劉亞杰

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司±800 千伏伊克昭換流站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200）

引言

我國能源資源和能源需求不均勻分布的基本現(xiàn)狀決定了我國能源呈現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量輸送等特征；同時(shí)化石能源的日益枯竭以及環(huán)境污染等壓力使風(fēng)能、太陽能等新型能源被大規(guī)模應(yīng)用。但由于這類新型能源發(fā)電的間歇性、隨機(jī)性等不穩(wěn)定因素以及電力系統(tǒng)自身消納能力的技術(shù)限制等問題，給電力建設(shè)帶來許多技術(shù)挑戰(zhàn)。此時(shí)高壓直流輸電技術(shù)以下絕對優(yōu)勢：大規(guī)模電能的遠(yuǎn)距離輸送，促進(jìn)新能源的并網(wǎng)及消納，實(shí)現(xiàn)大范圍能源資源的優(yōu)化配置以及現(xiàn)有電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的提升等，近年來得到快速的發(fā)展。

在高壓直流輸電工程中，直流接地極承擔(dān)著雙極運(yùn)行時(shí)鉗制中性點(diǎn)零電位和單極運(yùn)行時(shí)流通直流工作電流的重要作用；由于土地資源日益緊張，共用接地極技術(shù)被廣泛應(yīng)用，通過直流接地極的電流日趨增大，對直流接地極的散流機(jī)理及溫升過程進(jìn)行精確模擬及分析是超特高壓直流輸電接地極優(yōu)化設(shè)計(jì)及解決由大電流入地導(dǎo)致的嚴(yán)重溫升及直流腐蝕和偏磁等重要措施。

一、直流接地極的接地性能研究現(xiàn)狀

基于科學(xué)技術(shù)客觀上的發(fā)展需要，以及計(jì)算機(jī)所提供的物質(zhì)基礎(chǔ)，各種數(shù)值計(jì)算軟件被用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)研究過程中，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式法逐步被取代。直流接地極散流過程是直流電流在土壤區(qū)域中形成恒定電場的物理過程，因而采用基于電磁場理論的數(shù)值方法更能直觀地模擬其散流機(jī)理。同時(shí)，基于電磁場理論的數(shù)值計(jì)算方法能對任意接地導(dǎo)體實(shí)際結(jié)構(gòu)、土壤參數(shù)特性以及復(fù)雜分層土壤和塊狀土壤結(jié)構(gòu)等情況進(jìn)行處理和模擬。總結(jié)當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前有關(guān)接地計(jì)算的電磁場理論的方法主要有有限差分法、矩量法、邊界元法和有限元法。

（一）有限差分法

有限差分法將求解區(qū)域劃分為網(wǎng)格，然后建立以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組。即其過程為以Taylor 級數(shù)展開等方法為基礎(chǔ)，用節(jié)點(diǎn)上函數(shù)值的插商代替控制方程中的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行離散。該方法能直觀地將微分問題轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷶?shù)問題，數(shù)學(xué)概念直觀簡單。

（二）矩量法

矩量法由R.F.Harrington 在1968 年提出，認(rèn)為在細(xì)接地導(dǎo)體內(nèi)只有沿軸向方向流通的電流。傳統(tǒng)矩量法在計(jì)算量和計(jì)算速度上并不盡如人意，所以基于傳統(tǒng)矩量法的欠缺，許多研究者提出與此算法相關(guān)的改進(jìn)計(jì)算方法。T.N.Giao 和M.P.Sarma 提出了將接地導(dǎo)體分段的概念。

（三）邊界元法

邊界元法的控制方程為定義在邊界上的邊界積分方程，其通過將邊界上的單元進(jìn)行差值離散從而化為代數(shù)方程進(jìn)行求解。故可以將三維問題降為邊界面上的二維問題，將二維問題降為邊界線上的一維問題，繼而顯著降低自由度數(shù)，最終得到低階線性代數(shù)方程組。

（四）有限元法

有限元法以拉普拉斯方程為控制方程，并結(jié)合相應(yīng)的邊界條件，應(yīng)用伽遼金加權(quán)余量法或者變分法對控制方程進(jìn)行處理，將原來較難求解的微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進(jìn)行求解。從而將復(fù)雜的大型求解區(qū)域的場量問題化為求解有限個(gè)單元的單元節(jié)點(diǎn)上的場量問題。

（五）土壤參數(shù)溫度特性的研究現(xiàn)狀

土壤是由固體以及固體間包含的液體和氣體組成的，是具有多孔特征的導(dǎo)電媒質(zhì)。直流輸電系統(tǒng)以單極大地運(yùn)行方式運(yùn)行時(shí)，數(shù)千安的電流通過接地導(dǎo)體泄流進(jìn)入周圍土壤導(dǎo)電媒質(zhì)，在土壤媒質(zhì)中形成電場，并伴隨有電能轉(zhuǎn)化為熱能的物理過程；此過程中的熱能導(dǎo)致土壤中的水分蒸發(fā)，繼而使其電阻率增大，導(dǎo)電能力下降；上述動態(tài)過程進(jìn)一步加速了電能向熱能的轉(zhuǎn)化過程，使土壤溫升速度加快。另外，土壤熱導(dǎo)率、容積熱容量等熱參數(shù)也產(chǎn)生不同程度的改變。

二、土壤參數(shù)溫度特性

（一）土壤基本結(jié)構(gòu)及電導(dǎo)理論

土壤由固、液、氣及各種有機(jī)物組成，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。固相物質(zhì)包括各種礦物質(zhì)、動植物殘?bào)w及其衍生物、分泌物等有機(jī)物質(zhì)和活的動物、微生物等，是土壤中各種物理過程的主要載體。液相物質(zhì)存在于土壤顆粒間的空隙中，其實(shí)質(zhì)為含有多種化學(xué)物質(zhì)的水溶液，是熱和溶質(zhì)在土壤中傳輸?shù)闹饕d體，且處于土壤中不同位置的水具有不同的形態(tài)、能態(tài)以及不同的物理性質(zhì)。氣相物質(zhì)與液相物質(zhì)相同，也存在于土壤各空隙中。

土壤中的固體膠粒帶有一定的電荷，同時(shí)土壤孔隙中的水分中含有許多帶電離子。所以我們可以把土壤看作多價(jià)電解質(zhì)。當(dāng)存在外部電場時(shí)，土壤電解質(zhì)中的陰、陽離子以相反的方向移動，從而產(chǎn)生導(dǎo)電現(xiàn)象。且土壤電導(dǎo)原理與溶液電導(dǎo)具有一定的相似性，其導(dǎo)電能力與土壤中的離子濃度以及離子遷移率有關(guān)。不過，土壤是一個(gè)集固、液、氣于一體的多相體系，其導(dǎo)電通道是多個(gè)不同截面積、不同長度的復(fù)雜通路。具體可將其概括為三種導(dǎo)電路徑：（1）沿著內(nèi)部空隙中的溶液導(dǎo)電；（2）沿著土壤顆粒與水相串聯(lián)的路徑導(dǎo)電；（3）沿著連續(xù)的土壤顆粒路徑導(dǎo)電。其中第一種導(dǎo)電路徑直接與土壤含水量有關(guān)，而第二種導(dǎo)電路徑與土壤中水分的粘度和固液接觸面的表面張力以及土壤顆粒性質(zhì)有關(guān)，第三種導(dǎo)電路徑與土壤類型參數(shù)有關(guān)。所以，這三種通道的導(dǎo)電能力不僅與土壤中溶液的離子濃度有關(guān)，還與土壤中水分的含量有關(guān)。影響土壤中水分含量的因素有很多，包括土壤所在的地理位置、空氣環(huán)境以及土壤的保水性能等。所以不同地區(qū)、不同類的導(dǎo)電能力有明顯差異。

（二）土壤電、熱參數(shù)溫度特性

土壤是一個(gè)集固、液、氣于一體的多相體系，其中土壤固體顆粒間充斥著水分和空氣，在結(jié)構(gòu)上有明顯的多孔特征。當(dāng)上千安的直流電流經(jīng)接地極散流至周圍土壤導(dǎo)電媒質(zhì)中，沿上述三種導(dǎo)電通道導(dǎo)電，在散流區(qū)域中產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)電場。同時(shí)根據(jù)焦耳熱定律可知，電能在土壤中會轉(zhuǎn)化為熱能消耗在導(dǎo)電媒質(zhì)土壤中，從而引起接地極周圍的土壤溫度升高；高溫下土壤中的水分慢慢蒸發(fā)，使土壤中水分含量降低，故而直接導(dǎo)致接地極周圍土壤電阻率增大，以及土壤熱導(dǎo)率、容積熱容等熱參數(shù)發(fā)生變化；土壤電阻率的增大現(xiàn)象使其導(dǎo)電能力下降，進(jìn)一步加速電能向熱能的轉(zhuǎn)化，土壤溫度持續(xù)升高。例如，我國葛上±500kV 直流接地極即因土壤溫度升高而導(dǎo)致引流電纜燒毀、引流端土壤局部硬化等嚴(yán)重問題。

直流電流通過接地極散流入周圍土壤導(dǎo)電媒質(zhì)中，形成電場；同時(shí)由于土壤自身存在一定的電阻率，根據(jù)焦耳熱定律可知，此過程中伴隨著電能與熱能的轉(zhuǎn)化；大量的熱能使土壤溫度有不同程度的升高，經(jīng)過一定的時(shí)間積累，從而導(dǎo)致土壤中水分的蒸發(fā)，使土壤中得水分含量減小，土壤中電、熱參數(shù)不再恒定不變；土壤中電阻率的增大進(jìn)一步影響土壤中電場的分布，而土壤熱導(dǎo)率、容積熱容量等熱參數(shù)的變化則進(jìn)一步加速土壤溫度升高過程。綜上所述，直流接地極散流過程，不是簡單的恒定電場問題，同時(shí)還伴隨溫度場的變化，是電場和溫度場相互耦合、相互影響的過程。

三、深井接地極的布置型式與結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用于實(shí)際工程的深井接地極一般為3至6根長垂直形電極并聯(lián)運(yùn)行，滿足散流和接地電阻的要求。假定極址土壌電阻率在水平方向是均勻的，顯然，當(dāng)各子電極呈正多邊形布置時(shí)，經(jīng)由任意一根電極入地的電流均相同，否則可能因?yàn)殡姌O之間的屏蔽效應(yīng)而出現(xiàn)電流分配不均、部分電極無法得到有效利用的情況。因此當(dāng)極址條件允許時(shí)應(yīng)盡可能將子電極布置成正多邊形，使總?cè)氲仉娏髟诟髯与姌O之間平均分配，獲得較好的散流和溫升特性。

直流電流首先經(jīng)架空線或電纜從換流站接至接地極導(dǎo)流系統(tǒng)中也母線，再通過導(dǎo)流線分別連接至各子電極。考慮到單井長度較長，若僅在電極頂端注入電流，注入點(diǎn)處電流集中易引起溫升過高和過度腐蝕的問題，為此可將電極分為若干段或増加電流注入點(diǎn)數(shù)目，通過引流電纜進(jìn)行分流。

（一）饋電棒

饋電棒是埋設(shè)在焦炭中的良導(dǎo)體，為保證接地極在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)可靠運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)條件和極址±壤性質(zhì)，合理選擇饋電棒的材料、電極長度和截面直徑，防止電極因嚴(yán)重腐蝕而斷裂或引起發(fā)熱故障。

（二）石油焦炭

在接地極中，焦炭主要起兩方面的作用，一是増加電極的等效直徑，降低電極與止壤接觸面的電流密度，二是充當(dāng)饋電棒和止壤之間的導(dǎo)電介質(zhì)，將離子導(dǎo)電轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訉?dǎo)電，從而抑制金屬電極材料的電腐蝕作用。幾乎所有的直流接地極均采用石油焦炭作為填充材料。實(shí)際使用時(shí)，石油焦炭需經(jīng)鍛燒并研磨成粉狀，保證與饋電導(dǎo)體緊密接觸。但焦炭顆料并非越細(xì)越好，考慮到深井接地極排氣的需要，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇焦炭粒徑，使填充后的焦炭具有較好的透氣性，防止塞氣管道而阻礙排氣。

（三）鋼管護(hù)壁

護(hù)壁外側(cè)用混凝±填充鋼管與周圍王壤之間的空隙，所用的混凝止應(yīng)能快速凝固且具有較低的電阻率，降低鋼管和王壤的接觸電阻。除固井作用之外，由于鉆井完成后井內(nèi)充滿地下水，鋼管護(hù)壁還可防止灌注時(shí)焦炭漿向四周流失。

四、特高壓直流接地極溫升計(jì)算及影響因素分析

通過研究單根電極結(jié)構(gòu)參數(shù)對深并接地極溫升的影響，包括電極長度、電極埋深、焦炭截面直徑、鋼管護(hù)壁。以及電極布置型式對深井接地極溫升的影響，包括：子電極數(shù)目、極體間距、電極分段數(shù)、電流注入點(diǎn)數(shù)目對接地極溫升的影響，結(jié)果表明：接地極上下端部的溫升明顯高于中部；當(dāng)注流點(diǎn)位于饋電棒頂端且入地電流很大時(shí)，在電極自身發(fā)熱和端部效應(yīng)的共同作用下，可能使電極頂端的溫升高于底端，溫度曲線表現(xiàn)為先緩慢下降，尾部上揚(yáng)的趨勢；埋深增加時(shí)，電極首端散流增大，最大溫升増加，但其對溫升的影響更大程度與極化止壤分層結(jié)構(gòu)有關(guān)；增大焦炭外徑可明濕改善接地極溫升，但受到最大鉆井直徑的限制；鋼管護(hù)壁對饋電椿溢流的密度分布影響較大但對最大溫升影響很小。改變子電極布置方式，計(jì)算結(jié)果表明：其它參數(shù)不變時(shí)，接地極最大溫升速率隨子電極數(shù)増加接地極在額定電流下的最大允許運(yùn)行時(shí)間基本隨電極間距的増加而線性増加；調(diào)整電極分段數(shù)和注流點(diǎn)數(shù)及其位置對最大濕升的影響可忽略不汁，并不能改善深井接地極的端部效應(yīng)。

五、結(jié)論

當(dāng)前我國的直流接地極大都采用圓環(huán)型水平布置，接地極用地規(guī)模較大，隨著直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，系統(tǒng)容量和額定電流增加，接地極選化和征地困難的問題越來越突出。深井接地極占地面積小，可建在地形狹窄或不平坦的地區(qū)，大大降低了對極址的要求，但由于端部效應(yīng)嚴(yán)重，溫升成為制約深井接地技術(shù)發(fā)展的重要因素。目前深井接地極尚未運(yùn)用于實(shí)際工程中，大部分通過仿真分析的方法研究了接地極的結(jié)構(gòu)對溫升及接地特性的影響。