基于CDEGS软件的直流接地极系统设计研究

周 新，高春英，霍思潼

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

随着国内直流工程建设规模不断增大，输送容量不断增加，接地极的功能也变得尤为重要。直流输电大地回线方式为换流站运行方式之一，当单极大地运行方式时，直流接地极的入地电流达数千安，且可能较长时间运行，因此直流接地极的设计显得尤为重要。合理设计直流接地极不仅能够为特高压直流输电系统提供保障，且能够减少工程投资。

目前，直流接地极计算软件及模型应用软件也各不相同。CDEGS软件集合电流分布（Current Distribution）、电磁场（Electromagnetic Fields）、接地（Grounding）和土壤结构分析（Soil Structure A-nalysis）等功能组成，为电力系统接地、电磁场分析及干扰提供了计算基础。本文基于CDEGS软件，设计了直流特高压输电系统接地极仿真模型，并应用于实际工程中；在此基础上，本文提出了优化直流接地极各项参数的方法。

1 高压直流接地极主要设计参数

直流换流站系统运行方式一般为：单极大地、双极运行和单极金属回线三种运行模式。当直流输电系统单极大地运行时，直流接地极不仅需钳制高压直流（HVDC）系统中性点电位，且需为直流电流提供入地通路，因此最大入地电流为接地极设计的主要参数。当接地极运行时，其周边区域产生对地电势，为满足人畜正常活动，需控制其跨步电势［1］；对长时间运行的接地极，还需考虑接地极本体温升等问题［2］。

1.1 入地电流

接地极入地电流分为额定电流、最大过负荷电流、最大短时电流和不平衡电流。接地极温升及使用寿命主要由额定电流及运行时间决定。

最大过负荷电流为直流输电系统在最高环境温度时，一定时间内可输送的最大负荷电流，一般为额定电流的1.1倍。最大短时电流指当直流系统发生故障时，流过接地极的暂态电流，一般为正常额定电流的1.5倍，持续时间为数秒［3］。接地极需能够满足短时最大电流运行工况。不平衡电流指双极直流系统运行时两极电流之差。对于双极对称运行方式，由于触发角和设备参数的差异，有不平衡电流流过，其值大小可由控制系统自动控制在额定电流的1%之内。当双极电流不对称运行时，流过接地极的电流为两极运行电流之差。

1.2 跨步电压

大地为非理想导体，接地极正常运行时，电流经接地极向土壤散流时，极址电位升高。地质条件不同，土壤电阻率则不同，故同一极址，不同位置地电位升及跨步电压不同。跨步电压为接地极重要的设计参数之一。

1.3 最大允许温升

接地极最高允许温升为100℃，由于土壤温度超过100℃时，土壤中的水会较快蒸发，土壤内部黏土预热结晶，不利于接地极本体散热，长时间运行的接地极容易发生故障。接地极温升与极址环境温度、土壤热特性和接地极持续运行时间有直接关系。

1.4 设计寿命

接地极设计寿命指接地极运行时间的设计取值，影响其寿命主要原因为电腐蚀；为满足接地极与换流站设计寿命相同，在接地极设计过程中应考虑裕度或馈电棒采用更加耐腐蚀的新材料等。

2 基于CDEGS的直流接地极分析

2.1 基于CDEGS的土壤电阻率结构分析

接地极极址选定后，需勘测极址的土壤电阻率，土壤热容率及热导率，其中，土壤电阻率需勘测表层（0～1 000m）。某直流特高压接地极勘测数据需经CDEGS仿真软件RESAP模块进行处理计算，勘测结果见表1。根据表1可反演出该极址土壤分层及电阻率，计算结果见表2。

表1 极址区土壤电阻率测试成果统计

表2 极址大地土壤电阻率电性分层

2.2 基于CDEGS的接地极仿真模型分析

直流接地极主要由焦炭，馈电棒（材质主要为高硅铬铁）及导流电缆构成。接地极形状可布置为圆形、椭圆形、马鞍形或垂直型接地极。考虑直流特高压输电系统入地电流较大，故直流特高压输电系统常采用水平双环埋设方式，接地极内外双环共同将电流泄入大地。

基于CDEGS仿真平台，搭建直流接地极仿真模型，见图1。将焦炭、馈电棒及导流系统电特性及物理特性反映于CDEGS仿真平台。

图1 基于CDEGS系统仿真平台的直流接地极

由图1可知，模型已搭建接地极极环及导流系统，极环包括馈电棒及焦炭；接地极极环中心为入地电流泄入大地位置；某±800kV特高压直流接地极工程，接地极采用内4外4导流系统。

3 直流接地极优化

3.1 接地极布置方案

本文针对接地极的主要限制因素（跨步电压、面电流密度）进行优化：通过调节接地极的内外环尺寸，寻找跨步电压最优值；通过调节接地极焦炭截面，寻找面电流密度最优值。在此基础上，本文将接地极施工土方量、设备材料量等因素作为优化因素之一，实现接地极的综合寻优方案。

根据DL／T 5224—2014《高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定》，接地极极环内环半径与外环半径之比宜为0.65～0.85，接地极极环若取0.65，则内环埋设处跨步电压较高，外环埋设处跨步电压较低，内环跨步电压可能不满足安全值；接地极极环若取0.85，则内外环比例最大，工程造价较高，经济性较低。综合考虑，本文选择在比值为0.70～0.75优化接地极。

接地极埋设深度主要影响跨步电压数值及接地极挖方量。接地极埋设深度为3.0～4.5m，根据极址土壤电阻率电性分层数值可知，其埋设处土壤电阻率数值较大，故本文考虑将接地极埋设于4.0～4.5m，且埋设深度取0.5的整数倍。极环焦炭截面选择为0.6～1.0m，考虑特高压接地极入地电流较大，焦炭截面较小则不满足规程要求的焦炭面电流密度小于1.0A／m2，综合实际因素，截面选择为0.1的整数倍。

根据上述原则，本文在同一初始条件下设计了6个比选方案，具体见表3，其中最大跨步电压控制值为12.377V／m，面电流密度控制值为1.0A／m2。

根据上述比选方案的参数，本文同时考虑施工量及造价两个因素，6个备选方案的施工量及工程造价详见表4及表5。

从表4中可以看出：方案3、4、5、6的焦炭用量相差不大。通过上述方案可以看出：方案1所用焦炭量较大，考虑焦炭造价较高，故方案1非最优方案，其他方案焦炭量相差较小，故需通过其他指标进行比选。

3.2 直流接地极方案比选

根据上述方案的参数、施工量及工程造价等方面分析：在针对不同接地极环设计的过程中发现，在外环半径确定的前提下，最大跨步电压和最大线电流密度随极环内外环比例变化的变化趋势见图2、图3。对比定量为外环435m，埋深4.5m，焦炭截面边长0.6m；内环埋深与焦炭截面边长与外环尺寸相同。

图2可以看出，最大跨步电压随极环比例升高，在0.72左右出现最大值，随后开始下降。

由图3可见，鉴于焦炭截面边长的限制，从而可以得出在0.6m边长的焦炭截面下，最大线电流密度的限值为1.507A／m2，在这个限制的基础上，随着极环比例的增大，最大线电流密度值在下降。

表3 接地极比选方案参数

表4 接地极比选方案施工量对比

表5 接地极比选方案经济性比较 104元

图2 接地极极环不同比例下跨步电压变化趋势图

图3 接地极极环不同比例下线电流密度变化趋势图

图4 接地极极环相同比例下跨步电压变化趋势图

在内外环比例确定的情况下，最大跨步电压仿真结果随外环半径变化的变化趋势见图4。对比中定量为内外环皆埋深4.5m，焦炭截面边长0.6m；内外环比例0.75。由图4可以看出，接地极内外环比例确定的前提下，跨步电压数值变化较小。综上所述，当考虑跨步电压，面电流密度及线电流密度等因素后可知：方案2跨步电压为12.343V，跨步电压限制值为12.377V，考虑现场地质条件及裕度，故不推荐方案2；方案3至方案6跨步电压均留有一定裕度；从土方挖方量考虑，方案4至方案6经济性较差，故方案3为接地极设计较优方案。

4 结语

近年来，HVDC工程输送容量不断提升，为满足超高压、大容量直流系统运行需求，接地极设计优化方面需不断优化改进。本文主要介绍了基于CDEGS软件平台的接地极设计模型，在此基础上本文提出了接地极内外环半径最优比例数值为0.73；最后详细阐述了接地极优化过程中通过分析跨步电压、面电流、线电流密度及经济性等因素，综合全面对比各方案，为后续接地极设计提供了应用基础。