特高压直流输电接地极设计技术综述与展望

(2)接地极垂直设计方案。

垂直型接地极是由众多的垂直于地面布置的子电极并联组合而成，子电极各自相对独立。由图2所示计算结果可知，不规则双环方案接地极土地利用率较高，跨步电压计算结果相对较小，因此垂直型接地极设计方案参考不规则双环型接地极方案进行垂直极的布置。在极环上每间隔20 m 设置一根30 m 长的垂直接地极，垂直电极顶端距地面5 m[11]。根据参考文献[11]，在不规则双圆环布置情况下垂直型跨步电压的计算结果，绘制此方案的跨步电压曲线图，见图3。

图3结果显示，由于推荐极址7 m以下土壤电阻率稳定、阻值较小(见表1)，采用垂直型接地极有利于减小接地极跨步电压。根据计算结果与跨步电压控制值之间的对比，此设计方案在不同表层土壤电阻率下均满足设计要求。

因此，普洱换流站采用垂直型接地极方案。采用垂直接地极设计方案，需注意接地极温度不能超过90 ℃，通过控制接地极的焦炭使用量可以满足温升的要求。

图3 双环垂直型接地极跨步电压计算值与控制值对比图

Fig. 3 Step-voltage comparison diagram between the double rings vertical ground electrode calculated result and the controlled value

1.3 现阶段工程情况分析

对于直流工程接地极设计，极址选址是关键。若工程的落点是负荷中心，势必存在地区输油输气管线分布密集的情况。接地极选址应高度重视对其影响的评估，首先收资范围应参考青州换流站的接地极，进行大范围筛查，先锁定所有潜在区域，寻找最优区域后，再进行详细收资，确定备选极址。对于备选极址周围仍然存在较多输油输气管线的情况，务必与当地专业部门进行配合，出具更为专业详尽的评估报告，最后进行仿真评估。

同样，当直流输电工程土地使用权严苛时，采用垂直接地极能显著降低接地极的跨步电压，且允许极址存在一定高差，可以大幅度缩小接地极占地面积和对其周边的影响范围，降低接地极的选址难度。但是，由于垂直型接地极电极溢流密度分布不均，端部发热较严重，因此垂直接地极设计应重点关注电极的发热问题。目前解决问题的思路主要是新材料的研发和减少单极大地持续运行的时间，普洱换流站之所以能够实现垂直接地极的设计，主要是因为将原来额定的30天连续运行时间缩减到了3天[11]。对于跨国工程，输送容量势必很大，额定电流不会小于普洱工程的额定电流，因此对单极大地连续运行时间的规定，将是其中的关键因素之一。

2 未来工程海洋接地极设计思路

中国直流工程多建设在陆地，对于今后的直流工程，若换流站落点在沿海附近，海洋接地极的设计将要求研究新的思路。

接地极选址在近海地区的优点：①海水电阻率极低，利于电流流通;②可有效控制接地极温升问题;③较陆地接地极的深埋方式，埋深浅，工程施工难度低;④较金属馈线返回方式，造价低。

带来的问题：①海洋接地极维护均较陆地接地烦琐，且目前国内经验较少;②对海工设施(海底油气管道和地下建筑等)及接地极附近船舶的腐蚀，缺少基础数据和结论;③地下、海下电缆的磁场效应对磁导航的影响，缺少基础数据和结论;④金属电极的电解与电化学效应对海洋生态的影响，缺少基础数据和结论;⑤对邻近发电厂、变电站、铁路、通信系统的影响，缺少基础数据和结论。

根据相关研究报告，目前世界在其他领域应用电极时已广泛研究实现海底埋设的情况。单回接地极线路由架空线接至海岸，在适当位置选择电缆埋管敷设方式接入海边连接地房处隔离开关，见图4。在连接房，接地电缆分裂成数十根馈线电缆，分别引入海下电极中，见图4、图5。

图4 海岸电极埋设示意图(整体)

Fig. 4 Layout schematic of coastal grounding pole (overall)

Fig. 5 Layout schematic of coastal grounding pole(partly)

如果未来全球能源互联网工程需要在沿海地区建设特高压直流输电工程，接地极有可能涉及海洋接地这一领域，可以在借鉴上述经验的基础上开展研究。

3 结论

在特高压直流工程被广泛应用的大环境下，换流站接地极设计已成为一个备受关注的问题。

(1)换流站接地极设计可分为接地极选址及接地极本体设计两个部分，其中接地极选址是关键。

(2)接地极选址程序可参考青州站选址案例，首先进行大范围筛查，锁定所有潜在区域，寻找最优区域后，再进行详细收资，确定备选极址。对于备选极址周围仍存在较多输油输气管线的情况，要进行仿真评估，并与当地专业部门进行配合，出具详尽的评估报告。

(3)接地极本体形式的设计，应优先选择单圆型布置，其次是多个同心圆环型布置。在设计中采用垂直型接地极时，可参考普洱换流站垂直接地极应用的典型案例，特别关注垂直型接地极的适用环境或条件，扬长避短。

(4)展望未来全球能源互联网特高压直流输电技术实践，接地极海岸电极埋设可能选址海边，在分析海洋接地极选址优缺点的基础上，本文提出了海岸电极埋设的设想。

参考文献

[1] 刘振亚. 全球能源互联网[M]. 北京：中国电力出版社，2015, 8.

[2] 王彪，王渝红，丁理杰. 高压直流输电接地电极及相关问题综述[J]. 电力系统及其自动化学报，2012，24(1)：66-72.Wang Biao, Wang Yuhong, Ding Lijie. Summary of HVDC Grounding Electrode and Related Issue [J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2012, 24(1): 66-72(in Chinese).

[3] 袁涛，司马文霞，李晓莉. 两种常见接地极电流分布的探讨[J]. 高电压技术，2008，34(2)：239-242.Yuan Tao, SiMa Wenxia, Li Xiaoli. Current Distribution of Two Kinds Grounding Electrode [J].High Voltage Engineering, 2008, 34(2): 239-242(in Chinese).

[4] 李鹏，陈光，杨振国，等. ±500 kV直流输电工程接地极的设计施工及测试[J]. 电力勘测设计，2013(4)：63-68.Li Peng, Cheng Guang, Yang Zhenguo, et al. Design,Construction Testing of Earthing Pole of ± 500 kV DC Transformer Engineering [J].Electric Power Survey &Design, 2013 (4): 63-68(in Chinese) .

[5] 赵畹君. 高压直流输电工程技术 [M]. 北京：中国电力出版社，2004.

[6] 国家能源局. 高压直流输电大地返回系统设计技术规程：DL/T 5224-2014 [S]. 北京：中国计划出版社，2014.

[7] 国家能源局. 高压直流接地极技术导则：DL/T 437-2012 [S].北京：中国计划出版社，2012.

[8] 国家能源局. 高压直流接地极技术导则：DL/T 437-2012 [S].北京：中国计划出版社，2012.

[9] 国家能源局. 高压直流输电大地返回系统设计技术规程：DL/T 5224-2014 [S]. 北京：中国计划出版社，2014.

[10] 曾连生. 直流输电接地极电流对电力变压器的影响[J]. 电力建设，2004，25 (12)： 22-24, 28.Zeng Liansheng. Influence of DC Transmission Ground Electrode Current on Power Transformers[J]. Electric Power Construction, 2004,25(12): 22-24,28(in Chinese).

[11] 周挺，曾连生，王伟刚，等. 垂直型接地极在±800 kV普洱换流站的应用[J]. 南方电网技术，2015，9(11)：31-35.Zhou Ting, Zeng Liansheng, WangWeigang, et al. Application of Vertical Ground Electrode in ±800 kV Pu’er Converter Station [J]. Southern Power System Technology, 2015, 9(11):31-35(in Chinese).

[12] 陈范娇. ±800 kV特高压直流输电接地极设计[J]. 电力建设，2011, 32(9)：51-53.Chen Fanjiao. Grounding Electrode Design for ± 800 kV UHVDC Transmission Line[J]. Electric Power Construction,2011, 32(9): 51-53(in Chinese).

[13] 曾连生. 高压直流输电陆地接地极设计：接地极形状，尺寸和埋深的确定[J]. 电力建设，1994，15(2)：12-17.Zeng Liansheng. Design of HVDC Transmission Ground Electrode: Determination of Shape, Size and Covered Depth[J].Electric Power Construction, 1994, 15(2): 12-17(in Chinese).

[14] 王羽，李晓萍，罗思敏，等.垂直型直流接地极暂态温升计算与试验[J]. 中国电机工程学报，2013, 33(10)：184-191.Wang Yu, Li Xiaoping, Luo Simin, et al. Test and Computation for Vertical Ground Electrode’s Transient Temperature Rise[J].Proceeding of the CSEE, 2013, 33(10): 184-191(in Chinese).

[15] 黄渤，吴广宁，曹晓斌，等. 高压直流输电接地极溢流特性[J]. 电网技术，2013，37(4)：1174-1179.Huang Bo, Wu Guangning, Cao Xiaobin, et al. Current Overflow Characteristics of Earth Electrodes for HVDC Transmission System[J]. Power System Technology,2013,37(4): 1174-1179(in Chinese).

[16] 张晓，尹晗，何金良，等. 以降低跨步电压为目标的直流多环接地极电流配比的优化[J]. 高电压技术.2012，38(5)：1217-1224.Zhang Xiao, Yin Han, He Jinliang, et al. Decreasing Step Voltage by Optimizing Current Distribution Proportion of Multi-ring DC Ground Electrode [J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(5): 1217-1224(in Chinese).

作者简介：

胡劲松(1968)，教授级高级工程师，主要从事特高压工程关键技术、复杂地理环境下电网工程技术和智能变电站设计等方面研究和设计咨询工作。入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选，评选为四川省第九批学术和技术带头人。E-mail：h ujingsong@ch inasperi.sgcc.com.cn。

郑宇光(1989)，硕士，毕业于荷兰代尔夫特理工大学，主要从事换流站设计工作。

于洋(1978)，博士，高级工程师，主要研究方向为直流输电规划与设计。