共用接地极直流输电工程运行方式转换过程中换流站地网分流的影响及解决方案

卢毓欣，赵晓斌，李岩，黄莹，罗炜，秦康，曹润彬，辛清明，徐迪臻

(1. 直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)，广州510663; 2. 中国南方电网有限责任公司，广州510663)

0 引言

随着国家西电东送战略的实施，国内直流工程建设和投入使用不断增长。直流工程接地极占地较大，选址限制因素较多，部分工程选址存在困难，同时为了节省直流工程建设用地和建设成本，越来越多直流工程采用共用接地极(common ground electrode，CGE)方式建设。

以往共用接地极相关研究主要考虑对共用接地极本体设计的影响、对直流系统稳态运行和暂态过程的影响、对变压器偏磁电流和对附近地下金属设施的电化腐蚀作用等。文献[1 - 6]研究了多个共用接地极对接地极本体设计的影响。文献[7 - 9]考虑中性点电位抬升分析了共用接地极对直流系统稳态运行的影响，文献[1，10 - 12]分析了共用接地极对过电压和控制保护系统等各方面的影响。文献[13 - 15]对直流系统共用接地极和接地极线路检修运行相关问题进行了分析。文献[16]分析了共用接地极直流系统对运行的影响、对变压器偏磁电流的影响和对附近地下金属设施的电化腐蚀作用等影响。

兴安直流与楚穗直流的受端宝安站和穗东站共用鱼龙岭接地极，2017年在楚穗直流单极大地回线运行期间，兴安直流开展了单极大地、金属回线运行方式转换，转换过程中宝安站内接地网流入较大电流，引起保护动作继而双极闭锁的情况。以往文献未提及运行方式转换过程中共用接地极的两回或多回直流系统间的相互影响。本文将研究提出共用接地极系统在单极金属、大地转换过程对设备选型和控制保护策略的影响及相应解决方案。

1 直流运行方式转换期间共用接地极对换流站的影响分析

1.1 换流站接地网分流原理

直流输电系统在各种运行方式下均须进行接地钳位。以两端直流系统为例，在单极大地回线运行方式下，两端换流站均通过接地极接地。单极金属回线运行方式下，其中一端换流站接地钳位。接地方式有两种，分别为经接地极接地和经站内地网接地。南方电网已建直流工程在金属回线运行方式下接地端换流站均采用站内地网接地方式。

对于单极金属回线运行方式采用站内地网钳位的直流工程，单极大地回线运行方式下，换流站接地极回线隔离开关Q5合位，站内高速接地开关(high speed grounding switch, HSGS)分位，通过接地极钳位；单极金属回线运行方式下，钳位站HSGS开关合位，Q5分位，通过站内地网钳位。在单极金属和单极大地回线运行方式转换过程中，金属回线钳位站会存在隔离开关Q5和HSGS同时处于闭合的情况。单极大地转单极金属回线运行方式过程中，合上HSGS后断开Q5；单极金属转单极大地回线运行方式过程中，合上Q5后断开HSGS。Q5和HSGS开关同时闭合期间，金属回线钳位站的接地极、接地极线路与站内接地网会形成分流回路。如图1所示，当直流系统2因处于单极大地回线运行或者双极大地不平衡运行导致接地极存在入地直流电流时，在直流系统1开展单极大地和单极金属回线运行方式转换期间，直流电流将经分流回路流入直流系统1的换流站接地网(grounding grid of converter station, GGCS)。

图1 共用接地极和站内地网分流回路Fig.1 Shunt circuit of common ground electrode and grounding grid of converter station

1.2 换流站接地网分流计算

流入换流站接地网的分流Icg1可通过共用接地极的另一回直流系统的直流电流Idc2、共用接地极接地电阻Rge、本回直流接地极线路电阻Rgel以及换流站地网电阻Rgg进行计算。

(1)

影响分流电流大小的主要因素为另一回直流的入地电流以及接地极线路的长度，对于接地极线路较短的换流站，接地极线路直流电阻小会造成流入换流站的直流分流电流较大。考虑另一回直流以额定电流或2 h过负荷电流运行于单极大地运行方式，受共用接地极影响的换流站在金属大地转换过程中流入换流站地网的电流大小一般为数百安。

1.3 换流站地网分流对换流站的影响

1.3.1 对站内开关操作的影响

在单极大地转单极金属回线运行方式过程中，需合上HSGS后断开Q5；单极金属转单极大地回线运行方式过程中，需合上Q5后断开HSGS。直流隔离开关Q5无法转移较大的直流电流。HSGS为中性母线高速接地开关，具备快速合闸能力和将双极运行不平衡电流转移到接地极的能力，南网已建直流工程HSGS直流电流转移能力一般为200 A。当共用接地极分流至接地网的电流超过Q5和HSGS开关转移能力时，Q5可能会烧蚀损坏，HSGS会触发闭锁逻辑，防止开关分闸。其中，隔离开关Q5的断开时间为秒级，通常为10 s左右，HSGS的断开时间为毫秒级，通常小于100 ms。

1.3.2 对站内地网过流和控制保护的影响

站内接地网具备一定的电流承受能力，当分流至站内地网的电流大于站内地网设计考虑的不平衡电流时，站内地网过流保护76SG将会动作闭锁直流，保护动作延时一般不超过3 s。在单极金属转单极大地回线运行方式的情况下，由于HSGS断开时间较短，若成功开断，则分流回路不再存在，保护不会出口。在单极大地转单极金属情况下，由于Q5断开时间约为10 s，因此在单极大地转单极金属回线运行方式的顺控流程还没有完成时，站内接地过流保护会先动作闭锁直流。

直流系统闭锁后，共用接地极的另一回直流系统的入地电流及流入本回直流系统的分流回路依然存在，没有起到保护站内接地网的作用。保护动作后，单极大地转单极金属回线运行方式的顺控流程继续执行，若Q5开关被拉开，电流全部转移到共用接地极中。如果分流到站内接地网的电流大于Q5开关的转移能力，上述分流回路会持续存在。换流站地网长期通流能力一般考虑双极最大不平衡电流进行设计(控制在额定直流电流的1%以下)，一般为十几安到几十安，大电流分流回路持续存在将引起接地网电腐蚀。

1.3.3 对换流变中性点直流偏磁电流的影响

换流站内接地网分流会导致换流变流过直流偏磁电流。考虑另一回直流以额定电流或2 h过负荷电流运行于单极大地回线运行方式，受共用接地极影响的换流站在单极金属、大地回线运行方式转换过程中流入换流变中性点的直流偏磁电流基本均超出其长期耐受能力(10 A或12 A)。

1.4 解决方案

针对上述风险，现有换流站接线下的解决方案包括采用调整运行方式或使用接地极作为单极金属回线运行方式钳位点以避免同时出现站内和接地极双点接地情况，或使用具有直流电流转换能力的开关以开断站内直流接地电流。

调整运行方式可通过运行人员在执行操作前确认对应直流工程状态或在共用接地极的直流工程之间增加协调控制实现。但仍存在一回直流在单极大地、金属回线运行方式转换过程中另外一回直流发生单极闭锁导致本回直流继而闭锁，故障影响范围扩大的风险。

使用接地极作为单极金属回线运行方式的钳位点，对于已建工程改造较复杂，需修改双极中性母线差动保护、接地极开路保护、站内接地过流保护等多项保护配置以及顺序控制。与经站内地网接地相比，采用站外接地极作为单极金属回线运行方式的接地点时，接地极线路故障将提高单极金属回线运行方式下的运行风险，接地极线路和接地极检修期间直流运行也将受到影响。

在接地极线路的隔离开关旁加装具备直流电流开断能力的开关并配备专门的振荡回路和吸能避雷器[17]，同时增强HSGS开断直流分流电流的能力，可在单极大地、金属回线运行方式转换过程中快速将流入站内的直流电流开断。该方案对造价和布置占地影响较大。

由于以上方案均存在一定缺点，提出设置换流站接地限流电阻以降低流入站内直流电流幅值的解决方案。如图2所示，在HSGS接地侧加装限流电阻Rlim及与之并联的隔离开关QR，降低流入换流站地网直流电流的大小，使HSGS和Q5开关可以转移该小电流。

图2 设置换流站接地限流电阻的接线示意图Fig.2 Wiring after adding current-limiting grounding resistor of the converter station

2 采用限流电阻方案的运行方式转换过程

采用换流站接地限流电阻方案，单极大地回线运行方式(简称大地)转单极金属回线运行方式(简称金属)和金属转大地的运行方式转换过程如表1所示。转换过程示意图中省略了HSGS中性母线侧除检修工况外常闭的隔离开关以及站内地网电阻Rgg。

表1 运行方式转换过程Tab.1 Process of operation mode conversion

大地转金属和金属转大地两种转换方式均仅在转换过程的第2步为同时合上Q5和HSGS的站内接地网分流状态，此时流入站内地网的直流电流经限流电阻可限制在一定范围。第3步分别为断开接地极线路隔离开关Q5和断开HSGS，此时需转移的直流电流为限流状态下的小电流。由另一回直流分流至本回的直流电流Ilim计算如下。

(2)

3 接地限流电阻设计方法

3.1 限流电阻阻值选取原则

限流电阻阻值Rlim应考虑限流状态和金属回线经限流电阻接地钳位状态综合选取。一方面，限流电阻阻值选取应使分流进入换流站内的直流电流限制在期望值Ilim以内，因此电阻值不宜太小，一般为百欧级。

(3)

另一方面，加入限流电阻后，在大地转金属和金属转大地的过程中都会出现一段中性母线经限流电阻接地的状态，电阻的大小不应明显抬高中性母线的电位，否则可能影响直流运行状态和非钳位换流站中性母线避雷器的安全运行，因此电阻值也不宜太大。建议限流电阻阻值选取按照电阻加入后中性母线电压抬升不超过1%直流额定电压进行控制。

3.2 中性线电压抬升计算

当直流系统单极金属回线运行经站内限流电阻单点接地时，直流极线电压UdH将通过线路电导和接地限流电阻向金属回线充电，由于限流电阻阻值显著高于地网电阻，钳位站中性线的对地电压UdN将被抬高。图3给出了不同接地状态下的直流线路对地电阻和充电回路示意图。

图3 直流线路对地电阻和充电回路示意图Fig.3 Schematic diagram of DC line-to-ground resistance and charging circuit

直流架空线路电导的主要来源为与空气电离有关的有功功率损耗，即电晕损耗，另外还包括泄漏电流所致的有功功率损耗及绝缘子介质中的有功功率损耗。影响电晕损耗大小的因素包括输电线路导线型号、极间距、分裂间距、线路对地高度、线路海拔、大气条件等[18 - 23]。

金属回线电压低，基本不起晕，对地等值电阻RM仅为线路泄漏电阻，远大于极线电晕产生的对地等值电阻RP(兆欧级)，而极线对地等值电阻RP远大于限流电阻Rlim(百欧级)和换流站地网电阻Rgg(欧级)，限流电阻Rlim远大于接地极线路电阻Rge1(欧级)和接地极电阻Rge(欧级)。

当站内和站外双点接地时，由单极直流线路电晕引起的入地直流电流为：

(4)

式中：“∥”为电阻并联计算。

当站内单点接地时，由单极直流线路电晕引起的入地直流电流为：

(5)

可见，由于各电阻量级具有显著差异，因此单极直流线路电晕引起的入地直流电流由直流极线电压和极线对地等值电阻决定。当站外和站内双点接地时，该入地电流主要流经阻值较小的接地极和接地极线路回路。当站内单点接地时，该入地电流主要流经限流电阻回路。

当金属回线运行方式下通过限流电阻经站内地网单点接地时，钳位站中性线对地稳态电压最高。

(6)

3.3 限流电阻阻值选取示例

假设共用接地极的直流系统2过负荷电流3 750 A、共用接地极接地电阻0.5 Ω，考虑接地网直流电流长期耐受能力，以将流入直流系统1的换流站站内分流直流电流控制在10 A以下为目标，由(3)式可知限流电阻阻值应满足：

(7)

以直流系统1的中性母线稳态电压抬升不超过1%直流额定电压为目标，由式(6)可知限流电阻阻值应满足：

Rlim≤1%RP

(8)

以直流系统1的额定电压±800 kV，直流线路长度2 000 km为例，正常条件下±800 kV单极直流极线电晕损耗约2～3 W/m[13 - 14]，考虑气象环境等因素的不确定性，考虑一定裕度，按单极直流极线电晕损耗5 W/m进行计算，直流极线对地等效电阻RP=64 000 Ω， 限流电阻阻值应满足Rlim≤640 Ω。

综合以上因素，限流电阻阻值范围187.5～640 Ω，为降低换流站分流电流，可取值500 Ω。

限流电阻最大稳态功率要求可按照限流状态和金属回线经限流电阻接地钳位状态下的最大电流进行计算。

4 直流运行方式转换试验验证

为检验装设限流电阻后共用接地极的直流系统能否正常开展单极直流运行方式转换，从而验证换流站分流及中性母线电压抬升情况，对实际工程开展了现场试验。±800 kV新东直流受端东方换流站和±500 kV牛从双回直流受端从西换流站共用长翠村接地极，在东方站加装500 Ω接地限流电阻后，开展新东直流极2单极大地和单极金属回线运行方式转换操作试验。试验时牛从直流极1以单极大地回线运行，直流功率为550 MW，试验前新东直流极2以单极大地回线运行，直流功率为900 MW。新东直流极2单极大地转金属回线运行试验中东方站部分录波波形如图4所示。

图4 单极大地转金属回线试验时的东方站波形Fig.4 Waveform of Dongfang station during the test from monopolar ground return to metallic return mode

图4中，t0～t1时段HSGS已合上，限流电阻已接入，处于金属回线经站外和站内双点接地状态；t1时刻中性线隔离开关Q5开始打开，t2～t3时段Q5发生重燃约500 ms，t3时刻后金属回线仅经站内限流电阻接地。根据录波数据，t0～t1时段，中性线对地直流电压约0.2 kV，经电阻限流后流入站内接地网的直流电流Idsg约为0.5 A，流过接地极线路的直流电流Idee约为6.4 A，Idee包括分流电流Idsg、由直流线路电晕效应引起的主要流经接地极和接地极线路的电流I1两部分。

Idee=I1-Idsg

(9)

因此可估算出由于直流线路电晕效应引起的入地电流I1约6.9 A。t1时刻中性线隔离开关Q5开始打开，打开过程中开关两端建立一定压差，接地极线路侧对地电压为牛从直流系统电流流入接地极导致的电位升，中性母线侧对地电压为线路电晕损耗电流流经限流电阻导致的电位升，Q5断口间压差为几千伏，因此在t2时刻Q5发生重燃，并在开距增大后在t3时刻熄弧。t1～t2及t3后时段，接地极线路直流电流降至0，由直流线路电晕效应引起的入地电流由接地极和接地极线路回路转移至站内地网和限流电阻回路。站内接地网直流电流Idsg增至约6.9 A，与前述估算一致，中性线对地直流电压UdN增至约3.4 kV。两种接地状态下的站内地网及接地极线路电流回路示意图如图5所示。

图5 站内地网及接地极线路电流回路示意图Fig.5 Schematic diagram of the current circuit of the grounding grid in the station and the ground electrode line

根据工程实际参数对图5(a)对应的Idsg和UdN进行核算，并与上述录波数据进行验证。牛从直流系统的直流运行电流Idc2为1 100 A，共用接地极接地电阻Rge约0.19 Ω，新东直流接地极线路电阻Rgel为5.77 Ω，换流站地网电阻Rgg为0.46 Ω，可得t0～t1时段站内接地网直流电流Idsg理论计算值为0.42 A，中性线的对地直流电压UdN理论计算值为0.21 kV，理论计算值与图4中的录波数据基本吻合。

根据图5(b)对应的Idsg现场数据推导实际线路电晕损耗，并与电晕损耗理论计算值进行比较。新东直流线路长度约1 928 km，根据-800 kV单极直流极线电晕导致的直流入地电流为6.9 A计算得单位长度线路电晕损耗为2.87 W/m，与文献[15]中电晕损耗实际测试数据接近，说明理论分析正确，设计时采用5 W/m进行计算具有一定裕度。

对应上述试验工况，若牛从双回直流均以满载电流同极性单极大地运行，东方站的Q5打开后的断口间最大压差将在现场工况Q5压差基础上增加约1 kV，对设备影响不大。

在直流系统大地、金属运行方式转换过程中，打开QR的操作过程中将发生击穿。由于限流电阻端间压降很小，当开关开距很小时才会发生空气击穿，击穿产生的能量由换流站中性线冲击电容器上储存的能量提供。新东直流极2单极大地转金属回线试验中，东方站QR打开期间的击穿过程录波波形如图6所示。击穿初期(t0～t1时段)最大冲击电流为921 A，其后小电流燃弧约200 ms(t1～t2时段)，再重击穿约280 ms(t2～t3时段)，最后小电流燃弧直至开关合位。对t0～t3时段的电压和电流进行积分，可得QR打开过程中在触头上消耗的能量约为3 kJ。换流站中性线冲击电容器储存能量计算值约为7 kJ，量级相同。结合录波数据和理论分析，该操作工况对QR触头基本无影响。金属转大地过程中拉开QR期间开关触头也将短时燃弧，产生的能量同样较低。因此，在运行方式转换过程中QR开关短暂燃弧对开关触头及其寿命影响极小。

图6 QR打开期间的东方站波形Fig.6 Waveform of Dongfang station during QR opening

综上，现场试验顺利完成，且录波数据与理论分析一致，说明电阻设计方法可行，相关开关设备可安全运行，本文提出的方案可有效解决直流运行方式转换过程共用接地极对换流站的相互影响。

5 方案对暂态工况的影响

为评估单极金属接线方式下接地方案对暂态工况的影响，以某±800 kV直流工程为例，对单极金属接线下直接经站内地网接地、装设限流电阻经站内地网接地以及经接地极接地等3种接地方案，以及双极接线和单极大地接线下的直流线路首端/中点/末端接地故障和两端换流站高端换流变阀侧单相接地等故障工况进行仿真分析[24]。

以直流线路中点接地故障为例，两端换流站极线和中性线电压仿真结果最大值见表2。UdH_1和UdN_1、IdH_1和IdN_1分别为金属回线非钳位站极线和中性线的对地电压和电流；UdH_2和UdN_2、IdH_2和IdN_2分别为金属回线钳位站极线和中性线的对地电压和电流。

表2 直流线路中点接地故障下的直流母线电压电流最大值Tab.2 Maximum voltage and current on DC buses under grounding fault on the midpoint of DC transmission line

采用接地限流电阻方案，限流电阻仅在转换过程接入直流回路，仅对转换过程的暂态故障工况产生影响，主要影响的电气量是直流线路接地时钳位站中性线对地电压。根据仿真计算结果，故障下经限流电阻接地的金属回线钳位站中性线对地电压最大值与通过其他方式接地的换流站中性线最大对地电压接近，低于E型避雷器保护水平，在安全范围内。金属回线钳位站中性线最大暂态电流值小于双极和单极大地回线运行方式下的最大暂态电流值。已建工程采用该改造方案不影响极线和中性线设备应力要求。

6 方案对控制保护设计的影响

采用接地限流电阻方案，单极大地回线和金属回线之间的顺控转换需增加限流电阻旁路隔离开关操作、增加运行人员控制系统与直流站控系统有关该隔离开关的数据交互程序逻辑。转换前后以及转换过程中对单极大地、金属回线运行方式及中间状态的判断与现有运行习惯保持一致。

故障暂态过程中性母线电压有所提升，但在设备耐受范围内。双极区故障情况下双极区保护可靠动作，非双极区故障情况下，非双极区保护可靠动作且双极区保护不误动，无须修改保护。

7 结语

共用接地极的一回直流系统单极大地或者双极不平衡运行，另一回单极金属回线运行采用站内地网接地的直流系统开展单极大地、金属运行方式转换期间，一回直流的入地电流会分流至另一回直流的站内接地网中，导致站内接地网过流、换流变中性点直流偏磁电流超标、站内接地网过流保护动作闭锁直流、转移电流超过开关能力等问题。

本文提出在单极大地、金属回线运行方式转换过程中短时接入换流站内接地限流电阻的解决方案，接地限流电阻的阻值选取应综合考虑限流要求和金属回线电压抬升限制。

采用该方案可有效解决直流运行方式转换过程共用接地极对换流站的相互影响，对于已建工程，不影响原有直流系统运行特性和直流设备选型，仅需要修改顺控，不影响保护配置。