高压直流输电接地极电流场相关问题研究

马成廉，刘连光，闫旭东，魏恺，张鹏飞（．华北电力大学电气与电子工程学院，北京　02206；2．东北电力大学输变电技术学院，吉林吉林　3202）



高压直流输电接地极电流场相关问题研究

马成廉1，2，刘连光1，闫旭东1，魏恺1，张鹏飞1
（1．华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206；2．东北电力大学输变电技术学院，吉林吉林132012）

摘要：介绍了高压直流接地电流场相关概念，主要阐述了接地、入地电流和跨步电压及其相关指标；指出在接地极设计过程中，应考虑接地极周围土壤电阻率、相关接地参数的计算以及接地极型式选择等方面的问题；阐述了高压直流输电接地极入地电流产生的电流场对变压器和系统交流电网的偏磁影响、接地极装置及地下金属管网的腐蚀以及对电气化铁路的电磁影响，并概述了相应的抑制措施，包括进行变压器及交流电网直流偏磁的治理，地下金属管网及接地装置腐蚀的防护，同时也探讨了共用接地极模式的可行性；最后指出了建立大地二维乃至三维电场模型的重要性，指出只有考虑大地横、纵向差异，更精确地了解大地电性结构，进而准确地计算直流接地极周围地电流场分布，才能更好地满足我国建设超特高压直流输电工程的要求。

关键词：特高压直流输电；直流接地极；电流场；直流偏磁；大地电场模型

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51177045，51307017）.

高压直流输电（HVDC）工程建成初期和运行过程中的运行方式转换阶段，可能会采用单极大地运行方式。这种运行方式下，通过直流接地极的入地电流高达数千安培，大额直流入地电流在接地极址处持续较长时间，会产生一系列危害。譬如：极址大地电位升高，地面跨步电压和接触电压升高，从而威胁人畜安全；导致地下金属管道及电力系统接地网的腐蚀；接地电极发热，导致土壤电阻率发生变化，威胁系统正常运行等。我国高压直流输电受端通常位于重负荷区，对于运行的安全性和稳定性要求更高，应尤其重视其危害的预防和治理[1-5]。

为了给我国特高压±800 kV以及超特高压±1 100 kV直流输电工程的接地极选址和设计提供参考，本文总结了高压直流接地极电流场的产生机理及其对周围各类系统的影响问题，归纳了解决各类影响问题的方法，提出了准确建立二维甚至三维大地电阻率模型及相关地质参数测量的必要性。提高大地内部电阻率模型的精度及计算方法的优化，是我国建立超特高压直流输电工程的必然要求。

1高压直流接地极及相关指标参数

1.1接地

接地是指电气系统的某些节点或电气设施的某些导电部分与地（包括大地，或范围比较广泛、能用来代替大地的等效导体）之间的电气连接[6]。据国家标准DL/T 621-1997《交流电气装置的接地》中定义：接地是将电力系统或建筑物中电气装置、设施的某些导电部分经接地线连接至接地极[7]。

接地是为了利用大地作为传导电流回路的一个元件，从而在正常、事故或遭受雷击的情况下将电气连接处的电位固定在某一允许的范围内，以保证人身和设备安全，维护系统和设施安全可靠运行。电气连接处与大地相接触的导体称为接地体，电气设备与接地体之间的电气连线称为接地引线，接地极引线和接地体统称为接地装置。

1.2入地电流

直流接地极的入地电流可分为正常额定电流、最大过负荷电流、最大短时电流以及不平衡电流。正常额定电流是决定接地极温升和使用寿命的主要参数。最大过负荷电流是指在最高环境温度时，直流输电系统在一定时间内允许输送的最大负荷电流，一般取额定电流的1.1倍。最大短时电流是指当直流系统发生故障时，流过接地极的暂态过电流，一般取为正常额定电流的1.5倍，持续时间为数秒，在设计接地极时，主要用该电流计算控制地面最大跨步电压。不平衡电流指双极运行时，两极电流之差，通常情况下小于额定电流的1%。图1介绍了4种直流输电系统大地回线运行方式[8]，几种运行方式下的入地电流如图1所示。

图1直流输电系统大地回线运行方式Fig. 1 Ground return operation mode of HVDC transmission system

1）单极大地回线方式：入地电流等于系统的额定电流。

2）双极方式：流入接地极的持续电流是正、负换流阀的不平衡电流，既可能是正极性的，也可能是负极性的。

3）同极联络线方式：入地电流是双极额定电流之和。

1.3跨步电压

大地并非良导体，直流电流自接地极经周围土壤散流时，极址电位会上升，并在大地表面形成压降。不同地点，跨步电压是不同的。故设计接地极时，要计算出最大跨步电压，确认接地极是否符合要求。理论分析和实测数据表明，对于圆环形电极，最大跨步电压发生在圆环电极正上方，特别是引流接线处。对于直线形的电极，最大跨步电压发生在电极端点正上方[9]。我国现行《高压直流接地极技术导则》指出：直流接地极在最大短时电流下的最大允许跨步电压为2.5 V[10]。该标准过高，一般工程很难满足这个要求。美国EPRI根据人手感到轻微刺痛感觉的直流电流，推荐直流接地极最大允许跨步电压值计算式为

式中：ρs为表层土壤电阻率。

同时，高压直流接地极设计时要考虑接地极最大允许温升及其使用寿命，在此不做赘述。

2高压直流接地极设计

2.1极址周围土壤电阻率测量

为了正确合理地设计接地极相关装置，首先需要了解接地极极址周围的土壤电阻率，现场测量电阻率的方法是以稳定电流场理论为基础的。由于大地结构复杂以及土壤含水量不同等因素，土壤电阻率可能会在很大的范围内发生变化，用取样的方法不可行，通常采用四极法（也称WINNER法）[11- 12]。

四极法操作简单，便于掌握，在土壤电阻率分布均匀的情况下，测量结果准确。但由于高压直流输电工程中需要测量的范围广，测量极距大，测量点数目多，探针的布置容易受到房屋和沟渠、农作物以及江河、胡泊介质的影响，一般采用不等距四极法测量土壤视在电阻率。根据测量的视在电阻率可以反演土壤的分层结构模型，进而可进行接地极址的地质结构分析。

图2四极法排列探极布置Fig. 2 Winner array probe arrangement

已经广泛应用于矿产勘探的电磁法（MT法）也适用于接地极地区电阻率测量[12]，并且用MT法可以连续测量取得大地电阻率读数，而不必像ER法那样逐点取得读数。此方法主要用来测量极址深层（数公里至数十公里）和远离极址（数公里至数十公里）大范围大地电阻率参数[13]。直流接地极设计对于系统的安全稳定运行十分重要，直流输电接地极极址周围的大地电阻率测量更是重中之重。

2.2接地电阻计算

接地电阻的计算可以应用传统的经验公式或者数值计算和计算机辅助分析[14]。

传统经验公式是利用解析法进行推导计算并得到的结果。应用经验公式的前提假设包括土壤为均匀介质，接地体形状是规则的几何体，入地电流在阶梯上均匀分布。不同形状接地极的接地电阻经验公式如下：

水平接地极

式中：Re为接地极电阻；ρ为土壤电阻率；l为接地极长度；h为埋设深度；b= dh■，d导体截面直径；D为圆环直径。

当上述前提条件不满足时，用这种方法计算可能会引起较大计算误差，导致接地极设计不合理。数值计算方法借助计算机相关技术，主要包括有限差分法、有限元法、边界元法等。具体算法在此不作赘述。

2.3针对性接地极型式的选择

接地极表面电流的均匀分布对于保证接地极安全运行和降低造价有着十分重要的作用。如果电流分布严重不均，可能导致局部电流密度过高，从而引起局部温度过高，产生严重腐蚀和跨步电压过高等后果。因此进行接地极设计时力求电流密度分布均匀。电流分布与电极形状、土壤电阻率的大小及其分布有着密切的关系[15-16]。直线型接地极极体溢流密度和电位分布沿极体轴向明显不均匀，溢散电流集中于注入点及极体首末两端附近。圆环接地极由于电极间的屏蔽效应，在相同电极长度下单圆环电极的最高电位升、接地电阻、最高温升和最大跨步电压最小，双圆环次之，三圆环最大，所以条件允许时应尽量采用单圆环[17-18]。

适当增加接地极导体半径和合适的电流注入位置均能优化设计，改善接地性能。在选择接地极形状时应遵循以下基本原则[15]。

1）力求使电流分布均匀：一般应优先选择单圆环形电极，其次是多个同心圆环形电极，增大散流面积和散流均衡度。

2）充分利用极址场地：其实质也是增加电流的散流面积，减小电流密度。

3）尽可能对称分布：电流对称有利于导流系统布置，提高均衡度和可靠性。

2.4构建精确大地电阻率模型的必要性

接地极参数的精确计算以及后续接地极对周围系统的影响的计算中都需要借助接地极周围的大地电阻率模型。接地极入地电流引起的大地电场分布和大地电性结构密切相关，尤其是大地电导率横向差异的影响[19]。为了更加精确地得到大地电场分布，大地电阻率的精确测量尤为重要。应用一维分层大地模型的计算结果相比于采用均一土壤模型的结果而言，精度更高，但是仍不足以满足高压直流输电工程中对于直流接地极影响的评估计算要求。而我国正发展特高压直流输电事业，现在在建的直流输电已经达到±1 100 kV，单极大地回路运行下入地电流更大，地电场的影响范围更广，可能受到更加大范围的复杂地质结构影响，单一的分层大地模型显然不能满足计算需要。为了满足实际直流输电工程中的评估计算要求，构建精确的二维乃至三维大地电阻率模型意义重大。

3高压直流输电接地极大地电场影响分析

3.1接地极直流对变压器影响

直流输电系统单极大地回路运行方式下，大额直流电流（±800 kV直流输电工程入地电流可达4 000 A）经接地极注入大地时会在极址土壤中形成恒定直流电流场，在地表引起地表电位分布（earth surface potential，ESP），在此影响下，距离变电站一定范围内的变电站间产生电位差，直流电流会通过大地、交流输电线路、中性点接地变压器进入交流系统。流过变压器每相绕组的直流若较大，则可能引起变压器铁芯半波饱和，产生直流偏磁的问题，导致变压器噪声增加，振动加剧，损耗增大以及温升增高，严重影响变压器正常运行，危害系统稳定运行[1-2]。故在选择接地极址时应考虑并且评估接地极入地电流对附近交流电力变压器的影响。

3.2接地极直流对交流电网的影响

在我国，110 kV及以上电压等级的变压器中性点几乎都采用直接接地。在接地极入地电流引起的地表电位分布的影响下，假如变电所位于接地极电流场范围内，那么在场内变电所间会产生电位差，直流电流将会通过大地、交流输电线路，由一个变电所（变压器中性点）流入，在另一个变电所（变压器中性点）流出。如果流过变压器绕组的直流电流较大，则可能给电力系统带来以下不良影响。

1）引起变压器铁心磁饱和。变压器铁芯磁饱和可导致变压器噪音增加、损耗增大和温升增高。

2）对电磁感应式电压互感器的影响。这种互感器可通过直流电流，从而可能导致与其有关的继电保护装置的误动作。但在一般情况下，此问题不突出。

3）电腐蚀。从理论上讲，当直流地电流通过电力系统接地网时，可能会对接地网材料产生电腐蚀。但由于窜入接地网的直流电流通常相对较小，因此直流电流产生的腐蚀也是很小的，可以忽略。

随着我国直流输电技术的快速发展，一个受端交流电网将有多个直流落点，此时，各个接地极对于交流电网的影响将可能叠加，直流接地极入地电流对其影响将愈发严重[20-22]。

3.3接地装置的腐蚀及地下金属管网腐蚀

接地极地电流可能使埋在极址附近的金属构件产生电腐蚀，这是由于这些金属设施为地电流传导提供了比周围土壤导电能力更强的导电特性，致使在构件的一部分（段）汇集地中电流，又在构件的另一部分（段）将电流释放到土壤中去的结果[12]。

当直流输电系统建设初期采用单极-大地回路运行方式时，或是今后运行中一极检修或退出运行时，直流接地极作为工作电流的返回通道，当工作电流或不平衡电流通过直流接地极流经大地时，不仅接地极本身会发生腐蚀，还会对接地极周边的地下金属构件产生腐蚀影响。这是因为接地极电流引起的地电位升会使接地极周围的不同地点间产生电位差，这一电位差会在埋入地中的金属构件中产生电流，从而导致地下和地面金属构件产生腐蚀，对于距接地极较近且长度较大的金属构件，产生的腐蚀影响更为明显[3，13，23]。

我国集中供热迅速发展，在保障和提高人民生活质量、改善城市基础设施状况、建设现代化城市等方面作出了重大贡献。然而，与国外相比，目前大部分运营热网较为落后且处于粗放型管理，缺乏有效的调控设施和先进的控制策略，供热能耗居高不下，不仅造成了能源浪费，还加重了供热企业的经济负担[1]。近年来，供热企业也意识到供热节能的重要性并全面开展各方面的节能优化改造工程，大力发掘节能空间[2]。

直流接地极对地下金属设施的电腐蚀影响与接地极的入地电流、大地电阻率、地下金属设施的结构、材料特性、运行特性、使用寿命及相对位置等诸多因素有关，因此对不同设施应进行具体计算。电腐蚀量的计算值与实际情况可能存在一定差异，必要时可通过实测确定。建议加强直流接地极对地下金属设施电腐蚀影响问题的实测、调查和资料总结等工作[23-24]。

3.4直流接地极对电气化铁路的电磁影响

在国内文献中尚较少看到直流接地极对电气化铁路电磁影响对象、机理、限值以及计算结果方面的文献，及设计工作无可依据的标准或文献。而当电气化铁路与直流接地极邻近时，直流接地极会对电气化铁路产生怎样的影响，是需要研究的课题[22]。

直流接地极对电气化铁路的电磁影响有以下几点。1）铁轨处的跨步电压；2）铁轨信号电缆和通信电缆的转移电压；3）铁路信号电缆和通信电缆的芯线对地电压；4）铁路信号回路输入端的干扰电流；5）流过牵引变压器的直流电流；6）铁路附近金属物体的腐蚀等。文献[25]指出直流接地极对电气化铁路的电磁影响应重点关注钢轨处的第2类跨步电压、铁路信号和通信电缆的转移电压以及牵引变压器的直流偏磁问题。

如果接地极离铁路太近，直流地电流可能对铁路系统的信号和电气化铁路的供电系统有影响。许多旧的铁路信号系统采用低压直流电池和继电器，这种型式的典型信号系统是由一根用绝缘铁轨接头隔离的轨道构成，使其一端的两根铁轨与电池连接，另一端的两根铁轨与继电器连接，如图3所示。

图3铁路信号系统接线示意图Fig. 3 Wiring diagram of railway signal system

继电器线圈平时是带电的，直到火车开来时，由于电池被短路，使继电器动作，合上闭锁开关，从而使该区段显示出“停止”信号。

在铁路穿过接地极地电流场情况下，信号系统从铁轨上拾取接地极入地电流，有可能抵消继电器在正常情况下的电流（特别是信号系统的电池接近耗尽时），这样即使在没有火车开来的情况下，该铁路区段仍然有可能显示“停止”的信号。

4接地极影响的治理及预测

4.1变压器及交流电网的直流偏磁治理

文献[26]总结了抑制流入变压器中性点直流电流的措施有3种：1）在变压器中性点装设电阻，限制直流电流的大小；2）在输电线上装设串联电容补偿，阻断直流的通路；3）在变压器中性点装设电容，阻断直流电流。到目前为止，解决措施的研究大多限于在变压器中性点装设电容[27]。此方法是研究的重点，也是最佳的解决措施。

文献[28]介绍了变压器中性点注入反向直流电流的方法，强调变压器中性点各自注入反向电流及其抵消的作用。文献[29]通过现场试验提出了电位补偿方法，强调补偿电流的唯一性和电位补偿作用。而以上两文献都忽略了补偿接地极与变电站接地网之间的电磁耦合问题。文献[30]在上述问题之上，提出一种中性点电流注入法，起到补偿变电站之间直流电位差的作用，当补偿接地极远离其他变电站时，电流注入法对其他变电站的影响可以忽略。

解决问题最好的办法就是让问题尽可能不会发生[31]。文献[32]较好地总结了抑制变压器中性点直流的主动措施和被动措施。其中，直流接地极附近新建变电所的选址策略、新建直流接地极选址策略，无接地极运行方式、多直流回路共用接地极的运行方式以及合理变压器选型为其主动措施；反向电流法、串联电容法、串联电阻法为被动措施。串联电阻阻值的选取、串联电阻的保护问题，及串联电阻对系统的影响评估都做了相应的讨论，在此不作赘述。另外有文献[33]提出了现代大型交流电网大范围采用中性点串联电阻/电容抑制直流偏磁的实施原则。建议工程现场在严密论证的基础上灵活选用适用的方案。

4.2地下金属管网及接地装置腐蚀的防护

4.2.1评判准则

严格上讲，接地极地电流对附近的地下金属管道或电缆铠装总是存在影响的，只是大小不同而已。通过管道或铠装的电流多大被认为有影响，国际大电网会议14.21工作组的文章认为，泄漏电流密度为0.01 A/m2，每年对铁的腐蚀厚度是0.174 mm，是可以接受的。然而事实上，仅仅以电流密度来评判地电流对金属管道或铠装电缆有无影响是不够的。评判接地极地中电流对管道或铠装电缆有无影响，不仅仅是取决于电流密度，更重要的是取决于所造成的累计电腐蚀，是否对受影响物在其设计寿命期间的安全运行构成威胁。如果是构成了威胁，则认为是有影响的[12]。

4.2.2阴极保护

减少接地极地电流对管道或铠装电腐蚀的一般方法是使接地极与其间保持足够的距离。但在实际工程中，当不满足安全距离要求和不便采用上述措施时，对有影响的管道或电缆，可采取阴极保护措施。

腐蚀学家认为，对于钢（铁）结构的管道不产生腐蚀的对周边土壤的电位为-0.85 V，即低于-0.85 V的金属构件受到阴极保护；如果技术构件对土壤的电位低于-1.5 V，将会导致保护层脱落。因此，美国腐蚀工程师全国协会（NACE）推荐-0.85～-1.5 V为对地下金属构件保护的上下限控制标准。

阴极保护和牺牲阳极保护是一种广泛用于地下技术构件的防腐措施，前者是在被保护构件施加相对于地为负极性的电压，使其得到电流；后者是采用比被保护构件更活泼的金属（如锌棒）牺牲电极并与被保护构件连接，从而在构件和阴极材料之间形成原电池而保护设备。虽然两者方法不一样，但保护的基本原理是一样的，都是使被保护构件相对于周边土壤为负电位。

对于大型或重要的地下金属管道，如石油和煤气管道等，一般都采用沥青浸渍的玻璃布包裹。其作用一方面是为避免自然腐蚀，另一方面当采用了阴极保护时，可减少阴极保护电流。值得指出的是，由于这些防护层不可能是理想的绝缘材料，甚至可能出现小孔，如果管道汇集的电流集中在管道裸露于土壤处释放电流，则会加速该部分腐蚀。因此，管道即使采用了防护层，仍然有必要对通过计算被认为有影响的管道采用阴极保护措施。

4.3共用接地极模式探讨

目前我国所建设的直流工程，均是一站一极型，单极先投产或单极检修的情况下才把大地作为回路，因此单极运行时间较短，接地极的利用率不高。为提高直流接地极的利用率，邻近多换流站共用接地极是个行之有效的办法[5]。

中国电力科学研究院朱艺颖论证了研究多个直流共用接地极的方案[34]，从系统稳定运行的角度来看是可行的，但对接地极址的选择和共用接地极本体的设计有较高的要求。对控制保护的参数修改和策略优化需要针对具体工程进行详细研究[35-36]。当多条共用接地极的±800 kV直流输电系统同时采用单极大地回线运行方式时，可能会有比额定电流大几倍的电流从接地极注入到大地中，这将使变压器中性点流过很大的电流，从而导致变压器出现严重偏磁现象[20，37-39]。

4.4接地极址大地三维电场模型的探讨

接地极参数的精确计算以及后续接地极对周围系统的影响的计算中，都需要借助接地极周围的大地电阻率模型。接地极入地电流引起的大地电场分布和大地电性结构密切相关，尤其是大地电导率横向差异的影响[18]。为了更加精确地得到大地电场分布，大地电阻率的精确测量尤为重要。应用一维分层大地模型的计算结果相比于采用均一土壤模型的结果而言，精度更高，但是仍不足以满足高压直流输电工程中对于直流接地极影响的评估计算要求。而我国正发展特高压直流输电事业，现在在建的直流输电已经达到±1 100 kV，单极大地回路运行下入地电流更大，地电场的影响范围更广，可能受到更加大范围的复杂地质结构影响，单一的分层大地模型显然不能满足计算需要。为了满足实际直流输电工程中的评估计算要求，构建精确的二维乃至三维大地电阻率模型意义重大。

对于接地极处的入地直流电流，以及太阳风暴期间发生地磁扰动产生的地磁感应电流（GIC），其受大地电场作用的机理是非常类似的，GIC是准直流，其频率在0.000 1 Hz～0.01 Hz之间[40-42]。区别是受影响的范围不一样，接地极处非常大数量级的直流入地，对接地极及其周围乃至地下深层大地都产生一定影响；而地磁感应电流具有全球同步性等差异，影响范围更广，对地面人工系统乃至地下人工系统会产生群发性影响，所以进行其数值的预测非常重要，而大地电性结构的探知更是重中之重。另外已有文献对换流变压器编组和受端电网结构对其直流偏磁的影响进行了研究[43]。土壤电阻率的测量，大地电性结构的认知，需要做的工作还有很多。建立大地二维乃至三维地电场模型，可以更精确地获得大地的电性结构，为我国特高压工程做出应有的贡献。

三维地电流场分布及地面电场求解是正确计算地磁感应电流（GIC）、直流接地极入地电流和预测磁暴次生灾害的前提。复杂大地电导率结构的建模和求解在国内外尚未研究清楚。以我国大地构造理论及相应的地磁测深资料为基础，构建用于磁暴研究的三维电导率模型；探讨模型不同的边界条件所反映的不同物理问题；提出依据地表面观测磁场作为边界条件建模方法，从而在不需要假设电离层电流分布的前提下，求解地下感应电流及地面感应电场分布情况，既减小了建模求解规模又保证了与实际磁暴变化的正确对应；针对典型地质结构差异采用有限元法分析地电流在三维结构中的流通行为；提取典型磁暴的特征阶段，在时域和频域内分别研究地电流分布、地磁场变化与GIC产生之间的规律，为磁暴时复杂地电结构建模及三维地电流场研究提供理论基础，为评估磁暴和GIC的管网效应提供分析工具，研究成果对防范灾害性空间天气对我国长距离电网、输油输气管道的危害提供依据。

5结论及展望

高压直流输电接地极属于工作接地，接地极设计对于系统的安全稳定运行十分重要，直流接地极的相关研究内容主要有以下几个方面：

1）直流接地极入地电流达几千安，因此直流接地不同于一般的安全接地，对直流接地极的设计要特别注意它对周围系统的影响。

2）设计接地极时要注意它对附近接地网、金属管道的腐蚀作用和对直接接地变压器的直流偏磁影响，并采取合理有效的措施。

3）共用接地极模式是高压直流输电的新课题、新科技，应给予足够重视。

4）考虑大地横向差异，建立二维乃至三维大地电场模型及相关大地电性结构模型，对提高接地极对周围系统影响评估的精度有重大意义。

5）反演及实测大范围大地电性结构仍是未来研究方向之一，目前尚没有测量标准。

随着我国特高压直流输电工程的不断建设和投运以及超特高压工程的建设，对于接地极电流场的相关研究也在不断开展。目前对于接地极影响的研究得到了一系列成果，但是由于目前大地电阻率精确测量数据尚没有精确的二维或者三维大地电阻率模型，所以在直流接地极参数计算和影响评估方面，精度还不能达到实际工程的要求，在接地极问题的研究方面还存在许多值得深入的研究内容。

参考文献

[1]曾连生．直流输电接地极电流对电力变压器的影响[J]．高电压技术，2005，31（4）：57-58，81．ZENG Liansheng．Impact of HVDC ground electrode current on the adjacent power transformers[J]．High Voltage Engineering，2005，31（4）：57-58，81（in Chinese）．

[2]钟连宏，陆培均，仇志成，等．直流接地极电流对中性点直接接地变压器影响[J]．高电压技术，2003，29（8）：12-13．ZHONG Lianhong，LU Peijun，QIU Zhicheng，et al．The influence of current of DC earthing electrode on directly grounded transformer[J]．High Voltage Engineering，2003，29（8）：12-13（in Chinese）．

[3]胡毅．直流接地极电流对输电线路接地构件的腐蚀影响研究[J]．中国电力，2000，3（1）：59-61．HU Yi. Corrosive effect of DC ground current on grounding electrodes[J]．Electric Power，2000，3（1）：59-61（in Chinese）．

[4]刘连光，崔明德，孙中明，等．±800 kV直流接地极对交流电网的影响范围[J]．高电压技术，2009，35（6）：1243-1247．LIU Lianguang，CUI Mingde，SUN Zhongming，et al．Influence scope of AC network by DC grounding electrode rated±800 kV[J]．High Voltage Engineering，2009，35（6）：1243-1247（in Chinese）．

[5]马成廉，潘文明，姚天亮，等．VSC-HVDC在交流电网非故障时的控制策略研究[J]．东北电力大学学报，2015，35（6）：26-32．MA Chenglian，PAN Wenming，YAO Tianliang，et al．Research on control strategy of VSC-HVDC in AC power grid[J]．Journal of Northeast Dianli University，2015，35 （6）：26-32（in Chinese）．

[6]解广润.电力系统接地技术[M]．北京：中国电力出版社，1996．

[7] DL/T 621-1997交流电气装置的接地[S].北京：中国电力出版社，1997．

[8] Electric Power Research Institute. EL-2020．EPRI HVDC ground electrode design[R]. California：Eletric Power Researeh Institute，1981．

[9]曾连生．高压直流输电陆地接地极设计：关于地面电位和跨步电压分布的计算[J]．电力建设，1994，15（3）：12-18．ZENG Liansheng．Design of HVDC land ground electrode：calculation of earth potential and step voltage[J]．Electric Power Construction，1994，15（3）：12-18（in Chinese）．

[10] DL/T 437-2012高压直流接地极技术导则[S]．北京：国家能源局，2012．

[11]马成廉，刘利则，徐冰，等．特高压直流输电接地极大地电阻率测量方法研究[J]．电网与清洁能源，2015，31 （3）：6-10，17．MA Chenglian，LIU Lize，XU Bing，et al．Study of the measurement methods of soil resistivity in HVDC transmission ground electrodes[J]．Power System and Clean Energy，2015，31（3）：6-10，17（in Chinese）．

[12]赵婉君．高压直流输电工程技术[M]．2版.北京：中国电力出版社，2011．

[13]曹英，刘磊，曹默，等．接地网材料在四种典型土壤中的电化学腐蚀研究[J]．东北电力大学学报，2014，34 （1）：35-38．CAO Ying，LIU Lei，CAO Mo，et al．Grounding grid materical of electeochemical corrosion research in four kinds of typical soil[J]．Journal of Northeast Dianli University，2014，34（1）：35-38（in Chinese）．

[14]曾连生．高压直流输电陆地接地极设计—关于极址大地（土壤）参数及其测量[J]．电力建设，1994，15（1）：24-28．ZENG liansheng．Design of HVDC land ground electrode：On the very site land（soil）parameters and their measurement[J]．Electric Power Construction，1994，15（1）：24-28（in Chinese）．

[15] DL/T 5224-2005高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定[S].北京：中国电力出版社，2005．

[16]曾连生．高压直流输电陆地接地极投计：接地极形状、尺寸和埋深的确定[J]．电力建设，1994，15（2）：12-17．ZENG Liansheng．Design of HVDC land ground electrode：determinationof shape，size and depth[J]．Electric Power Construction，1994，15（2）：12-17（in Chinese）．

[17]崔明德，刘连光，孙中明，等．高压直流输电环形电极埋深特性分析[J]．高电压技术，2007，33（1）：156-159．CUI Mingde，LIU Lianguang，SUN Zhongming，et al．Analysis of the burial depths of the annular electrodes in HVDC system[J]．High Voltage Engineering，2007，33（1）: 156-159（in Chinese）．

[18]高小刚，周羽生，王云飞，等．UHVDC换流站环形接地极埋深特性研究[J]．电瓷避雷器，2012（2）：72-76．GAO Xiaogang，ZHOU Yusheng，WANG Yunfei，et al．Research on the burial depths characteristics of the annular grounding electrodes in UHVDC converter stations[J]．Insulators and Surge Arresters，2012（2）：72-76（in Chinese）．

[19] DONG Bo，DANSKIN D W，PIRJOLA R J，et al．Evaluating the applicability of the finite element method for modelling of geoelectric fields[J]．Annales Geophysicae，2013，31（10）：1689-1698．

[20]王明新，张强．直流输电系统接地极电流对交流电网的影响分析[J]．电网技术，2005，29（3）：9-14．WANG Mingxin，ZHANG Qiang．Analysis on influence of ground electrode current in HVDC on AC power network[J]．Power System Technology，2005，29（3）：9-14（in Chinese）．

[21]孙黎，尚教会，林铬．大区域电网动态频率空间分布特性分析[J]．东北电力大学学报，2013，33（3）：38-42．SUN Li，SHANG Jiaohui，LIN Ge．The research of space property of large area power grid dynamic frequency[J]．Journal of Northeast Dianli University，2013，33（3）：38-42（in Chinese）．

[22]曾嵘，张波，赵杰，等．HVDC地中直流对交流系统的影响及规律分析[J]．高电压技术，2009，35（3）：678-682．ZENG Rong，ZHANG Bo，ZHAO Jie，et al．Influence and characteristics analysis of effect of the HVDC ground return curent on AC system[J]．High Voltage Engineering，2009，35（3）：678-682（in Chinese）．

[23]魏德军．直流接地极对地下金属设施的电腐蚀影响[J]．电网技术，2008，32（2）：75-77．WEI Dejun．Electro -corrosion impacts of DC grounding electrode on underground metallic facilities[J]．Power System Technology，2008，32（2）：75-77（in Chinese）．

[24]朱轲，吴驰，扬威．直流接地极对附近输电线路杆塔的腐蚀影响及防护措施的研究[J]．高压电器，2011，47（10）：41-47．ZHU Ke，WU Chi，YANG Wei．Research on the corrosion influence of the HVDC earth electrode on the nearby transmission line towers and the towers’protective measures[J]．High Voltage Apparatus，2011，47（10）：41-47（in Chinese）．

[25]郭剑．直流接地极对电气化铁路的电磁影响[J]．高电压技术，2013，39（1）：241-250．GUO Jian．Electromagnetic influences of ground elecrode on electrified railway[J]．High Voltage Engineering，2013，39（1）：241-250（in Chinese）．

[26]朱艺颖，蒋卫平，曾昭华，等．抑制变压器中性点直流电流的措施研究[J]．中国电机工程学报，2005，25（13）：1-7．ZHU Yiying，JIANG Weiping，ZENG Zhaohua，et al. Studyingon measures of restraining DC current through transformerneutrals[J]. Proceedings of the CSEE，2005，25 （13）: 1-7（in Chinese）．

[27] EITZMANN M A，WALLING R A，HUYNH H，et al. Alternatives for blocking direct current in AC system neutrals at the radisson/LG2 Complex[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，199，7（3）：1328-1337.

[28]蒯狄正，万达，邹云．直流输电地中电流对电网设备影响的分析与处理[J]．电力系统自动化，2005，29（2）：81-82．KUAI Dizheng，WAN Da，ZOU Yun. Analysis and handling ofthe impact of geomagnetically induced current upon electricnetwork equipment in DC transmission[J]. Automation of Electric Power Systems，2005，29（2）: 81-82（in Chinese）．

[29]杜忠东，董晓辉，王建武，等．直流电位补偿法抑制变压器直流偏磁的研究[J]．高电压技术，2006，32（8）：69-72．DU Zhongdong，DONG Xiaohui，WANG Jianwu，et al. Test and analysis on restraining transformer DC bias by changing electric potential of grounding grid[J]. High Voltage Engineering，2006，32（8）: 69-72（in Chinese）．

[30]潘卓洪，梅桂华，张露，等．抑制变压器直流偏磁的电流注入法[J]．电力系统自动化，2009，33（20）：88-91，108．PAN Zhuohong，MEI Guihua，ZHANG Lu，et al．A current injection method to restrain transformer DC bias[J]．Automation of Electric Power Systems，2009，33（20）：88-91，108（in Chinese）．

[31]马成廉，朱国栋，孙黎．基于TOPSIS法的地区电网黑启动方案评估[J]．东北电力大学学报，2014，34（2）：32-37．MA Chenglian，ZHU Guodong，SUN Li．The regional power grid black-start scheme evaluation based on TOPSIS[J]．Journal of Northeast Dianli University，2014，34（2）：32-37（in Chinese）．

[32]曾嵘，赵杰，尚春，等．HVDC地中直流对交流系统影响的防范措施[J]．高电压技术，2009，35（4）：919-925．ZENG Rong，ZHAO Jie，SHANG Chun，et al．Measures to retrain the neutral current of the AC transformer in HVDC ground return system[J]．High Voltage Engineering，2009，35（4）：919-925（in Chinese）．

[33]张露，阮羚，潘卓洪，等．变压器直流偏磁抑制设备的应用分析[J]．电力自动化设备，2013，33（9）：151-156．ZHANG Lu，RUAN Ling，PAN Zhuohong，et al．Evaluation of DC bias restraint equipment application[J]．Electric Power Automation Equipment，2013，33（9）：151 -156 （in Chinese）．

[34]朱艺颖．多个特高压直流系统共用接地极的研究[J]．电网技术，2007（10）：22-27．ZHU Yiying．Study on sharing earth electrode by rectifiers or inverters of some UHVDC systems[J]．Power System Technology，2007，31（10）：22-27（in Chinese）．

[35]顾承昱，司文荣，郑旭，等．并联直流接地极抑制上海区域直流偏磁的方法研究[J]．高压电器，2012（4）：65-74．GU Chengyu，SI Wenrong，ZHENG Xu，et al．DC bias suppression for Shanghai region using parallel connection of DC grounding electrodes[J]．High Voltage Apparatus，2012，48（4）：65-74（in Chinese）．

[36]周锋，吴斌，文锦霞，等．基于PSCAD的UHVDC换流站共用接地极影响研究[J]．电瓷避雷器，2012（2）：105-110．ZHOU Feng，WU Bin，WEN Jinxia，et al．Research on effect of common grounding electrode in UHVDC stations converter based on PSCAD[J]．Insulators and Surge Arresters，2012（2）：105-110（in Chinese）．

[37]潘超，王梦纯，杨德友，等．变压器三维电磁场有限元计算问题的研究[J]．东北电力大学学报，2014，34（2）：21-26．PAN Chao，WANG Mengchun，YANG Deyou，et al．Computing problem research based on finite element method for 3D electromagnetic analysis of transformer[J]．Journal of Northeast Dianli University，2014，34（2）：21-26（in Chinese）．

[38]张东，陶凤源，董新胜，等．哈密地区变压器直流偏磁仿真分析及抑制措施研究[J]．电瓷避雷器，2015（1）：87-92．ZHANG Dong，TAO Fengyuan，DONG Xinsheng，et al．Analysis and simulation of transformer DC bias and measures of suppression in hami region[J]．Insulators and Surge Arresters，2015（1）：87-92（in Chinese）．

[39]王建，马勤勇，常喜强．±800 kV天—中直流对哈密电网变压器直流偏磁影响的仿真和实测研究[J]．高压电器，2015，51（11）：168-175．WANG Jian，MA Qinyong，CHANG Xiqiang．Investigating the impacts of±800 kV Tian -Zhong HVDC project on transformer DC magnetic bias in hami power grid via simulation and measurement[J]．High Voltage Apparatus，2015，51（11）：168-175（in Chinese）．

[40]刘连光，刘春明，张冰．磁暴对我国特高压电网的影响研究[J]．电网技术，2009，33（11）：1-5．LIU Lianguang，LIU Chunming，ZHANG Bing．Effects of geomagnetic storm on UHV power grids in China[J]．Power System Technology，2009，33（11）：1-5（in Chinese）．

[41]马成廉，孙黎，尚教会．抗灾型电网安全风险评估方法研究[J]．电网与清洁能源，2014，30（9）：12-18．MA Chenglian，SUN Li，SHANG Jiaohui．The study of safety risk assessment method of power grid[J]．Power System and Clean Energy，2014，30（9）：12-18（in Chinese）．

[42]刘连光，马成廉．基于有限元方法的直流输电接地极多层土壤地电位分布计算[J]．电力系统保护与控制，2015，43（18）：1-5．LIU Lianguang，MA Chenglian．Calculation of multi-layer soil earth surface potential distribution of HVDC due to finite element method[J]．Power System Protection and Control，2015，43（18）：1-5（in Chinese）．

[43]刘连光，闫旭东，马成廉，等．换流变压器编组和受端电网结构对其直流偏磁的影响研究[J]．电网技术，2016，40（1）：322-327．LIU Lianguang，YAN Xudong，MA Chenglian，et al．Research of converter transformer marshalling and receiving-end grid structure’s effecton converter transformer DC bias[J]．Power System Technology，2016，40（1）：322-327（in Chinese）．

马成廉（1983—），男，讲师，博士研究生，主要研究方向为电力系统安全运行与控制，电网安全运行与灾害防治，高压直流输电接地极相关问题等方面。

（编辑冯露）

Research on HVDC Grounding Electrode Current Field and Related Issues

MA Chenglian1，2，LIU Lianguang1，YAN Xudong1，WEI Kai1，ZHANG Pengfei1
（1. School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2. Technological School of Transmission and Transformation，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

ABSTRACT：This paper introduces concepts related to DC current field induced by the HVDC electrode，and expounds the mechanism of the grounding，grounding current，step voltage as well as related parameters. Findings suggest that in the design phase of grounding electrode，we must take into consideration the soil resistivity in the nearby area，the calculation of grounding related parameters and the selection of electrode types. The paper also describes the electromagnetic influence of HVDC electrode induced current field on transformers，AC power systems，grounding device corrosion，and the under -ground metallic pipe network，and electrified railways. Corresponding suppression measures are summarized then，including mitigation methods for transformers DC，protection for the underground metal pipeline and grounding device from corrosion，and it also discusses the feasibility of the common grounding electrode. At the end，the paper concludes that an accurate 2D or even 3D earth resistivity model is of great significance in the calculation of earth surface potential，and lateral difference in the earth structure should be taken into consideration so as to accurately calculate the distribution of electric field，finally to meet the requirement of DC bias estimation in China’s UHVDC projects.

KEY WORDS：HVDC；DC grounding electrode；current field；DC bias；earth electric field model

作者简介：

收稿日期：2015-07-29。

基金项目：国家自然科学基金项目（51177045，51307017）。

文章编号：1674- 3814（2016）02- 0063- 09

中图分类号：TM721.1

文献标志码：A