引線(xiàn)接入點(diǎn)來(lái)調(diào)整電流分配，但均流電阻制造難度大，運(yùn)行較復(fù)雜，尚難進(jìn)入實(shí)用階段，廣域連接方案中首先考慮自然分流。

3）新增粵東極址，東1換流站接入廣域連接中，廣域連接粵東－田源－魚(yú)龍嶺（順序連接），能減少粵東、魚(yú)龍嶺接地極兩回直流共用異極性時(shí)的電流，降低粵東極址的設(shè)計(jì)要求，緩解魚(yú)龍嶺接地極對(duì)油氣管道和周邊電力系統(tǒng)的影響，有利于西電東送直流接地極的建設(shè)和運(yùn)行。但在不增加均流電阻的情況下，效益仍不明顯。

4）在三回直流同時(shí)同極性單極大地回路運(yùn)行工況下，廣域接地極均未超過(guò)其額定電流值，同時(shí)能減少了子接地極兩回直流共用異極性時(shí)的電流，降低新極址的設(shè)計(jì)要求。