±800 kV换流站接地极对金属围栅转移电位的影响及治理方案

李学鹏，李庆军，赵国仲，薛峰，张万祥，曹鑫，韩志萍

(1. 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安710075；2. 国网青海省电力有限公司，西宁810008；3. 国网青海省电力建设公司，西宁810008)

0 引言

接地极是直流输电工程的重要组成部分，起着钳制换流站中性点电位，通流不平衡电流以及在线路检修或单级大地运行时提供大地返回通道的作用[1-6]。青稞羊村接地极是青海—河南±800 kV特高压直流输变电工程送端海南换流站接地极，极址位于青海省海南藏族自治州贵南县森多乡东偏南约8.5 km，距海南换流站直线距离约69 km。极址地貌为平缓草场，自然地面高程在3 300～3 315 m之间，场地最大高差约15 m，以草地为主，局部有少量青稞地，极址区域存在大量牧民用于分隔草场而建的金属围栅。

2020年7月中国电力科学研究院在青海—河南特高压直流输电工程单极大地运行方式调试期间，在接地极入地电流3 000 A工况下，测得极址地表金属围栅对地最大转移电位[7-8]超过100 V，折算至2 h过负荷工况下(6 231 A)，最大转移电位可能超过200 V，存在一定安全隐患。转移电位是指当短路电流或雷电过电流流过接地装置时，一端与接地装置连接的金属导体传递接地装置对地的电位。

为研究接地极转移电位超标问题，本文依据实测的青稞羊村接地极大地电阻率成果，考虑冻土和非冻土两种工况，在2 h过负荷6 231 A入地电流下，对极址地表电位分布和转移电位的幅值进行了模拟，通过与实测值对比，提出了接地极金属围栅转移电位治理的具体措施。

1 接地极大地电阻率模型及设计方案

1.1 接地极大地土壤电阻率测量

根据极址电流场分布原理，极址周边区域的电位主要由浅层土壤电阻率决定；远离极址的电位分部主要与极址深层土壤电阻率和周边大范围的土壤电阻率有关。四极法具有局部分辨率高的特点，但测深不足，难以穿越高阻层；大地电磁法(MT法)，测深可达数百甚至上千千米，但无法取得地下1 km深度范围内的大地电阻率分布。接地极工程一般对浅层土壤电阻率采用四极法测量，对深层土壤电阻率采用大地电磁勘探(MT)法测量[9-11]。

青稞羊村接地极采用同心双圆环布置，外环半径600 m，内环半径470 m。极址区平面布置图上共布置25个浅层土壤电阻率测点，编号为DS01—DS25，测点深度为0～200 m；9个0～2 000 m土壤电阻率测点和5个0～30 000 m土壤电阻率测点与浅表层土壤电阻率测点重合，直流接地极极址的大地电阻率勘探位置如图1所示。

图1 极址的大地电阻率勘探位置示意(测点间距500 m)Fig.1 Sketch diagram of location of the earth resistivity survey in electrode site (distance of measuring points is 500 m)

考虑到极址表面转移电位主要由浅层土壤电阻率决定，故从简化计算的角度，采用土壤电阻率反演软件，将接地极土壤电阻率拟合为水平四层大地模型。针对冻土和非冻土两种情况，分别进行了计算，其中表1为非冻土季节时极址大地电阻率模型，表2为冻土季节时极址大地电阻率模型。

表1 不考虑冻土层时大地模型参数Tab.1 Geodetic model parameters without considering permafrost

表2 考虑冻土层时大地模型参数Tab.2 Geodetic model parameters with considering permafrost

对于土质结构已经固定的土壤，影响土壤电阻率的两种最明显的季节因素就是降雨和冰冻，降雨导致电阻率降低，而冰冻则引起电阻率升高[12-15]。

青海地处我国西北高原地区，冰冻周期长，季节性冻土非常明显，根据多年在西北高寒地区工程设计的经验，不同季节土壤电阻率差异较大，故跨步电压的计算必须考虑季节性冻土对土壤电阻率的影响。

为了准确得到不同季节的土壤电阻率，设计单位在2017年12月进行了可研阶段的土壤率测量，2018年5月进行了初步设计阶段的土壤电阻率测量，计算中依据不同季节的土壤电阻率测量结果对表层电位进行了模拟。

经查，西北电力设计院有限公司编制的《接地极岩土勘察报告》及《水文气象报告》[16-17]中引用的相关国家标准及气象站资料，青稞羊村接地极所在区域季节性冻土层厚度在1.2～1.6 m，主要集中在当年11月至次年4月，土壤电阻率分层模型中冻土层均按照1.6 m 考虑。

1.2 青稞羊接地极设计方案

青海海南换流站青稞羊村接地极系统额定电流5 523 A，2 h过负荷电流为6 231 A，双极不平衡电流为10 A。

根据接地极区域土壤电阻率及地形条件，青稞羊接地极采用浅埋型陆地接地极，电极形状为同心双圆环形，外环半径为600 m，内环半径470 m；电极材料采用Φ50高硅铬铁棒，电极埋深为4.0 m；活性填充材料为石油焦炭，焦碳截面外环、内环均为0.80 m×0.80 m。

2 接地极金属围栅接地分析

青稞羊接地极表面的金属围栅主要是当地牧民用来划分地界的障碍物，图2为金属围栏俯视图，图3为金属围栏现状。

图2 接地极金属围栏位置示意图Fig.2 Sketch diagram of metal fence position of electrode site

图3 接地极金属围栅现状图Fig.3 Scene picture of metal fence of electrode site

接地极金属围栅的接地工况主要有3种。

1)金属围栅的支撑部分(围栅桩)对地电气绝缘，而且金属围栅的金属体(铁丝)也严格对地绝缘的。一般情况下经过了放电以后，可以认为悬浮的铁丝与大地具有同一电位，此时不存在电位转移的问题。因为铁丝是对地严格绝缘的，人接触到铁丝以后可能会有轻微的感应电荷放电，电荷放电后不再对人体进行放电，故人体是安全的。

2)围栅桩为金属材质且良好接地，即铁丝通过围栅桩多点接地。在这种情况下铁丝对人体存在轻微的转移电位问题，转移电位最大的工况是人站在某围栅桩处安装铁丝，人对相邻的围栅桩放电，此时围栅桩的间距就决定了转移电位的大小。以通信线路的人体安全电压60 V作为标准，在各种工况下，只要控制围栅桩的间距，确保两桩间的电位差不超过60 V，就可以认为是安全的。

3)长距离铁丝单点接地。这种情况是转移电位最为严重的情况，在这种情况下只要人接触到了铁丝，人体就会承受站立点与铁丝接地点之间的地表电位差。如果人体承受电位差超过60 V就认为有触电风险。

在本工程接地极调试期间，入地电流3 000 A时，现场测量的最长的不接地金属围栏对地存在超过100 V的转移电位，折算至2 h过负荷工况下，该转移电位可能超过200 V，因此也是最严重的情况。

综合以上3种情况可见，地表电位是研究转移电位是否安全的一个重要标准。根据行业标准DL/T 5524—2014《高压直流输电大地返回系统设计技术规程》[8]中对转移电位差定义为人站在接地极附近地面触摸远方引入的接地导体或人站在远处接触极址附近引出的接地导体所能承受的接触电位。接地极设计时极址上部金属网状围栅上的转移电位设计值可采用国家标准推荐的不大于60 V作为限值。

3 直流接地极的地表电位分布

根据直流输电系统的工作原理，采用单极大地返回运行方式时，会在接地极地表产生电位最大值。青稞羊村接地极位于青海高寒地区，必须考虑冻土层对地表电位分布的影响，故针对冻土和未考虑冻土分别进行了计算分析。

3.1 非冻土季节地表电位分布

图4是直流接地极极环位置示意图，图5为非冻土季节时距离极环中心不同距离的地表电位分布曲线，地表电位最大值为576.71 V，发生在内环附近，外环附近地表的最大电位升高为572.34 V。

图4 接地极双环位置示意图(鸟瞰图)Fig.4 Sketch dragram of ground electrode double ring position (aerial view)

图5 距离极环中心的不同距离的地表电位分布曲线(不考虑冻土)Fig.5 Curve of surface potential at different distances from the center of polar ring (without considering frozen soil)

3.2 冻土季节地表电位分布

由图6可得，内环附近地表电位最大值为634.39 V，内环附近地表的最大电位升高为630.77 V。

从图6可以看出，考虑冻土层后地表电位较未考虑冻土层有所升高，地表电位梯度也有所增加，在这种情况下转移电位的风险是最高的，故转移电位的治理方案应该考虑冻土层的因素。

3.3 转移电位治理范围分析

通过图6可见，地表电位的两个峰值分别对应接地极内外环上，在接地极内环内侧，由接地极中心至350 m范围内，地表电位变化较为平缓，其转移电位差不大于60 V；接地极外环外侧距接地极中心680 m处向远方无穷远处的地表电位变化也较平缓，其转移电位差也不大于60 V，因此可以认为在距接地极中心350 m范围内以及距接地极中心680 m之外的范围内(如图7所示)，转移电位差不需要治理。

图6 距离极环中心的不同距离的地表电位分布曲线(考虑冻土)Fig.6 Curve of surface potential at different distances from the center of polar ring (with considering frozen soil)

图7 需要治理的范围示意图(阴影部分)Fig.7 Diagram of scope to be treated (shaded part)

根据地表电位计算结果，距接地极中心350 m处至距接地极中心680 m的范围内的金属围栅由于转移电位差变化幅度较大，需要采取措施。而转移电位差的大小同电位转移的距离有很大关系，因此确定转移电位差允许值所对应的电位转移距离是治理的前提。

考虑一定安全裕度，金属围栅转移电位的治理方案限值取50 V，按照最严苛的工况，即围栅桩一端接地，另一端加之人体上的情况下计算，得出相邻围栅桩之间的最大跨度为20 m。因此若要满足转移电位不超过50 V，则相邻围栅桩间隔最大不能超过20 m，若超过需要在中间加设接地围栅桩。

另外为保证对无穷远处的防护效果，在距接地极中心800 m处设置接地桩，阻止地表电位向更远处传播。

4 转移电位治理方案

根据对接地极转移电位的计算分析，依据不同的治理思路，可采取以下两种具体的治理方案。

4.1 控制转移电位的转移距离

1)在需要对转移电位进行治理的范围内，严格控制金属围栅相邻围栅桩之间的最大间距不超过20 m，对不满足条件的需要增设接地围栅桩。

2)在间距不超过20 m的原有围栅桩增加一根垂直接地体，所有围栅桩上的铁丝都与接地体相连。

3)距离极环中心处680～800 m区域内的围栅铁丝，在800 m处增加一根垂直接地体，垂直接地极与铁丝网相连，用于阻止转移电位向更远超转移。

4)垂直接地体可采用2.0 m长的50 mm×50 mm×5 mm镀锌角钢或Φ16 mm镀锌圆钢，打入地中不少于2 m。

此方案的治理思路是依据对转移电位的计算结果，将金属围栅分割为20 m的小段并两端接地，使最大转移电位满足规程要求值，且限制电位最大不超过50 V，考虑金属围栅单个回路电阻较大，故双端接地产生的闭环电流不会对人体及金属围栅本身产生影响。

4.2 采用非导电材质替换导电材质的围栅

将治理范围内的金属围栅全部更换为非导电材质围栅(如PVC围栅)，以此隔断转移电位传播路径，从而达到降低电位差的目的。原有支撑金属围栅的支柱由于不存在电位差，可不更换。

此方案的治理思路是彻底从物理上对电位转移路径进行阻隔，断绝了转移电位产生的可能。

以上两种方案施行后，均需在接地极极址范围内树立永久标识牌，提醒牧民在极址区域内禁止设立长度超过20 m的金属围栅，并应向当地政府报备。

青稞羊村接地极工程采用了第一种控制方案，将金属围栅分割为15 m的小段并两端接地，在工程最终投运前，对金属围栅的转移电位测量结果表明最大电位差不大于40 V，达到了治理目标。

5 结论

1)在接地极地表当人站在远处接触极址附近引出的接地不可靠的金属围栅时，会存在转移电位的问题，长距离非有效接地的金属围栅可能对人生安全带来威胁。

2)转移电位更多受浅层土壤电阻率影响，采用四极法和MT法测量的土壤电阻率建立的分层土壤模型能够反映接地极实际土壤情况，可以用于表面电位分别计算。

3)通过对比计算结果，考虑冻土层情况下的转移电位要较不考虑冻土层的转移电位大，地表电位最大值出现在接地极极环附近，并向两端快速衰减。青稞羊村接地极距接地极中心350 m处至距接地极中心680 m的范围内的金属围栅转移电位差变化幅度较大，需要采取措施。

4)依据规范及考虑一定裕度，青稞羊接地极金属围栅转移电位限值可控制为50 V，按照最严苛的工况，具有良好接地的相邻围栅桩之间的最大间距不超过15 m，可满足要求。在距接地极中心800 m米处再设置一道接地桩，阻止转移电位向更远处传播。

5)根据不同的治理思路，讨论了通过有效接地控制转移电位转移距离和更换非导电材料两种可行的治理方案。