高压直流输电工程共用接地极运行风险及防范措施工程应用

熊 伟，贾培亮，陈达轩，张天浩，王瑞显

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 511300）

0 引 言

随着电力需求的不断增长和能源互联网的不断发展，高压直流输电工程已经成为了现代电力系统中不可或缺的一部分[1]。在高压直流输电系统中，共用接地极作为一个关键的组成部分，发挥着重要的作用[2]。因此，深入研究高压直流输电工程共用接地极的运行问题，分析其中的风险，并提出有效的防范措施，变得至关重要。

1 高压直流输电工程共用接地极简介

高压直流输电是一种利用直流电在远距离输送大功率的技术，主要由整流站、逆变站、直流输电线路、接地极、接地极引线以及控制保护系统等组成[3]。接地极是高压直流输电系统中必不可少的组成部分，当系统运行于单极大地回线方式或双极不平衡运行方式时，为系统双极间不平衡电流流通提供通路，能够防止雷击和漏电等故障[4]。共用接地极运行方式根据有无电流流过共用接地极，可分为有电流流过运行方式和无电流流过运行方式。

有电流流过运行方式是当2 个或多个高压直流输电系统采用同一接地极时（见图1），由于各系统的运行方式不同或者相同但不平衡，导致共用接地极中存在不平衡电流[5]。该运行方式的特点是共用接地极的电位会随着各系统的运行状态而变化。

图1 分流等效电路

无电流流过运行方式是当2 个或多个高压直流输电系统采用同一接地极时，由于各系统的运行方式相同且平衡，导致共用接地极中不存在不平衡电流。该运行方式的特点是共用接地极的电位相对稳定，对环境和设备的影响较小。但在实际运行中，由于各系统之间存在参数差异和控制误差，完全无电流流过共用接地极的情况很难实现。

2 高压直流输电工程共用接地极运行风险分析

2.1 共用接地极对系统运行方式的影响

在高压直流输电工程中，共用接地极的运行方式直接关系着整个系统的稳定性、可靠性和安全性。正常情况下，高压直流输电系统通过共用接地极实现电流的均衡分布，以保持系统的双极运行状态。然而，共用接地极导致正负极逆变器和直流换流变的工作状态不一致，进而影响系统的电气稳定性。在某些情况下，系统需要采用单极大地回线方式运行，共用接地极的存在会干扰这种运行模式的实施。共用接地极的电势变化影响系统中单极运行模式下的电压分布，从而使得系统难以稳定地维持单极运行状态，导致系统的直流功率调节困难，影响系统的运行灵活性和可靠性。

2.2 共用接地极对系统运行性能的影响

共用接地极上电流的变化会引起接地极电压波动、过热以及电阻增大等问题。电流的变化会导致接地极电压的波动，进而影响系统的电气稳定性。过高的电流使得接地极过热，导致接地极材料受损，从而降低其可靠性。同时，共用接地极的运行方式会对系统的控制和保护功能造成潜在风险。特别是在有电流流过的共用接地极中，当一个系统发生故障时，其他系统也会受到影响，导致整个系统运行不稳定。例如，如果A 系统发生直流断路器故障，共用接地极上的电流变化导致B 系统的直流电压波动，影响B 系统的功率控制。这种相互影响导致控制系统出现误判，增加系统发生故障的风险，甚至引发事故。共用接地极对系统的经济性和效率也会产生影响，电流在共用接地极上的流动会引起能量损耗，从而降低系统的传输效率，能量损耗不仅浪费电能，还增加系统的运行成本。

2.3 共用接地极对环境和设备的影响

共用接地极的运行会对相关设备造成影响。电流在共用接地极上的变化会导致接地极材料内部产生焦耳热，从而使接地极过热。过高的温度会损害接地极材料的结构强度和导电性能，从而降低接地极的可靠性。电流变化还会改变接地极电阻，影响其有效的接地效果。这种接地效果的不稳定性会影响系统的电气稳定性，甚至可能引发设备故障。共用接地极中电流的变化还会引发电磁场辐射，对周围的设备和人员产生电磁辐射干扰。这种干扰会影响设备的正常运行，甚至可能对人员的健康造成一定影响。因此，在共用接地极的设计和运行过程中，需要综合考虑这些因素，以确保系统的稳定性和设备以及环境的安全性。

3 高压直流输电工程共用接地极运行风险防范措施

3.1 接地极选址措施

在高压直流输电工程中，接地极选址的合理性决定了其与土壤环境及周围设施的相互影响。土壤电阻率的评估是关键的一步。土壤电阻率直接影响接地极的电阻情况，较高的话能有效减少接地极的电阻，从而降低电化学腐蚀和土壤温升等风险。通常情况下，土壤电阻率不应超过100 Ω·m，最好控制在10 Ω·m以下。此外，足够的土壤含水量也有助于降低土壤的温度变化，从而有利于控制土壤温升。通常要求土壤含水量不低于10%，最好保持在20%以上。同时，虽然高盐分含量能提高土壤的导电性，降低接地极的电阻，但是过高的盐分含量会加剧土壤的腐蚀性，影响土壤和水质的性质。通常要求土壤的盐分含量不应超过0.5%，最好控制在0.1%以下。此外，土壤的酸碱度也是需要考虑的因素之一。在选址时，土壤的pH 值一般应保持在6.5 ～8.5，最好接近7。对于地下的金属构件，如管道、光缆、铁轨等，应避免或远离接地极选址，以减少电位差和电化学腐蚀的风险。

3.2 系统运行方式和控制策略优化

3.2.1 系统运行方式选择和切换优化

不同的运行方式会在不同情况下影响系统性能。对于双接地极系统，可以选择双极平衡运行、单极大地回线运行或开环控制运行等方式。选择适当的方式需要综合考虑负载情况、系统稳定性和效率等因素。例如，在高负载情况下，选择双极平衡运行可以更好地平衡系统，而在部分负载情况下，选择单极大地回线运行更合适。同时，切换不同运行方式时，需要确保平稳、快速和可靠的转换。一种优化策略是基于模糊逻辑的方式切换。这种方法可以根据各系统的直流功率、电压、极性等因素，动态调整切换条件和时间。例如，当一个系统的功率远超过其他系统时，系统可以根据模糊逻辑规则自动切换到另一种运行方式，以平衡系统负荷。

3.2.2 系统电压和电流控制策略优化

由于共用接地极中存在不平衡电流，需要优化系统的电压和电流控制策略。一种有效的策略是滑模变结构控制。该方法引入滑模面和滑模变量，通过在系统出现扰动时自适应地调整控制量，实现对电压和电流的健壮性控制，有助于抵消不平衡电流带来的影响，保持系统的稳定性。另一种策略是考虑不同系统之间的耦合效应。耦合效应导致系统参数不匹配，影响控制精度。因此，控制策略应该采取协调的措施，确保系统之间的电压和电流保持稳定。

3.3 环境和设备保护措施

当2 个或多个高压直流输电系统共用接地极时，需要安装和维护相应的监测与保护设备，以实时监测共用接地极的运行状态，及时发现并处理出现的故障和异常。

接地极电位监测装置一般由电位计、参比电极、信号传输线等组成，安装在接地极附近的合适位置，定期或连续地记录接地极电位，并将数据传送到控制中心或现场显示器。接地极电位监测装置可以帮助分析共用接地极对系统运行方式的影响，判断共用接地极是否发生故障或异常。

金属管道腐蚀监测装置一般由电流密度计、电位差计、温度计以及pH 计等组成，安装在金属管道或结构物的表面或内部，定期或连续地测量金属管道或结构物的电流密度、电位差、温度以及pH 值等参数，并将数据传送到控制中心或现场显示器。金属管道腐蚀监测装置可以帮助制定合理的防腐蚀和绝缘措施，并判断金属管道或结构物是否需要更换或修复。

4 共用接地极工程应用实例分析

云广特高压直流输电工程是全球首个±800 kV直流输电项目，覆盖从云南省楚雄市到广东省广州市，输电距离达1 438 km，额定容量为5×106kW。贵广Ⅱ回直流输电工程则是国内±500 kV 直流输电项目，横跨自贵州省兴仁市至广东省深圳市，全程长达1 225 km，额定容量为3×106kW。这2 个工程共同采用单极大地回线运行方式，共用一个位于广东清远市的接地极。

共用接地极方案的设计与评价主要涵盖以下3个方面。

第一，接地极选址和设计。考虑2 个工程的运行参数与条件，选择了位于广东省清远市飞来峡镇的沼泽湿地作为共用接地极的位置。该位置具有土壤湿度高、导电性好、土壤酸度低以及金属管道稀少等优势，从而降低接地极的电阻和腐蚀风险。这种方案采用创新的双层网状结构，结合不锈钢网和铝网，以获得卓越的导电性和耐腐蚀性。

第二，系统运行方式和控制策略。2 个工程均采用同极性的单极大地回线运行方式，即云广特高压直流输电工程采用正极大地回线，贵广Ⅱ回直流输电工程采用负极大地回线，因此共用接地极中的电流等于2 个系统的电流之和。正常运行时，按功率需求执行恒功率控制，并根据实际情况进行微调。当其中一个系统发生故障或异常时，另一个系统会自动切换至恒电压控制，并根据故障性质和范围进行相应的调整。当2 个系统同时出现故障或异常时，会优先确保云广特高压直流输电工程的运行，并根据情况进行调节。

第三，环境和设备保护措施。针对共用接地极产生的不平衡电流对周围环境和设备的影响，采取了一系列的保护措施。这包括定期监测和分析接地极周围的土壤与水质，评估污染程度和影响范围，然后采取相应的改善和治理措施，如调整土壤pH 值、增加有机物含量、施加脱盐剂以及种植耐盐植物等。另外，需要定期检查和维护接地极附近的金属管道与结构物。

运行结果表明，这一方案在各方面都表现出可行性，为2 个工程的运行提供了有力的支持。接地极的电阻、电位变化等指标表现出稳定性和可控性，同时有效控制了对周围环境和设备的影响。

5 结 论

高压直流输电工程共用接地极的运行问题需要全面考虑和解决，各方共同努力。只有通过科学的分析、切实可行的防范措施以及经验总结的不断积累，才能确保电力系统的稳定运行，为能源输送提供可靠支持，同时为电力行业的可持续发展做出贡献。