高壓直流輸電工程共用接地極運(yùn)行風(fēng)險及防范措施工程應(yīng)用

熊 偉，賈培亮，陳達(dá)軒，張?zhí)旌疲跞痫@

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 511300）

0 引 言

隨著電力需求的不斷增長和能源互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，高壓直流輸電工程已經(jīng)成為了現(xiàn)代電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分[1]。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，共用接地極作為一個關(guān)鍵的組成部分，發(fā)揮著重要的作用[2]。因此，深入研究高壓直流輸電工程共用接地極的運(yùn)行問題，分析其中的風(fēng)險，并提出有效的防范措施，變得至關(guān)重要。

1 高壓直流輸電工程共用接地極簡介

高壓直流輸電是一種利用直流電在遠(yuǎn)距離輸送大功率的技術(shù)，主要由整流站、逆變站、直流輸電線路、接地極、接地極引線以及控制保護(hù)系統(tǒng)等組成[3]。接地極是高壓直流輸電系統(tǒng)中必不可少的組成部分，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于單極大地回線方式或雙極不平衡運(yùn)行方式時，為系統(tǒng)雙極間不平衡電流流通提供通路，能夠防止雷擊和漏電等故障[4]。共用接地極運(yùn)行方式根據(jù)有無電流流過共用接地極，可分為有電流流過運(yùn)行方式和無電流流過運(yùn)行方式。

有電流流過運(yùn)行方式是當(dāng)2 個或多個高壓直流輸電系統(tǒng)采用同一接地極時（見圖1），由于各系統(tǒng)的運(yùn)行方式不同或者相同但不平衡，導(dǎo)致共用接地極中存在不平衡電流[5]。該運(yùn)行方式的特點(diǎn)是共用接地極的電位會隨著各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)而變化。

圖1 分流等效電路

無電流流過運(yùn)行方式是當(dāng)2 個或多個高壓直流輸電系統(tǒng)采用同一接地極時，由于各系統(tǒng)的運(yùn)行方式相同且平衡，導(dǎo)致共用接地極中不存在不平衡電流。該運(yùn)行方式的特點(diǎn)是共用接地極的電位相對穩(wěn)定，對環(huán)境和設(shè)備的影響較小。但在實(shí)際運(yùn)行中，由于各系統(tǒng)之間存在參數(shù)差異和控制誤差，完全無電流流過共用接地極的情況很難實(shí)現(xiàn)。

2 高壓直流輸電工程共用接地極運(yùn)行風(fēng)險分析

2.1 共用接地極對系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響

在高壓直流輸電工程中，共用接地極的運(yùn)行方式直接關(guān)系著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。正常情況下，高壓直流輸電系統(tǒng)通過共用接地極實(shí)現(xiàn)電流的均衡分布，以保持系統(tǒng)的雙極運(yùn)行狀態(tài)。然而，共用接地極導(dǎo)致正負(fù)極逆變器和直流換流變的工作狀態(tài)不一致，進(jìn)而影響系統(tǒng)的電氣穩(wěn)定性。在某些情況下，系統(tǒng)需要采用單極大地回線方式運(yùn)行，共用接地極的存在會干擾這種運(yùn)行模式的實(shí)施。共用接地極的電勢變化影響系統(tǒng)中單極運(yùn)行模式下的電壓分布，從而使得系統(tǒng)難以穩(wěn)定地維持單極運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)的直流功率調(diào)節(jié)困難，影響系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性和可靠性。

2.2 共用接地極對系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響

共用接地極上電流的變化會引起接地極電壓波動、過熱以及電阻增大等問題。電流的變化會導(dǎo)致接地極電壓的波動，進(jìn)而影響系統(tǒng)的電氣穩(wěn)定性。過高的電流使得接地極過熱，導(dǎo)致接地極材料受損，從而降低其可靠性。同時，共用接地極的運(yùn)行方式會對系統(tǒng)的控制和保護(hù)功能造成潛在風(fēng)險。特別是在有電流流過的共用接地極中，當(dāng)一個系統(tǒng)發(fā)生故障時，其他系統(tǒng)也會受到影響，導(dǎo)致整個系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。例如，如果A 系統(tǒng)發(fā)生直流斷路器故障，共用接地極上的電流變化導(dǎo)致B 系統(tǒng)的直流電壓波動，影響B(tài) 系統(tǒng)的功率控制。這種相互影響導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)誤判，增加系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險，甚至引發(fā)事故。共用接地極對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和效率也會產(chǎn)生影響，電流在共用接地極上的流動會引起能量損耗，從而降低系統(tǒng)的傳輸效率，能量損耗不僅浪費(fèi)電能，還增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

2.3 共用接地極對環(huán)境和設(shè)備的影響

共用接地極的運(yùn)行會對相關(guān)設(shè)備造成影響。電流在共用接地極上的變化會導(dǎo)致接地極材料內(nèi)部產(chǎn)生焦耳熱，從而使接地極過熱。過高的溫度會損害接地極材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和導(dǎo)電性能，從而降低接地極的可靠性。電流變化還會改變接地極電阻，影響其有效的接地效果。這種接地效果的不穩(wěn)定性會影響系統(tǒng)的電氣穩(wěn)定性，甚至可能引發(fā)設(shè)備故障。共用接地極中電流的變化還會引發(fā)電磁場輻射，對周圍的設(shè)備和人員產(chǎn)生電磁輻射干擾。這種干擾會影響設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至可能對人員的健康造成一定影響。因此，在共用接地極的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，需要綜合考慮這些因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備以及環(huán)境的安全性。

3 高壓直流輸電工程共用接地極運(yùn)行風(fēng)險防范措施

3.1 接地極選址措施

在高壓直流輸電工程中，接地極選址的合理性決定了其與土壤環(huán)境及周圍設(shè)施的相互影響。土壤電阻率的評估是關(guān)鍵的一步。土壤電阻率直接影響接地極的電阻情況，較高的話能有效減少接地極的電阻，從而降低電化學(xué)腐蝕和土壤溫升等風(fēng)險。通常情況下，土壤電阻率不應(yīng)超過100 Ω·m，最好控制在10 Ω·m以下。此外，足夠的土壤含水量也有助于降低土壤的溫度變化，從而有利于控制土壤溫升。通常要求土壤含水量不低于10%，最好保持在20%以上。同時，雖然高鹽分含量能提高土壤的導(dǎo)電性，降低接地極的電阻，但是過高的鹽分含量會加劇土壤的腐蝕性，影響土壤和水質(zhì)的性質(zhì)。通常要求土壤的鹽分含量不應(yīng)超過0.5%，最好控制在0.1%以下。此外，土壤的酸堿度也是需要考慮的因素之一。在選址時，土壤的pH 值一般應(yīng)保持在6.5 ～8.5，最好接近7。對于地下的金屬構(gòu)件，如管道、光纜、鐵軌等，應(yīng)避免或遠(yuǎn)離接地極選址，以減少電位差和電化學(xué)腐蝕的風(fēng)險。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式和控制策略優(yōu)化

3.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行方式選擇和切換優(yōu)化

不同的運(yùn)行方式會在不同情況下影響系統(tǒng)性能。對于雙接地極系統(tǒng)，可以選擇雙極平衡運(yùn)行、單極大地回線運(yùn)行或開環(huán)控制運(yùn)行等方式。選擇適當(dāng)?shù)姆绞叫枰C合考慮負(fù)載情況、系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率等因素。例如，在高負(fù)載情況下，選擇雙極平衡運(yùn)行可以更好地平衡系統(tǒng)，而在部分負(fù)載情況下，選擇單極大地回線運(yùn)行更合適。同時，切換不同運(yùn)行方式時，需要確保平穩(wěn)、快速和可靠的轉(zhuǎn)換。一種優(yōu)化策略是基于模糊邏輯的方式切換。這種方法可以根據(jù)各系統(tǒng)的直流功率、電壓、極性等因素，動態(tài)調(diào)整切換條件和時間。例如，當(dāng)一個系統(tǒng)的功率遠(yuǎn)超過其他系統(tǒng)時，系統(tǒng)可以根據(jù)模糊邏輯規(guī)則自動切換到另一種運(yùn)行方式，以平衡系統(tǒng)負(fù)荷。

3.2.2 系統(tǒng)電壓和電流控制策略優(yōu)化

由于共用接地極中存在不平衡電流，需要優(yōu)化系統(tǒng)的電壓和電流控制策略。一種有效的策略是滑模變結(jié)構(gòu)控制。該方法引入滑模面和滑模變量，通過在系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時自適應(yīng)地調(diào)整控制量，實(shí)現(xiàn)對電壓和電流的健壯性控制，有助于抵消不平衡電流帶來的影響，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另一種策略是考慮不同系統(tǒng)之間的耦合效應(yīng)。耦合效應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)不匹配，影響控制精度。因此，控制策略應(yīng)該采取協(xié)調(diào)的措施，確保系統(tǒng)之間的電壓和電流保持穩(wěn)定。

3.3 環(huán)境和設(shè)備保護(hù)措施

當(dāng)2 個或多個高壓直流輸電系統(tǒng)共用接地極時，需要安裝和維護(hù)相應(yīng)的監(jiān)測與保護(hù)設(shè)備，以實(shí)時監(jiān)測共用接地極的運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理出現(xiàn)的故障和異常。

接地極電位監(jiān)測裝置一般由電位計(jì)、參比電極、信號傳輸線等組成，安裝在接地極附近的合適位置，定期或連續(xù)地記錄接地極電位，并將數(shù)據(jù)傳送到控制中心或現(xiàn)場顯示器。接地極電位監(jiān)測裝置可以幫助分析共用接地極對系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，判斷共用接地極是否發(fā)生故障或異常。

金屬管道腐蝕監(jiān)測裝置一般由電流密度計(jì)、電位差計(jì)、溫度計(jì)以及pH 計(jì)等組成，安裝在金屬管道或結(jié)構(gòu)物的表面或內(nèi)部，定期或連續(xù)地測量金屬管道或結(jié)構(gòu)物的電流密度、電位差、溫度以及pH 值等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到控制中心或現(xiàn)場顯示器。金屬管道腐蝕監(jiān)測裝置可以幫助制定合理的防腐蝕和絕緣措施，并判斷金屬管道或結(jié)構(gòu)物是否需要更換或修復(fù)。

4 共用接地極工程應(yīng)用實(shí)例分析

云廣特高壓直流輸電工程是全球首個±800 kV直流輸電項(xiàng)目，覆蓋從云南省楚雄市到廣東省廣州市，輸電距離達(dá)1 438 km，額定容量為5×106kW。貴廣Ⅱ回直流輸電工程則是國內(nèi)±500 kV 直流輸電項(xiàng)目，橫跨自貴州省興仁市至廣東省深圳市，全程長達(dá)1 225 km，額定容量為3×106kW。這2 個工程共同采用單極大地回線運(yùn)行方式，共用一個位于廣東清遠(yuǎn)市的接地極。

共用接地極方案的設(shè)計(jì)與評價主要涵蓋以下3個方面。

第一，接地極選址和設(shè)計(jì)?？紤]2 個工程的運(yùn)行參數(shù)與條件，選擇了位于廣東省清遠(yuǎn)市飛來峽鎮(zhèn)的沼澤濕地作為共用接地極的位置。該位置具有土壤濕度高、導(dǎo)電性好、土壤酸度低以及金屬管道稀少等優(yōu)勢，從而降低接地極的電阻和腐蝕風(fēng)險。這種方案采用創(chuàng)新的雙層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合不銹鋼網(wǎng)和鋁網(wǎng)，以獲得卓越的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。

第二，系統(tǒng)運(yùn)行方式和控制策略。2 個工程均采用同極性的單極大地回線運(yùn)行方式，即云廣特高壓直流輸電工程采用正極大地回線，貴廣Ⅱ回直流輸電工程采用負(fù)極大地回線，因此共用接地極中的電流等于2 個系統(tǒng)的電流之和。正常運(yùn)行時，按功率需求執(zhí)行恒功率控制，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)其中一個系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時，另一個系統(tǒng)會自動切換至恒電壓控制，并根據(jù)故障性質(zhì)和范圍進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。當(dāng)2 個系統(tǒng)同時出現(xiàn)故障或異常時，會優(yōu)先確保云廣特高壓直流輸電工程的運(yùn)行，并根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

第三，環(huán)境和設(shè)備保護(hù)措施。針對共用接地極產(chǎn)生的不平衡電流對周圍環(huán)境和設(shè)備的影響，采取了一系列的保護(hù)措施。這包括定期監(jiān)測和分析接地極周圍的土壤與水質(zhì)，評估污染程度和影響范圍，然后采取相應(yīng)的改善和治理措施，如調(diào)整土壤pH 值、增加有機(jī)物含量、施加脫鹽劑以及種植耐鹽植物等。另外，需要定期檢查和維護(hù)接地極附近的金屬管道與結(jié)構(gòu)物。

運(yùn)行結(jié)果表明，這一方案在各方面都表現(xiàn)出可行性，為2 個工程的運(yùn)行提供了有力的支持。接地極的電阻、電位變化等指標(biāo)表現(xiàn)出穩(wěn)定性和可控性，同時有效控制了對周圍環(huán)境和設(shè)備的影響。

5 結(jié) 論

高壓直流輸電工程共用接地極的運(yùn)行問題需要全面考慮和解決，各方共同努力。只有通過科學(xué)的分析、切實(shí)可行的防范措施以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的不斷積累，才能確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為能源輸送提供可靠支持，同時為電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。