曹建春，周 新，蔡世超，李 超

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021)

隨著電力科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高壓直流工程建設(shè)越來(lái)越廣泛。接地極是直流輸電工程的重要組成部分,它不僅起著鉗制直流中性點(diǎn)電位的作用,還為直流單極大地回線(xiàn)方式、雙極兩端接地方式提供以大地作為電流返回的通路[1-2]。接地極二次設(shè)備處于一個(gè)強(qiáng)電磁環(huán)境中，工頻電流、雷電侵襲、放電等現(xiàn)象通過(guò)不同途徑引發(fā)各種干擾，將不可避免的干擾二次系統(tǒng)的正常工作，容易造成保護(hù)、測(cè)量裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)，造成監(jiān)控、保護(hù)系統(tǒng)的混亂，嚴(yán)重威脅接地極的安全運(yùn)行，更嚴(yán)重可能還會(huì)造成人身傷害或者金屬設(shè)備的腐蝕[3-5]。

本文從計(jì)算直流入地電流工況下的地電位升、雷電流情況下的磁場(chǎng)、電場(chǎng)及地電位升等參數(shù)入手，通過(guò)數(shù)值計(jì)算評(píng)估接地極電氣二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

1 干擾源分析

電氣二次設(shè)備主要的干擾源有接地極入地電流和雷電沖擊干擾。

接地極入地電流。當(dāng)雙極大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)至單極大地回線(xiàn)運(yùn)行時(shí)接地極流過(guò)大電流，此時(shí)大的接地電流經(jīng)接地極止流入地網(wǎng)，使接地點(diǎn)乃至整個(gè)地網(wǎng)的電位升高。如果二次回路和接地網(wǎng)的連接點(diǎn)靠近大電流的入地點(diǎn)，則這些點(diǎn)的電位隨之升高，在二次回路中造成共模干擾電壓。

雷電沖擊干擾。雷電沖擊通過(guò)兩種方式造成電磁干擾，一是雷擊輸電線(xiàn)路或構(gòu)架時(shí)，有大量的雷擊電流流入接地網(wǎng)中，因接地網(wǎng)電阻的存在有電位差，二次電纜鎧裝外皮或屏蔽層在不同的接地點(diǎn)接地時(shí)就會(huì)產(chǎn)生流過(guò)瞬態(tài)電流，從而在二次電纜的芯線(xiàn)中感應(yīng)出干擾電壓；二是雷擊在高壓線(xiàn)路上產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電流，會(huì)經(jīng)過(guò)測(cè)量用的互感器傳遞到二次回路中。地電位差干擾及雷電干擾為本文研究重點(diǎn)，接地極單極大地運(yùn)行、雷擊接地極線(xiàn)路終端塔均可產(chǎn)生地電位升，雷電流同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的交變磁場(chǎng)和交變電場(chǎng)。

本文結(jié)合錫林郭勒盟(以下簡(jiǎn)稱(chēng)錫盟)接地極的實(shí)際情況，錫盟—泰州±800 kV特高壓直流輸電線(xiàn)路單極大地回路運(yùn)行時(shí)，為確保接地極可靠穩(wěn)定工作，接地極中心配電區(qū)配置控制保護(hù)采集系統(tǒng)、監(jiān)視設(shè)備等二次設(shè)備，尤其接地極線(xiàn)首次配置差動(dòng)保護(hù)，這無(wú)疑對(duì)可靠性提出了更高的要求。為避免外部因素干擾智能設(shè)備正常運(yùn)行，本文分析接地極入地電流及雷電流兩個(gè)干擾源對(duì)接地極內(nèi)設(shè)備的影響，并進(jìn)行仿真計(jì)算；通過(guò)計(jì)算結(jié)果進(jìn)而對(duì)接地極中心配電區(qū)二次電氣設(shè)備安全運(yùn)行進(jìn)行評(píng)估。

2 單極大地運(yùn)行下的地電位

錫盟接地極是錫盟—泰州±800 kV特高壓直流輸電工程送端接地極，接地極極址距錫盟換流站直線(xiàn)距離約40 km。極址中心區(qū)域圍墻內(nèi)占地為16 m×19 m。圍墻內(nèi)布置有阻斷電抗器、阻斷電容器、光學(xué)電流互感器(TA)、支柱絕緣子、接地極線(xiàn)路終端構(gòu)架、預(yù)制艙、紅外測(cè)溫設(shè)備。接地極本體采用同心雙圓環(huán)布置，外環(huán)半徑為435 m、內(nèi)環(huán)半徑為330 m，接地極的內(nèi)外環(huán)均埋深4.5 m。

2.1 接地極主要設(shè)計(jì)輸入

錫盟接地極系統(tǒng)參數(shù)為：直流額定容量10 000 MW；直流線(xiàn)路額定電壓±800 kV；最大持續(xù)額定電流6 250 A；最大2 h過(guò)負(fù)荷電流6 693 A；雙極不平衡電流10 A；強(qiáng)迫能量不可用率不大于0.5%；計(jì)劃能量不可用率不大于1%；單極強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)不大于2次/(極·a-1);雙極強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)不大于0.1次/(極·a-1);最大設(shè)計(jì)溫度90 ℃；投運(yùn)初期單極大地運(yùn)行時(shí)間30天。

2.2 接地極土壤電阻率

根據(jù)錫盟接地極施工圖階段的勘測(cè)結(jié)果，接地極的土壤電阻率見(jiàn)表1。

表1 極址土壤電阻率分布

2.3 單極大地運(yùn)行下的地電位分布

根據(jù)計(jì)算，直流系統(tǒng)單極大地運(yùn)行方式下，考慮入地電流為最大過(guò)負(fù)荷電流(6 693A)。

當(dāng)錫盟換流站單極大地運(yùn)行時(shí)，接地極中心配電區(qū)地電位升小于80.67 V，入地電流由饋電棒流向無(wú)窮遠(yuǎn)，故接地極中心配電區(qū)地電位升不會(huì)影響中心配電區(qū)設(shè)備正常運(yùn)行；在此基礎(chǔ)上接地極中心配電區(qū)構(gòu)支架及預(yù)制艙基礎(chǔ)均做絕緣保護(hù)，絕緣層電阻率不小于5 000 Ω·m。

3 雷電流下的地電位

中心設(shè)備區(qū)域受接地極線(xiàn)路終端構(gòu)架及上方避雷線(xiàn)的保護(hù)，當(dāng)雷擊中避雷線(xiàn)或者終端構(gòu)架后，雷電流通過(guò)構(gòu)架下方的接地體向大地泄放。終端構(gòu)架的每個(gè)“A”支腿下方均與主接地網(wǎng)水平接地體相連，并在交叉處設(shè)置垂直接地體。

針對(duì)雷擊特性及GB 311.1—2012《絕緣配合 第2部分：使用導(dǎo)則》中對(duì)雷電流幅值、波前特性描述，根據(jù)接地極電壓等級(jí)為110 kV，故本文雷電流幅值為150 kA，波前時(shí)間為2.6 ms，雷電流衰減為一半幅值的時(shí)間為50 ms；通過(guò)CDEGS軟件對(duì)雷擊構(gòu)架暫態(tài)過(guò)程中接地極極址暫態(tài)電場(chǎng)及磁場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖1至圖3。

圖1 接地極構(gòu)架雷擊合成磁場(chǎng)幅值分布圖

圖2 接地極構(gòu)架雷擊合成電場(chǎng)幅值分布圖

圖3 接地極構(gòu)架雷擊標(biāo)量電勢(shì)幅值分布圖

圖1、圖2及圖3為接地極中心配電區(qū)雷電流入地時(shí)，合成場(chǎng)強(qiáng)、合成磁場(chǎng)及標(biāo)量電勢(shì)數(shù)值，橫坐標(biāo)表示仿真模型觀(guān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值，通過(guò)觀(guān)測(cè)點(diǎn)各數(shù)據(jù)仿真結(jié)果擬合磁場(chǎng)、電場(chǎng)及電位升曲線(xiàn)，縱坐標(biāo)表示磁場(chǎng)、電場(chǎng)及電位升數(shù)值；由圖1、圖2可以看出，雷電流擊中接地極終端塔后，其中心配電區(qū)主接地網(wǎng)的合成電場(chǎng)強(qiáng)度約為200 A/m，合成磁場(chǎng)強(qiáng)度約為300 V/m且最大值出現(xiàn)在落雷處；由圖3可以看出，落雷處瞬間電勢(shì)較低，表明雷電流由桿塔經(jīng)接地線(xiàn)流入主接地網(wǎng)，隨后散入大地。由于土壤電阻率遠(yuǎn)大于主接地網(wǎng)接地體，故電勢(shì)隨即增大再衰減。

由于雷電流波頭時(shí)間較短，時(shí)間僅為2.6 ms，且合成電場(chǎng)強(qiáng)度約為200 A/m，其值遠(yuǎn)小于二次電纜絕緣耐壓水平，且中心配電區(qū)內(nèi)控制電纜數(shù)量較少，長(zhǎng)度較短，故雷擊構(gòu)架時(shí)不會(huì)影響中心配電區(qū)內(nèi)二次設(shè)備正常運(yùn)行。

4 二次設(shè)備抗干擾分析

4.1 二次系統(tǒng)配置方案

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)接地極重要設(shè)備的運(yùn)行和安全狀態(tài)進(jìn)行全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，換流站設(shè)置一套接地極監(jiān)測(cè)和接地極線(xiàn)路差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。

4.1.1 接地極線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)

接地極線(xiàn)設(shè)置差動(dòng)保護(hù)，保護(hù)功能由換流站完成。在接地極兩根導(dǎo)線(xiàn)上分別裝設(shè)光學(xué)TA，光學(xué)TA通過(guò)光纜接入合并單元，合并單元采集極線(xiàn)電流經(jīng)通信光纜送至換流站實(shí)現(xiàn)接地極線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)功能。合并單元設(shè)備布置在二次設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)。

4.1.2 接地極在線(xiàn)監(jiān)視系統(tǒng)

接地極各種設(shè)備設(shè)置紅外測(cè)溫監(jiān)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)，在極止圍墻內(nèi)安裝電子圍欄等子系統(tǒng)。子系統(tǒng)信息通過(guò)通信電纜接入就地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量接口屏。

在導(dǎo)流構(gòu)架上的每根入地饋線(xiàn)電纜處裝霍爾傳感器測(cè)量導(dǎo)流電纜的入地電纜，采集信息通過(guò)通信電纜接入測(cè)量接口屏。

測(cè)量接口屏將采集子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和圖像通過(guò)通信光纜傳送至換流站。測(cè)量接口屏布置在二次設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)。

4.1.3 其他二次設(shè)備

接地極設(shè)有110 V直流系統(tǒng)、消防探測(cè)器及低壓保護(hù)裝置等均布置二次設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)，設(shè)備間聯(lián)系采用帶屏蔽的控制電纜，控制電纜沒(méi)有連接布置在預(yù)制艙以外的設(shè)備。

4.2 二次設(shè)備抗干擾分析

a.光學(xué)TA一次設(shè)備與合并單元屏之間通過(guò)光纜和電纜連接。

通信接口柜通過(guò)光纖連至接地極線(xiàn)路的光纖復(fù)合架空地線(xiàn)(OPGW)上，將光學(xué)TA的測(cè)量值傳回?fù)Q流站內(nèi)；信號(hào)采集屏沒(méi)有電纜線(xiàn)連接到二次設(shè)備預(yù)制艙外。由于二次設(shè)備與保護(hù)艙外均采用光纜連接，因此具有很強(qiáng)的抗干擾性能。

當(dāng)錫盟換流站單極大地運(yùn)行時(shí)，入地電流無(wú)法流進(jìn)各設(shè)備基礎(chǔ)且中心配電區(qū)各設(shè)備電纜距離較短，最長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度僅為9.7 m，其余電纜長(zhǎng)度不超過(guò)7 m；光纜部分不受電流影響，因此換流站在單極大地運(yùn)行時(shí)，各設(shè)備均可靠運(yùn)行。

b.根據(jù)全光纖電流互感器原理，所測(cè)電流僅為一次傳感光纖環(huán)內(nèi)穿芯帶電導(dǎo)體，任何閉環(huán)外的磁場(chǎng)干擾對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響；但全光纖電流互感器除一次、二次主回路測(cè)量光纖外，在二次側(cè)配置有輔助溫度、調(diào)制器電纜回路。電纜均為雙屏蔽結(jié)構(gòu)，接地方式外屏蔽采用兩端接地、內(nèi)屏蔽采用單端屏柜側(cè)接地，有效防止電磁干擾及靜電干擾；且電纜回路均設(shè)計(jì)配置90 V空氣放電管并聯(lián)，綜上可判斷地電位80.67 V不影響溫度、調(diào)制線(xiàn)回路正常反饋。

因此，從光纖測(cè)量回路、二次輔助回路可知，單極大地運(yùn)行時(shí)的地電位抬升值不影響全光纖電流互感器測(cè)量。

雷電流部分主要通過(guò)站內(nèi)主接地網(wǎng)泄流，架構(gòu)合成電場(chǎng)小于5 kV/m，二次輔助電纜雙層屏蔽絕緣耐壓大于5 kV/m，不影響全光纖電流互感器測(cè)量。

c.合并單元屏、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屏、通信接口屏、電源屏、交流屏等，二次設(shè)備布置在預(yù)制艙方案，預(yù)制艙采用采用鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)墻為金屬裝飾板，電磁屏蔽性能好，二次設(shè)備不受影響。

5 小結(jié)

本文分析接地極入地電流及雷電流對(duì)接地極內(nèi)設(shè)備的影響，并進(jìn)行仿真計(jì)算；極址內(nèi)的二次設(shè)備主要用作測(cè)量和通信，二次設(shè)備與保護(hù)方艙外的聯(lián)系均采用光纜，因此入地電流引起的地電位升基本不會(huì)對(duì)二次設(shè)備造成干擾。

中心配電區(qū)內(nèi)電纜長(zhǎng)度較短且光纜較多，電纜較少，故雷擊構(gòu)架時(shí)不會(huì)影響中心配電區(qū)內(nèi)二次設(shè)備正常運(yùn)行，保證直流系統(tǒng)輸送功率的安全和穩(wěn)定。