±500 kV富寧換流站分體接地極接地參數(shù)測試與分析

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(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217； 2.直流輸電技術(shù)國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院)，廣州 510663)

0 引言

直流接地極是直流輸電工程的重要組成部分，在單極大地運行時承擔(dān)著全部入地電流，在雙極運行方式中承擔(dān)不平衡入地電流，并起到鉗制中性點電位的作用。接地極的參數(shù)是否滿足有關(guān)技術(shù)要求，直接關(guān)系到直流輸電工程能否安全運行[1-7]。接地極的主要參數(shù)包括接地電阻、跨步電壓、饋電電纜分流、附近設(shè)備的接觸電壓等[8-9]，這些參數(shù)是否滿足設(shè)計要求值，是設(shè)計、運行等單位關(guān)注的問題，筆者結(jié)合永富直流工程富寧換流站分體接地極，對測試方法進(jìn)行介紹，對測試結(jié)果進(jìn)行分析，可對同類工程的現(xiàn)場測試提供參考。

1 富寧換流站分體接地極簡介

±500 kV永富直流工程是為了觀音巖水電站電力送出工程。該工程直流輸電容量為3 000 MW，直流線路長度為577 km。富寧換流站接地極設(shè)計最大持續(xù)額定電流3 000 A，最大過負(fù)荷電流3 691 A(2 h)，最大暫態(tài)電流(3 s)4 200 A。富寧接地極采用那弄極址和那連極址并聯(lián)的分體式設(shè)計方案，接地極線路總長度64 km，兩個接地極之間距離3.11 km。設(shè)計時兩個接地極通過均流電阻保證各分50%的入地電流[11]。

2 分流系數(shù)測試與分析

2.1 分流系數(shù)測試方法

采用自備電源測試時，注入電流的方式與第3部分測量接地電阻相同[9]。測試時，采用大口直徑直流鉗形電流表鉗套于饋電電纜上，測量各饋電電纜電流Ii和注入接地極的總電流，各饋電電纜的分流系數(shù)為

(1)

式中Nca為饋電電纜根數(shù)。測量時要求接地極入地電流基本保持恒定，電流表指定的電流方向與實際電流方向一致，同時注意電流表顯示的背景電流值及正負(fù)號并消除其影響。

2.2 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果如下圖所示，所有饋電電纜的電流不超過電纜允許值。采用自備試驗電源和系統(tǒng)單極大地運行大電流下測試數(shù)據(jù)非常接近，電流分配的趨勢基本一致，其中外環(huán)8根電纜的分流較大，內(nèi)環(huán)8根電纜的分流較少。小電流和大電流情況測試結(jié)果相比，那連接地極分流系數(shù)最大差值為0.81%；那弄接地極最大差值為0.86%，說明完全可以采用自備試驗電源進(jìn)行分流系數(shù)的測試。實測值和設(shè)計值相比，那連接地極最大偏差不超過總電流的1.16%，那弄接地極最大偏差電流不超過總電流的2.86%，實測值和設(shè)計值結(jié)果具有較高的一致性。這種偏差主要由于設(shè)計時用單一土壤電阻率進(jìn)行了等效，而接地極址各點土壤電阻率存在差異。

兩個接地極在系統(tǒng)單極大地運行時入地電流分布如圖2所示。各種工況下那連接地極分流48.35%，那弄接地極分流51.65%。兩個分體接地極的分流接近50%，因此再增加串聯(lián)分流電阻的意義不大，可不增加，但在后續(xù)運行中應(yīng)持續(xù)關(guān)注分流情況。

圖1 接地極分流系數(shù)側(cè)結(jié)果Fig.1 The results of the distributary coefficient

圖2 分體接地極分流情況Fig.2 The distribution of the grounding pole

3 接地電阻測試與分析

3.1 接地電阻測試方法

通過自備直流電源的方式進(jìn)行兩個接地極的接地電阻測試，接線示意圖如圖3所示。

圖3 接地極接地電阻測試示意圖Fig.3 Schematic diagram of grounding resistance test

考慮現(xiàn)場拆除接地極引線的方便，測試時利用接地極線路的左極線作為電流注入線，右極線作為電位線。因此需要拆開位于位置1的那連接地極最后一基桿塔N130處、那連和那弄接地極之間第一基桿塔N131(圖中位置2)、那弄接地極最后一基桿塔N140處(圖中位置3)三個位置的接地極線路右極線與左極線之間的連接金具并采用絕緣繩固定，并在上述三個位置右極線引下臨時引線。在測量那連接地接地電阻時，為避免阻斷電抗器直流電阻對測試結(jié)果的影響，將臨時電壓引線接入到電纜管母處，并斷開那連、那弄接地極之間的臨時引線；在測量那弄接地極接地電阻時，為避免兩個接地極之間接地極線路直流電阻的影響，將臨時電壓引線1和臨時電壓引線2直接連接，臨時電壓引線3連接到那弄接地極。

測試電位時，采用在不同的桿塔處引線到地面進(jìn)行電位的測試，在每次測試升電流前進(jìn)行背景電壓U0的測試，在升流過程中關(guān)注電壓是否線性變化，且最終的入地電流滿足規(guī)程大于50A的要求[9]。根據(jù)實測接地極相對零電位點的電位U和直流電流回路中的電流I，得到視在接地電阻Re=(U-U0)/I，通過不少于三個位置的測試值的平均值得到接地電阻。

3.2 測試結(jié)果分析

在接地極線路不同位置的7基桿塔處進(jìn)行了接地電阻測試，結(jié)果如圖4所示，那連接地極接地電阻平均值為0.520 Ω，比設(shè)計值偏大15.4%；那弄接地極接地電阻平均值為0.382 Ω，比設(shè)計結(jié)果偏大9.2%。兩個接地極測試結(jié)果均比設(shè)計值大且趨勢一致，引起這一偏差的主要原因可能是接地極土壤電阻率取值偏小有關(guān)。

圖4 接地電阻測試結(jié)果Fig.4 The results of grounding resistance test

那連接地極測試時背景電壓值均為負(fù)值，占測試電壓的0.6%到1.4%；那弄接地極背景電壓占測試電壓0.3%到1.9%，對測試結(jié)果影響非常小，可認(rèn)為忽略不計。兩個接地極的電壓測試位置相同，注入電流基本相同，背景電壓對接地電阻較小的接地極影響相對較大，在接地電阻測試時應(yīng)盡可能增大注入電流，從而增大測試電壓，減少背景電壓對測試結(jié)果的影響。

根據(jù)接地電阻測試結(jié)果以及那連那弄接地極間線路的直流電阻值計算得到那連/那弄的分流比例約0.901，而文中第2部分測量得到那連/那弄的分流比例為0.936，相差0.035，可認(rèn)為接地電阻的比值與入地電流分流比值一致，測量結(jié)果可信。

4 跨步電壓測試與分析

4.1 測試方法

跨步電壓測試前應(yīng)在接地極極址圖紙上注明要開展測試的基點，在選定的基點沿接地極極環(huán)徑向選取測量點，以1 m為間距由近至遠(yuǎn)測量地面 1 m 間的電位差即為跨步電壓。根據(jù)設(shè)計說明和經(jīng)驗，最大跨步電壓出現(xiàn)在極環(huán)外側(cè)、距電極水平距離約等于該處電極埋設(shè)深度(約4 m)的地方[4-6]，測試時對極環(huán)外側(cè)測量10組數(shù)據(jù)，極環(huán)內(nèi)側(cè)測量10組數(shù)據(jù)。測試時采用硫酸銅參比電極，滿足規(guī)程要求自身電位差小于5 mV的規(guī)定。由于測試時的電流和最大入地電流不同，因此現(xiàn)場測試得到的電位需要換算到最大入地電流下的電位，其換算表達(dá)式為：

(2)

式中Im為測試時注入的電流，Ugm為在注入電流下測試得到的電壓值，Ugc為折算后的電壓值，Ic為最大入地電流或者額定入地電流。

4.2 小電流測試結(jié)果分析

采用自備試驗電源測試時極址場地正在平整，測試結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出兩個極址跨步電壓最大值均出現(xiàn)在極環(huán)外側(cè)的3～5 m處，與經(jīng)驗趨勢一致。但實測跨步電壓測量曲線都有多個極值，與設(shè)計按均勻土壤電阻率計算時只有一個極值不同，這可能與現(xiàn)場土壤電阻率在每個位置的土壤電阻率分布不均有關(guān)，在土壤電阻率相對較大的位置，跨步電壓的測量結(jié)果就會偏大。由于在設(shè)計時，采用水平土壤電阻率進(jìn)行了等效，因此跨步電壓的控制值只有一個，而實際每個位置土壤電阻率可能存在差異，如那弄接地極12號往外的測試曲線中，第2～7個點在每相隔1 m的情況下均出線了跨步電壓的跳變，很有可能是由于接地極土壤電阻率分布差異和現(xiàn)場場地未平整造成的。因此建議在設(shè)計時應(yīng)給出一定的土壤電阻率范圍，以便試驗人員進(jìn)行比較。

圖5 跨步電壓測試結(jié)果Fig.5 The results of step voltage

采用試驗電源注入電流時，場地未平整完，在現(xiàn)場采用挖機(jī)對表面進(jìn)行壓實后再次進(jìn)行測量。測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 特殊情況下跨步電壓測試Fig.6 The results of step voltage under special conditions

那連接地極東外環(huán)往外四個測點的測試數(shù)據(jù)均比壓實前小，跨步電壓最大偏差103.2 mV，折算后偏差3.096 V。9號往外的10個測試點中，有3個位置的測試值的偏差小于3 mV，小于規(guī)程要求的硫酸銅電極5 mV的要求，可認(rèn)為這三個點實際可能沒有被壓實；剩余6個測試點有4個測試點壓實后跨步電壓減小，跨步電壓偏差值的累計值減小，因此可認(rèn)為排除測試位置誤差后跨步電壓減小?？绮诫妷鹤畲笃?7.34 mV，折算后偏差2.20 V。因測試當(dāng)晚下雨，在第二天對9號往外再次進(jìn)行了復(fù)測，測量結(jié)果與壓實后相比有7個點偏小，累計值偏小，認(rèn)為雨后測量結(jié)果偏小，最大偏差43.32 mV，折算后最大偏差1.30 V。根據(jù)以上測試情況，在接地極進(jìn)行跨步電壓測試時，應(yīng)在接地極復(fù)耕后的晴天進(jìn)行測量。

4.3 單級大地運行方式測試結(jié)果分析

系統(tǒng)調(diào)試時間單極大地運行僅有15分鐘，因此跨步電壓的測點主要選擇在采用自備電源測試時跨步電壓超過設(shè)計允許值的位置。在測試時，為消除測試時的累計誤差，采用參考點法進(jìn)行測試，即保證跨步電壓一端固定在檢測井處，另一端測試不同位置對檢測井處的電壓值，其1 m之間的差值就是跨步電壓值。此時入地電流以2.2節(jié)中測量到的接地極的入地電流為作為計算值，跨步電壓結(jié)果如圖7所示。

圖7 接地極大電流下復(fù)測結(jié)果Fig.7 The results of step voltage under single pole- ground operations

由圖7可以看出，在系統(tǒng)800 A、1 600 A和3 000 A入地電流情況下，跨步電壓的實測值與入地電流成正比，與理論情況一致，說明大電流測試時跨步電壓的測量結(jié)果具有很高的準(zhǔn)確性。最大跨步電壓出現(xiàn)的位置與自備電源測試結(jié)果有差異，部分復(fù)測結(jié)果的最大值出現(xiàn)在靠近檢測井的位置，這與現(xiàn)場復(fù)耕后檢測井附近位置地表有大量卵石，而從3 m往更遠(yuǎn)的地方是莊稼地，地表為泥土，土壤電阻率有差異有關(guān)，如圖8所示。

圖8 地表土壤情況Fig.8 Surface soil condition

根據(jù)DL/T 5224—2015高壓直流大地返回運行系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定附錄中數(shù)據(jù)[10]，黏土、粉土、濕沙的電阻率在10～103Ω·m之間，干沙、卵石的電阻率為103～105Ω·m。按照卵石的最小電阻率1 000 Ω·m考慮，DL/T 437中的跨步電壓允許值表達(dá)式[12]：

E=7.42+0.0318ρs

E為地面允許最大跨步電壓，V/m，ρs為表層土壤電阻率，Ω·m，則跨步電壓允許值為39.2 V，因此認(rèn)為靠近檢測井的跨步電壓值在允許范圍內(nèi)。

對于那連接地極9位置跨步電壓突然變化，可能的原因是由于測量位置有一個約1.3 m的田坎邊坡以及中間的水渠造成的，田坎和水渠改變了跨步電壓的分布，且實際情況中并不會出現(xiàn)人的雙腳分別在田坎的上下沿以及水渠的兩側(cè)，因此認(rèn)為該數(shù)據(jù)對安全沒有影響。

5 結(jié)論與建議

介紹了富寧換流站分體接地極參數(shù)測試方法以及對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論和建議：

1)采用自備試驗電源注入小電流和800 A、1 600 A、3 000 A下測量的饋電電纜分流系數(shù)偏差較小，測試方法和測試結(jié)果可信，兩個接地極的分流接近50%，兩個接地極之間可不增加均流電阻。

2)跨步電壓值超過了設(shè)計允許值，與設(shè)計時將土壤等效為單一土壤有關(guān)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況分析，跨步電壓值在安全范圍內(nèi)，建議設(shè)計單位給出土壤電阻率取值范圍，以便試驗人員分析。

3)跨步電壓受表層土壤的壓實程度、天氣是否下雨影響很大，建議跨步電壓在接地址完全復(fù)耕且自然沉降后的晴天測量。

4)單極大地運行方式時間較短，在實際直流工程中先采用自備電源進(jìn)行測試，再結(jié)合調(diào)試過程中單極大地運行工況，采用大電流對可能存在的異常位置進(jìn)行復(fù)測。