陳安村接地極近區(qū)地電位及電網(wǎng)偏磁電流計(jì)算

胡錦根，陳文強(qiáng)，魏華兵，朱貴池，姚 暉

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司超高壓分公司，杭州 311121）

0 引言

±800 kV UHVDC（特高壓直流輸電）系統(tǒng)在單極大地方式運(yùn)行時(shí)，接地極的額定入地電流可達(dá)到5 000 A 或6 250 A，由于接地極的入地電流大且接地極近區(qū)的電網(wǎng)相對(duì)密集，多數(shù)UHVDC工程的建設(shè)都需考慮變壓器的偏磁治理［1］。在溪洛渡—浙西（以下簡(jiǎn)稱“溪浙”）UHVDC 工程建設(shè)中，由于大量采用電容隔離裝置治理金絲接地極的直流偏磁，造成一些被治理廠站的偏磁電流轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致治理規(guī)模擴(kuò)大［2］。目前，白鶴灘—浙北UHVDC 工程已開工建設(shè)，需要研究如何治理該工程接地極的偏磁影響。

大地電阻率決定地表電位分布，是導(dǎo)致接地極近區(qū)交流廠站變壓器偏磁的根本原因，在大地電阻率建模中采用的大地?cái)?shù)據(jù)是準(zhǔn)確評(píng)估變壓器偏磁風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。工程采用的模型包括均一模型［3］、分層模型［4］和基于MT（電磁測(cè)深）數(shù)據(jù)的三維模型［5］，其中：均一模型過(guò)于理想化，已經(jīng)很少使用；分層模型將大地電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層等效，建模過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，使用最多，但計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差較大；三維模型相對(duì)準(zhǔn)確，但對(duì)接地極地電流影響范圍MT 數(shù)據(jù)的精度要求高。文獻(xiàn)［6-7］所用模型是普通接地仿真中小區(qū)域土壤模型的等效，沒(méi)有證據(jù)表明可代表大范圍的地質(zhì)情況，有關(guān)規(guī)程規(guī)定設(shè)計(jì)中需測(cè)量地下20 km的大地電阻率［8-9］，但實(shí)際中通常僅測(cè)量接地極極址中心的大地電阻率，按接地極初步設(shè)計(jì)的MT數(shù)據(jù)測(cè)量范圍及深度，建立地下20 km 的大地模型計(jì)算廠站地電位和電網(wǎng)偏磁電流，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差很大。

為準(zhǔn)確計(jì)算接地極電流的地電位，本文收集大量的大地MT 歷史數(shù)據(jù)，利用所獲的淺層和深層MT 數(shù)據(jù)，通過(guò)延拓接地極周邊MT 剖面圖，建立以陳安村接地極為中心，半徑150 km、深300 km 的三維大地模型，計(jì)算接地極周邊廠站的地電位和電網(wǎng)的偏磁電流，旨在為陳安村接地極近區(qū)廠站地電位計(jì)算和陳安村接地極的偏磁治理方案提供準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 接地極近區(qū)大地模型

1.1 大尺度電阻率數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)［10］深部探測(cè)計(jì)劃項(xiàng)目的MT 數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)［11-12］長(zhǎng)江中下游找礦的MT數(shù)據(jù)，歸納整理浙江省各地區(qū)和上海、安徽相關(guān)地區(qū)的深層大地電阻率，見表1。文獻(xiàn)［10］的MT測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度為4°×4°，測(cè)試深度達(dá)350 km。文獻(xiàn)［11-12］的長(zhǎng)江中下游MT 為浙江南部和西部建模提供數(shù)據(jù)。由于測(cè)深點(diǎn)的尺度和測(cè)試的深淺不同，僅根據(jù)表1數(shù)據(jù)建模會(huì)產(chǎn)生計(jì)算誤差，還需要收集更多的數(shù)據(jù)與資料，對(duì)表1電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充和處理。

1.2 大地?cái)?shù)據(jù)補(bǔ)充與處理

浙江西部位于郯廬斷裂東側(cè)，郯廬斷裂以東的長(zhǎng)江中下游地區(qū)相對(duì)呈高阻特征［10］。浙江西北和東南地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)展演化史與浙西不同，地質(zhì)構(gòu)造的差異導(dǎo)致大地電性的差異［13-15］。陳安村接地極距太湖較近，湖州市和湖州—嘉善東西向斷裂、長(zhǎng)興—奉化北西向斷裂和學(xué)川—湖州東北深斷裂構(gòu)造巖層富含裂隙水［16-18］。利用這些影響因素對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充和處理，得到建立大地構(gòu)造模型的數(shù)據(jù)，其中：距陳安村接地極110 km 的杭州灣水深100 m，取海水電阻率為1 Ω·m；距陳安村接地極60 km的太湖平均深度2 m，取太湖水電阻率為10 Ω·m。

表1 浙江省各地區(qū)和上海、安徽相關(guān)地區(qū)大地電阻率數(shù)據(jù)

1.3 大地模型建立方法

根據(jù)表1 和文獻(xiàn)［13-18］數(shù)據(jù)，建立以陳安村接地極為中心，半徑150 km 范圍的分區(qū)塊大地模型，三維大地模型示意圖和建立的坐標(biāo)系如圖1所示，以地理方位的正南方向?yàn)閄軸、正東方向?yàn)閅軸、垂直大地方向?yàn)閆軸建立三維模型，圖1中標(biāo)注粗黑線區(qū)域?yàn)? 個(gè)區(qū)塊第1 層電阻率數(shù)據(jù)模型，基于電阻率的接地極影響范圍的多層多區(qū)塊數(shù)據(jù)，構(gòu)成整個(gè)接地極影響范圍的大地模型。根據(jù)大量MT 數(shù)據(jù)建立的大地模型，比均一模型和一維分層大地模型更符合實(shí)際。

圖1 接地極近區(qū)大地三維模型

2 地電位計(jì)算與結(jié)果驗(yàn)證

2.1 算法和計(jì)算結(jié)果

用ANSYS軟件對(duì)建立的大地模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將大地模型橫向水平分為100層，每層劃分為100×100 水平網(wǎng)格，如圖2 所示。然后以接地極注入大地電流為激勵(lì)，應(yīng)用ANSYS軟件計(jì)算接地極入地電流、在極址周邊形成的地電位分布和各廠站地電位。

圖2 陳安村極址大地模型網(wǎng)格劃分

單級(jí)大地方式下，陳安村接地極額定入地電流為5 000 A，應(yīng)用ANSYS 軟件計(jì)算得到距接地極150 km 范圍內(nèi)，220 kV 及以上電壓等級(jí)124 個(gè)廠站的地電位。表2 給出10 個(gè)廠站地電位計(jì)算結(jié)果，極址近區(qū)地電位分布云圖如圖3 所示，其中，極址中心的地電位最大值為50.609 7 V。

表2 陳安村極址近區(qū)220～1 000 kV廠站地電位

圖3 極址近區(qū)地電位分布計(jì)算結(jié)果

2.2 計(jì)算結(jié)果的誤差分析

在2014 年溪浙直流工程調(diào)試期間，對(duì)金絲接地極的偏磁影響進(jìn)行過(guò)實(shí)測(cè)。根據(jù)國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院提供的500 A地電流工況下浙江電網(wǎng)220 kV和500 kV廠站變壓器中性點(diǎn)電流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用文獻(xiàn)［10-18］數(shù)據(jù)建立金絲接地極大地模型，計(jì)算2014 年浙江電網(wǎng)各廠站的地電位，再建立2014年浙江電網(wǎng)的偏磁電流模型，計(jì)算流過(guò)主變壓器中性點(diǎn)的偏磁電流，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較，證明算法的有效性和大地模型的準(zhǔn)確性。金絲接地極影響的廠站數(shù)量比較多，表3 給出6 座500 kV 廠站和4 座220 kV 廠站實(shí)測(cè)值和計(jì)算值。

表3 500 A工況下變壓器偏磁電流實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

從表3的比較結(jié)果可見，中性點(diǎn)電流的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定誤差，距接地極較近站點(diǎn)的誤差相對(duì)較大。造成誤差的原因有：一是目前能收集到的可用大地電阻率數(shù)據(jù)資料較少，所建立的大地模型仍然不夠精細(xì)；二是離接地極越近，地電位變化梯度越大，而且大地的電性及其構(gòu)造極其復(fù)雜，基于收集到的MT數(shù)據(jù)建立的大地模型，還不能精細(xì)反映地電位的特征。

計(jì)算電網(wǎng)偏磁電流，主要是為直流調(diào)試階段的電網(wǎng)偏磁電流的實(shí)測(cè)選點(diǎn)和直流工程建設(shè)階段的偏磁治理提供數(shù)據(jù)支撐。表3 的計(jì)算結(jié)果表明，雖然計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定的誤差，但計(jì)算確認(rèn)的超標(biāo)站點(diǎn)數(shù)量和治理站點(diǎn)數(shù)量是準(zhǔn)確的，證明大量MT 數(shù)據(jù)的收集和對(duì)大地模型數(shù)據(jù)的處理是有效的，與均一模型和分層模型相比，三維模型的精度更高。

在溪浙直流工程的建設(shè)中，按變壓器中性點(diǎn)偏磁電流的規(guī)定限值，對(duì)超標(biāo)廠站變壓器進(jìn)行偏磁治理，溪浙直流的額定電流為5 000 A，將表3廠站變壓器的偏磁電流折算到額定值，表3廠站的變壓器都進(jìn)行了偏磁治理。溪浙直流工程金絲接地極偏磁治理的站點(diǎn)較多，其原因是浙西大地電阻率較大［10］。

3 浙北電網(wǎng)偏磁電流計(jì)算

根據(jù)計(jì)算的廠站地電位，建立電網(wǎng)偏磁電流模型，計(jì)算偏磁電流并提出治理方案。

3.1 電網(wǎng)偏磁電流算法

根據(jù)浙江220 kV 及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)接線［19］和計(jì)算獲得的124 個(gè)廠站地電位數(shù)據(jù)，按照文獻(xiàn)［19］中關(guān)于GIC（地磁感應(yīng)電流）建模的標(biāo)準(zhǔn)，建立距陳安村接地極150 km 內(nèi)電網(wǎng)的直流模型，采用文獻(xiàn)［20］方法可計(jì)算接地極近區(qū)電網(wǎng)各座廠站變壓器中性點(diǎn)的偏磁電流水平。

3.2 浙北電網(wǎng)偏磁電流

截至2020年6月，浙江電網(wǎng)有3座1 000 kV變電站、56座500 kV變電站和近400座220 kV變電站。在距陳安村接地極半徑150 km 范圍內(nèi)，有1 000 kV 安吉站、27 座500 kV 廠站和近150 座220k V 廠站。根據(jù)這150 座廠站相連線路、變壓器電阻和廠站接地電阻等數(shù)據(jù)，按照文獻(xiàn)［19］的GIC 算例模型，建立陳安村接地極影響的電網(wǎng)偏磁電流模型。表4 給出量值較大的10 個(gè)廠站變壓器中性點(diǎn)偏磁電流計(jì)算結(jié)果。按UHVDC 建設(shè)中性點(diǎn)電流不超18 A 的標(biāo)準(zhǔn)，這些廠站主變壓器的偏磁電流均超標(biāo)。

表4 5 000 A工況極址近區(qū)部分廠站偏磁電流計(jì)算結(jié)果

4 陳安村接地極偏磁治理建議

浙北經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，浙北電網(wǎng)的500 kV 廠站數(shù)量較多，500 kV 線路的長(zhǎng)度相對(duì)較短，因此在陳安村接地極5 000 A地電流工況下，浙北電網(wǎng)受影響的廠站數(shù)量相對(duì)較少。本文的計(jì)算結(jié)果表明，表3 的10 座廠站變壓器的偏磁電流超標(biāo)，需要進(jìn)行接地極偏磁治理。

2014 年，在±800 kV 溪浙直流工程建設(shè)中，大量采用電容型隔直裝置治理變壓器中性點(diǎn)偏磁電流，造成治理廠站變壓器偏磁電流轉(zhuǎn)移，治理的廠站數(shù)量增多。另外，文獻(xiàn)［19］的研究結(jié)果表明，采用電容型隔直裝置治理接地極的偏磁電流，會(huì)使電網(wǎng)一些廠站變壓器中性點(diǎn)的GIC 增大，例如：在1989 年3 月13 日地磁暴的GMD（地磁擾動(dòng)）作用下，500 kV寧海站變壓器中性點(diǎn)GIC的最大值從32.31 A 增大到103.1 A；在2004 年11 月9日和2017 年9 月7 日地磁暴的GMD 作用下，500 kV寧海站變壓器中性點(diǎn)GIC的最大值從10 A增大到90 A［19］。

為防止偏磁治理造成的電網(wǎng)偏磁電流大范圍轉(zhuǎn)移，以及綜合考慮電網(wǎng)GIC變壓器偏磁的治理，借鑒文獻(xiàn)［21］基于小電阻均攤電網(wǎng)GIC 偏磁電流的優(yōu)化方法，提出綜合治理陳安村接地極和地磁暴偏磁的方案。另外，針對(duì)不銹鋼電阻片治理裝置耐受電流能力不高、經(jīng)常損壞，以及治理裝置的保護(hù)單獨(dú)配置、運(yùn)維管理不便等問(wèn)題，提出使用基于無(wú)感繞線電阻的偏磁治理裝置，并將治理裝置的保護(hù)納入廠站自動(dòng)化系統(tǒng)的解決方案。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究結(jié)論如下：

1）廣泛收集大地MT 歷史數(shù)據(jù)與資料，充分利用可用的數(shù)據(jù)建立三維大地模型，可以有效提高接地極地電位的計(jì)算精度。

2）接地極電流入地后擴(kuò)散迅速，大地的電性及其構(gòu)造對(duì)地電位變化梯度影響較大，本文考慮深層和淺層大地電阻率的差異及其影響，地表和淺層大地模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的原因。

3）與均一大地模型和分層大地模型相比，三維大地模型能準(zhǔn)確反映大地的電性及其構(gòu)造變化，三維模型可為偏磁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供支撐。

4）接地極偏磁治理會(huì)增大一些廠站發(fā)生地磁暴偏磁事故的風(fēng)險(xiǎn)，建議在陳安村接地極偏磁治理中考慮GIC偏磁的治理。