均流電阻對(duì)直流接地極運(yùn)行性能的影響分析

童雪芳， 譚 波， 李元杰

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司， 武漢 430074； 2.武漢大學(xué)， 武漢 430072)

0 引 言

直流接地極是高壓直流輸電工程的一個(gè)必要組成部分。直流電流從接地極流散，在大地中形成恒定電流場(chǎng)，會(huì)對(duì)周邊交流電網(wǎng)變壓器產(chǎn)生直流偏磁影響，對(duì)周邊埋地金屬管道產(chǎn)生腐蝕影響，會(huì)在極址周圍產(chǎn)生跨步電壓引發(fā)人身安全影響[1-5]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力需求迅速增加，直流輸電工程迅猛發(fā)展，我國(guó)已成為世界上投運(yùn)直流工程最多的國(guó)家[6]。為了盡量提高輸送能力，直流接地極的入地電流也越來越大，從早期的一千多安培已提升至六千多安培[7]。隨著交直流輸電網(wǎng)架越來越密集，直流接地極的選址越來越困難。有時(shí)為了避開直流入地電流對(duì)周邊設(shè)施的影響而不得不將接地極極址選擇在土壤電阻率相對(duì)較高或場(chǎng)地有限的地區(qū)[8]。這給接地極的跨步電壓設(shè)計(jì)造成了巨大的壓力，單純地依靠增加極環(huán)尺寸和埋深降低跨步電壓的方法不僅工程耗資巨大，有時(shí)也會(huì)受場(chǎng)地的限制而無法實(shí)施。

另一方面，由于極環(huán)導(dǎo)體之間的屏蔽效應(yīng)、土壤電阻率分布的各向差異性等因素，直流接地極各極環(huán)、甚至各環(huán)段的散流量往往存在差異，導(dǎo)致極址的跨步電壓分布不平衡，實(shí)際測(cè)試時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)一部分區(qū)域跨步電壓超標(biāo)，另一部分區(qū)域的跨步電壓卻又大大低于允許值的情況，整個(gè)接地極的散流能力并未得到充分的利用。基于此，有研究者提出了采用均流電阻調(diào)節(jié)接地極各部分的電流配比，從而有效降低接地極最大跨步電壓的方法[9-10]。

均流電阻裝置屬于發(fā)熱性的電氣設(shè)備，以電熱材料制作主要器件。為了保證可靠運(yùn)行，設(shè)備發(fā)熱溫度需滿足材料使用溫度范圍，同時(shí)均流電阻的熱效應(yīng)導(dǎo)致的阻值偏移的程度不宜顛覆均流電阻的效果，影響接地極的運(yùn)行性能。

現(xiàn)有對(duì)直流接地極均流電阻的研究主要集中在均流電阻阻值的選取方法以及均流電阻裝置的研制上。文獻(xiàn)[11]給出了均流電阻阻值選取的方法；文獻(xiàn)[12]研制了一種緊湊型接地極用均流電阻器。更大量的研究則是集中于中性點(diǎn)接地電阻器，針對(duì)裝置本身的設(shè)計(jì)、溫度場(chǎng)、材料等開展研究[13-16]。

本研究以國(guó)內(nèi)目前常用的圓環(huán)形接地極為對(duì)象，分析了接地極加裝均流電阻后的電氣性能和溫升特性變化，分析了均流電阻阻值變化對(duì)接地極運(yùn)行特性的影響，可為實(shí)際工程中接地極均流電阻的應(yīng)用和運(yùn)維提供參考。

1 加裝均流電阻前后圓環(huán)接地極的性能對(duì)比

1.1 電氣性能

以水平四圓環(huán)接地極為例，從內(nèi)到外極環(huán)半徑為160 m、200 m、250 m和300 m，饋電棒為截面φ50 mm的高硅鉻鐵，焦炭截面取0.8 m×0.8 m，電極埋深3.5 m。入地電流為5 000 A。土壤結(jié)構(gòu)取水平雙層土壤模型，上、下層土壤電阻率分別為ρ1=100 Ω·m、ρ2=500 Ω·m，上層土壤厚度h1=50 m。

通過CDEGS軟件建模計(jì)算，極環(huán)上從內(nèi)到外四環(huán)的散流量占比分別為9.6%、12.0%、22.9%和55.5%，最外環(huán)散流量明顯高于其他三環(huán)。沿著極環(huán)軸向的地面觀測(cè)線上的跨步電壓分布見圖1?？梢姡瑢?duì)于圓環(huán)接地極，跨步電壓分布呈現(xiàn)若干個(gè)“M”形串聯(lián)分布特征，在每個(gè)極環(huán)上方兩側(cè)各存在一跨步電壓峰值Um。這主要是因?yàn)榻拥貥O導(dǎo)體表面的電流沿徑向流散；向接地極正上方流散的電流在接近地面區(qū)域時(shí)，由于缺乏繼續(xù)流散的空間，向兩側(cè)轉(zhuǎn)向，這樣接地極正上方地表電流密度小，跨步電壓較低，即M形的中間低谷。由于“轉(zhuǎn)向”的電流在接地極正上方兩側(cè)到達(dá)地表，造成地表電流密度較大，跨步電壓較高，即M形的兩個(gè)尖峰。由于各極環(huán)散流不均勻，最外環(huán)散流量最大，最外環(huán)附近Um明顯高于其他三環(huán)附近的Um。

圖1 加裝均流電阻前地面跨步電壓分布Fig.1 Distribution of step voltage before installing current equalizing resistance

為了減小整個(gè)場(chǎng)區(qū)的最大跨步電壓，通過加裝均流電阻將部分電流分配較高的環(huán)段的電流“驅(qū)趕”至電流分配較少的環(huán)段，使總?cè)氲仉娏髟跇O環(huán)上的分布更均勻。通過計(jì)算，從內(nèi)到外各極環(huán)加裝均流電阻的阻值如下：r1=0.25 Ω，r2=0.35 Ω，r3=0.4 Ω，r4=0.5 Ω。

加裝均流電阻后，極環(huán)上從內(nèi)到外四環(huán)的散流量占比分別為26.4%、22.9%、25.3%和25.4%，外環(huán)散流量明顯減小，而靠?jī)?nèi)兩環(huán)的散流量增加。沿著極環(huán)半徑方向的地面觀測(cè)線上的跨步電壓分布見圖2?？梢?，加裝均流電阻后，各環(huán)附近的Um相近，整個(gè)接地極的最大跨步電壓明顯減小，減小量達(dá)到32.3%。

圖2 加裝均流電阻后地面跨步電壓分布Fig.2 Distribution of step voltage after installing current equalizing resistance

1.2 溫升性能

采用Anasys軟件建模計(jì)算接地極在入地電流下的溫升。計(jì)算條件為土壤初始溫度為30 ℃，周圍空氣溫度為30 ℃。材料參數(shù)選擇見表1。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

加裝均流電阻前、后，接地極流通單極大地運(yùn)行電流30天后，地下3.5 m深沿著極環(huán)軸向的溫度分布見圖3?？梢?，隨著與接地極中心距離的增加，溫升分布呈現(xiàn)若干個(gè)“∧”形串聯(lián)分布特征；極環(huán)處的溫度高于周邊土壤，與極環(huán)的距離越遠(yuǎn)，土壤的溫度越低。直流接地極為四圓環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，軸向溫度分布出現(xiàn)4個(gè)峰值，分別位于4個(gè)極環(huán)處。由于環(huán)段不同位置散流密度的不同，環(huán)段的最高溫度出現(xiàn)在極環(huán)與電纜連接的注流點(diǎn)處。加裝均流電阻前，從內(nèi)到外，各環(huán)的最高溫度依次為31.1 ℃、31.2 ℃、33.0 ℃和43.5 ℃；加裝均流電阻后，從內(nèi)到外，各環(huán)的最高溫度依次為38.3 ℃、34.3 ℃、33.8 ℃和33.0 ℃。

圖3 地下3.5 m深沿軸向30天后的溫度分布Fig.3 Temperature distribution in the depth of 3.5 m underground along the axial direction after 30 days

與加裝均流電阻前后散流密度的變化趨勢(shì)相比，可見兩者是相同的，各環(huán)溫升的變化主要是由于各環(huán)散流密度的變化引起的。加裝均流電阻，使最大溫升從外環(huán)移到內(nèi)環(huán)，各極環(huán)的溫升相對(duì)更均衡，最大溫升有所減小。

2 均流電阻阻值變化對(duì)接地極電流分布和跨步電壓的影響

當(dāng)均流電阻裝置的電阻主體元件持續(xù)的流過電流，特別是大電流時(shí)，主體元件將產(chǎn)生大量熱量，電阻阻值會(huì)隨之上升。但是,為了保證接地極的安全穩(wěn)定運(yùn)行,均流電阻的電阻材料的溫度系數(shù)應(yīng)較低，其發(fā)熱導(dǎo)致的阻值變化不應(yīng)使最大跨步電壓超過限值標(biāo)準(zhǔn)，以致影響接地極的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本節(jié)通過分析均流電阻阻值變化對(duì)接地極電流分布和跨步電壓的影響程度，尋求均流電阻阻值變化的控制范圍，為均流電阻器的電阻材料選用和運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。

2.1 各極環(huán)均流電阻阻值均衡變化

在上述四圓環(huán)接地極參數(shù)下，假設(shè)各極環(huán)均流電阻阻值均衡變化，當(dāng)均流電阻阻值分別增大5%、10%、15%和20%時(shí)，各極環(huán)上的散流量變化率和極環(huán)附近最大跨步電壓變化率結(jié)果見圖4。

圖4 極環(huán)散流量和Um變化率Fig.4 Change rate of polar ring current and Um

當(dāng)均流電阻阻值按比例增加時(shí),由于從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，增加的阻值逐漸增大，內(nèi)環(huán)增加的阻值最小，外環(huán)增加的阻值最大，因此內(nèi)環(huán)及靠近內(nèi)環(huán)的中間極環(huán)的分流會(huì)增加，外環(huán)及靠近外環(huán)的中間極環(huán)分流會(huì)減小，且內(nèi)環(huán)分流增加幅度最大，外環(huán)分流減小幅度最大。

對(duì)于跨步電壓，主要受本身極環(huán)自阻抗的影響，其次是相鄰極環(huán)的互阻抗影響。對(duì)于內(nèi)環(huán)和外環(huán)，由于其本身極環(huán)自阻抗影響最大，同時(shí)其本身的電流幅度變化最大，因此，內(nèi)環(huán)和外環(huán)的跨步電壓變化趨勢(shì)與電流變化趨勢(shì)一致。隨著均流電阻阻值的增加，內(nèi)環(huán)附近的最大跨步電壓逐漸增加，外環(huán)附近的最大跨步電壓逐漸減小。而中間極環(huán)，假設(shè)與內(nèi)、外環(huán)距離相同，此時(shí)由于內(nèi)環(huán)接地電阻更大，內(nèi)環(huán)對(duì)中間環(huán)的互阻抗更強(qiáng)，同等電流下引起的跨步電壓更大，使內(nèi)環(huán)對(duì)中間環(huán)的影響相對(duì)更大。因此，隨著均流電阻阻值的逐漸增加，中間環(huán)靠近內(nèi)環(huán)的極環(huán)、甚至偏向外環(huán)的極環(huán)的跨步電壓變化趨勢(shì)都會(huì)與內(nèi)環(huán)的變化趨勢(shì)一致。

從數(shù)值上來看，均流電阻阻值變化時(shí)，內(nèi)環(huán)的最大跨步電壓變化率最大。在所計(jì)算的算例下，均流電阻阻值偏移量在20%以內(nèi)時(shí)，極環(huán)電流和最大跨步電壓變化率在5%以內(nèi)。

2.2 各極環(huán)均流電阻阻值不均衡變化

將各極環(huán)均流電阻變化率的最大差值定義為不均衡度。為了尋找最嚴(yán)重的情況，當(dāng)變化不均衡度和幅度為5%時(shí)，計(jì)算以下幾種均流電阻變化不均衡的情況：

1)r1不變，r2、r3、r4增加5%。

2)r1、r2不變，r3、r4增加5%。

3)r1、r2、r3不變，r4增加5%。

各種情況下跨步電壓的變化率比較結(jié)果見圖5。由圖可見，在均流電阻變化不均衡的情況下，極環(huán)1均流電阻阻值不變，其余極環(huán)均流電阻阻值同等最大幅度變化是最嚴(yán)重的，此時(shí)跨步電壓變化率最大，最大變化率出現(xiàn)在內(nèi)環(huán)。

圖5 極環(huán)散流量和Um變化率Fig.5 Change rate of polar ring current and Um

下面選擇最嚴(yán)重的情況，即極環(huán)1均流電阻阻值不變，其余極環(huán)均流電阻阻值同等最大幅度變化，分析均流電阻變化幅度或不均衡度更高時(shí)，對(duì)最大跨步電壓的影響。具體計(jì)算以下幾種均流電阻變化情況：

4)r1增加5%，r2、r3、r4增加10%。

5)r1增加10%，r2、r3、r4增加15%。

6)r1不變，r2、r3、r4增加10%。

7)r1增加5%，r2、r3、r4增加15%。

8)r1不變，r2、r3、r4增加15%。

其中1)、4)、5)為均流電阻阻值變化不均衡度為5%，最大變化幅度從5%增加為15%的情況；6)、7)為均流電阻阻值變化不均衡度為10%，最大變化幅度從10%增加為15%的情況；8)為均流電阻阻值變化不均衡度為15%，最大變化幅度為15%的情況。

在上述各種情況下，各極環(huán)電流和最大跨步電壓的變化率見圖6。由圖可見，隨著均流電阻變化幅度或不均衡度增加，極環(huán)電流和最大跨步電壓的變化率均增加。在1)、4)的情況下，極環(huán)電流和最大跨步電壓的變化率在10%以內(nèi)。因此，考慮到各個(gè)均流電阻可能存在的變化不均衡性時(shí)，要將最大跨步電壓的變化控制在10%以內(nèi)，均流電阻的阻值變化不宜超過5%，或者均流電阻的阻值變化可達(dá)10%，但必須同時(shí)限制各均流電阻間的變化不均衡度不超過5%?？紤]偏嚴(yán)情況，可以前者對(duì)均流電阻的研制進(jìn)行控制，即考慮均流電阻的溫度系數(shù)，均流電阻的阻值變化不宜超過5%。

圖6 極環(huán)散流量和Um變化率Fig.6 Change rate of polar ring current and Um

3 結(jié) 語(yǔ)

1)圓環(huán)接地極軸向上跨步電壓分布呈現(xiàn)若干個(gè)“M”形串聯(lián)分布特征，在每個(gè)極環(huán)上方的內(nèi)、外兩側(cè)數(shù)米處各出現(xiàn)1個(gè)跨步電壓峰值。加裝均流電阻，可以將電流分配較高環(huán)段的電流“驅(qū)趕”至電流分配較少的環(huán)段，使總?cè)氲仉娏髟跇O環(huán)上的分布更均勻，各極環(huán)附近的跨步電壓峰值更均衡，從而減小接地極的最大跨步電壓。

2)圓環(huán)接地極軸向上的溫升分布特征呈現(xiàn)若干個(gè)“∧”形串聯(lián)分布特征，極環(huán)處的溫度高于周邊土壤，與極環(huán)的距離越遠(yuǎn)，土壤的溫度越低。加裝均流電阻，使極環(huán)散流更均衡，最大電流密度減小，接地極的溫升也有所減小。

3)由于熱效應(yīng)，均流電阻阻值在運(yùn)行中可能出現(xiàn)偏移。對(duì)于圓環(huán)接地極，均流電阻阻值偏移量越大，極環(huán)電流和最大跨步電壓變化量越大。當(dāng)各極環(huán)均流電阻阻值的偏移量不均衡時(shí)，極環(huán)電流和最大跨步電壓的變化量比均衡變化時(shí)增加。以水平四圓環(huán)為對(duì)象的分析結(jié)果顯示，要將最大跨步電壓的變化控制在10%內(nèi)，均流電阻阻值的偏移量不宜超過5%。