极址中心区域二次设备的抗干扰分析

曹建春，周 新，蔡世超，李 超

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

随着电力科学技术和经济的发展，高压直流工程建设越来越广泛。接地极是直流输电工程的重要组成部分,它不仅起着钳制直流中性点电位的作用,还为直流单极大地回线方式、双极两端接地方式提供以大地作为电流返回的通路[1-2]。接地极二次设备处于一个强电磁环境中，工频电流、雷电侵袭、放电等现象通过不同途径引发各种干扰，将不可避免的干扰二次系统的正常工作，容易造成保护、测量装置的误动或拒动，造成监控、保护系统的混乱，严重威胁接地极的安全运行，更严重可能还会造成人身伤害或者金属设备的腐蚀[3-5]。

本文从计算直流入地电流工况下的地电位升、雷电流情况下的磁场、电场及地电位升等参数入手，通过数值计算评估接地极电气二次设备运行状态。

1 干扰源分析

电气二次设备主要的干扰源有接地极入地电流和雷电冲击干扰。

接地极入地电流。当双极大地回线转至单极大地回线运行时接地极流过大电流，此时大的接地电流经接地极止流入地网，使接地点乃至整个地网的电位升高。如果二次回路和接地网的连接点靠近大电流的入地点，则这些点的电位随之升高，在二次回路中造成共模干扰电压。

雷电冲击干扰。雷电冲击通过两种方式造成电磁干扰，一是雷击输电线路或构架时，有大量的雷击电流流入接地网中，因接地网电阻的存在有电位差，二次电缆铠装外皮或屏蔽层在不同的接地点接地时就会产生流过瞬态电流，从而在二次电缆的芯线中感应出干扰电压；二是雷击在高压线路上产生暂态过电流，会经过测量用的互感器传递到二次回路中。地电位差干扰及雷电干扰为本文研究重点，接地极单极大地运行、雷击接地极线路终端塔均可产生地电位升，雷电流同时也会产生瞬时的交变磁场和交变电场。

本文结合锡林郭勒盟(以下简称锡盟)接地极的实际情况，锡盟—泰州±800 kV特高压直流输电线路单极大地回路运行时，为确保接地极可靠稳定工作，接地极中心配电区配置控制保护采集系统、监视设备等二次设备，尤其接地极线首次配置差动保护，这无疑对可靠性提出了更高的要求。为避免外部因素干扰智能设备正常运行，本文分析接地极入地电流及雷电流两个干扰源对接地极内设备的影响，并进行仿真计算；通过计算结果进而对接地极中心配电区二次电气设备安全运行进行评估。

2 单极大地运行下的地电位

锡盟接地极是锡盟—泰州±800 kV特高压直流输电工程送端接地极，接地极极址距锡盟换流站直线距离约40 km。极址中心区域围墙内占地为16 m×19 m。围墙内布置有阻断电抗器、阻断电容器、光学电流互感器(TA)、支柱绝缘子、接地极线路终端构架、预制舱、红外测温设备。接地极本体采用同心双圆环布置，外环半径为435 m、内环半径为330 m，接地极的内外环均埋深4.5 m。

2.1 接地极主要设计输入

锡盟接地极系统参数为：直流额定容量10 000 MW；直流线路额定电压±800 kV；最大持续额定电流6 250 A；最大2 h过负荷电流6 693 A；双极不平衡电流10 A；强迫能量不可用率不大于0.5%；计划能量不可用率不大于1%；单极强迫停运次数不大于2次/(极·a-1);双极强迫停运次数不大于0.1次/(极·a-1);最大设计温度90 ℃；投运初期单极大地运行时间30天。

2.2 接地极土壤电阻率

根据锡盟接地极施工图阶段的勘测结果，接地极的土壤电阻率见表1。

表1 极址土壤电阻率分布

2.3 单极大地运行下的地电位分布

根据计算，直流系统单极大地运行方式下，考虑入地电流为最大过负荷电流(6 693A)。

当锡盟换流站单极大地运行时，接地极中心配电区地电位升小于80.67 V，入地电流由馈电棒流向无穷远，故接地极中心配电区地电位升不会影响中心配电区设备正常运行；在此基础上接地极中心配电区构支架及预制舱基础均做绝缘保护，绝缘层电阻率不小于5 000 Ω·m。

3 雷电流下的地电位

中心设备区域受接地极线路终端构架及上方避雷线的保护，当雷击中避雷线或者终端构架后，雷电流通过构架下方的接地体向大地泄放。终端构架的每个“A”支腿下方均与主接地网水平接地体相连，并在交叉处设置垂直接地体。

针对雷击特性及GB 311.1—2012《绝缘配合 第2部分：使用导则》中对雷电流幅值、波前特性描述，根据接地极电压等级为110 kV，故本文雷电流幅值为150 kA，波前时间为2.6 ms，雷电流衰减为一半幅值的时间为50 ms；通过CDEGS软件对雷击构架暂态过程中接地极极址暂态电场及磁场仿真，仿真结果见图1至图3。

图1 接地极构架雷击合成磁场幅值分布图

图2 接地极构架雷击合成电场幅值分布图

图3 接地极构架雷击标量电势幅值分布图

图1、图2及图3为接地极中心配电区雷电流入地时，合成场强、合成磁场及标量电势数值，横坐标表示仿真模型观测点数值，通过观测点各数据仿真结果拟合磁场、电场及电位升曲线，纵坐标表示磁场、电场及电位升数值；由图1、图2可以看出，雷电流击中接地极终端塔后，其中心配电区主接地网的合成电场强度约为200 A/m，合成磁场强度约为300 V/m且最大值出现在落雷处；由图3可以看出，落雷处瞬间电势较低，表明雷电流由杆塔经接地线流入主接地网，随后散入大地。由于土壤电阻率远大于主接地网接地体，故电势随即增大再衰减。

由于雷电流波头时间较短，时间仅为2.6 ms，且合成电场强度约为200 A/m，其值远小于二次电缆绝缘耐压水平，且中心配电区内控制电缆数量较少，长度较短，故雷击构架时不会影响中心配电区内二次设备正常运行。

4 二次设备抗干扰分析

4.1 二次系统配置方案

为了实现对接地极重要设备的运行和安全状态进行全面实时监测，保证直流输电系统的安全稳定运行，换流站设置一套接地极监测和接地极线路差动保护系统。

4.1.1 接地极线差动保护

接地极线设置差动保护，保护功能由换流站完成。在接地极两根导线上分别装设光学TA，光学TA通过光缆接入合并单元，合并单元采集极线电流经通信光缆送至换流站实现接地极线差动保护功能。合并单元设备布置在二次设备预制舱内。

4.1.2 接地极在线监视系统

接地极各种设备设置红外测温监和视频监视系统，在极止围墙内安装电子围栏等子系统。子系统信息通过通信电缆接入就地监测系统就地监测系统测量接口屏。

在导流构架上的每根入地馈线电缆处装霍尔传感器测量导流电缆的入地电缆，采集信息通过通信电缆接入测量接口屏。

测量接口屏将采集子系统的数据和图像通过通信光缆传送至换流站。测量接口屏布置在二次设备预制舱内。

4.1.3 其他二次设备

接地极设有110 V直流系统、消防探测器及低压保护装置等均布置二次设备预制舱内，设备间联系采用带屏蔽的控制电缆，控制电缆没有连接布置在预制舱以外的设备。

4.2 二次设备抗干扰分析

a.光学TA一次设备与合并单元屏之间通过光缆和电缆连接。

通信接口柜通过光纤连至接地极线路的光纤复合架空地线(OPGW)上，将光学TA的测量值传回换流站内；信号采集屏没有电缆线连接到二次设备预制舱外。由于二次设备与保护舱外均采用光缆连接，因此具有很强的抗干扰性能。

当锡盟换流站单极大地运行时，入地电流无法流进各设备基础且中心配电区各设备电缆距离较短，最长电缆长度仅为9.7 m，其余电缆长度不超过7 m；光缆部分不受电流影响，因此换流站在单极大地运行时，各设备均可靠运行。

b.根据全光纤电流互感器原理，所测电流仅为一次传感光纤环内穿芯带电导体，任何闭环外的磁场干扰对测量没有影响；但全光纤电流互感器除一次、二次主回路测量光纤外，在二次侧配置有辅助温度、调制器电缆回路。电缆均为双屏蔽结构，接地方式外屏蔽采用两端接地、内屏蔽采用单端屏柜侧接地，有效防止电磁干扰及静电干扰；且电缆回路均设计配置90 V空气放电管并联，综上可判断地电位80.67 V不影响温度、调制线回路正常反馈。

因此，从光纤测量回路、二次辅助回路可知，单极大地运行时的地电位抬升值不影响全光纤电流互感器测量。

雷电流部分主要通过站内主接地网泄流，架构合成电场小于5 kV/m，二次辅助电缆双层屏蔽绝缘耐压大于5 kV/m，不影响全光纤电流互感器测量。

c.合并单元屏、在线监测系统屏、通信接口屏、电源屏、交流屏等，二次设备布置在预制舱方案，预制舱采用采用钢结构，内墙为金属装饰板，电磁屏蔽性能好，二次设备不受影响。

5 小结

本文分析接地极入地电流及雷电流对接地极内设备的影响，并进行仿真计算；极址内的二次设备主要用作测量和通信，二次设备与保护方舱外的联系均采用光缆，因此入地电流引起的地电位升基本不会对二次设备造成干扰。

中心配电区内电缆长度较短且光缆较多，电缆较少，故雷击构架时不会影响中心配电区内二次设备正常运行，保证直流系统输送功率的安全和稳定。