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直流输电接地极电流对电力变压器的影响
中南电力设计院 曾连生
摘要:本文简要地介绍了HVDC输电系统对接地极的要求、接地极作用和极址选择方法,重点
介绍了接地极地电流对附近电力变压器磁饱和影响机理、流过电流变压器绕组直流电流的计
算方法;提出了不同容量和类型电力变压器允许通过的直流电流的判别、消除或缓解直流接
地极电流对电力变压器磁饱和影响的方法。
1 概述 随着我国国民经济和电力工业不断地发展,高压直流输电技术得到迅速发展,且正在成
为我国电力输电系统中重要组成部分。
高压直流输电系统以大地返回运行是直流输电主要运行方式之一,也是直流输电优点之
一。但随着电力系统的不断发展和输电容量的增大,人们正面临着一个急需要解决的问题,
即防止或减少直流接地极地电流对电力变压器磁饱和影响。
2 直流输电对接地极的要求 2.1接地极的作用
迄今为止,我国已投入运行的HVDC系统,都是双极两端接地方式,如图1所示。接地极
的作用一是钳制中性点电位,二是为直流系统在以大地返回运行时提供电流通路。
(1)单极大地回线方式。在HVDC系统建设初期,为了尽快地发挥经济效益,往往要将先
建起来的一极投入运行;直流送电线路投入双极运行后,当一极故障退出运行时,为了稳定
系统,提高系统供电可靠性和可用率,健全极将继续运行。此时,直流系统可处于单极大地
回线方式运行,流过接地极的电流等于线路上的运行电流。
(2) 双极对称运行方式。对于双极两端中性点接地方式,当双极对称运行时,在理想的
情况下,正负两极的电流相等,地中无电流。然而,在实际运行中,由于换流变压器阻抗和
触发角等偏差,两极的电流不是绝对相等的,有不平衡电流流过接地极。
(3) 同极并联大地回线运行方式。同极并联运行是将两个或更多的同极性电极并联,以
大地为回线运行方式。显然该系统流过接地极的电流等于流过线路上电流的总和。同极并联
运行的优点是节省电能,减少线路损耗。
2.2接地极运行特性
直流输电大地回线方式的优点是显而易见的,但可能带来的负面效应引起足够的注意。
(1)电磁效应。当强大的直流电流经接地极注入大地时,在极址土壤中形成一个恒定的
直流电流场,并伴随着出现大地电位升高、地面跨步电压和接触电势等。这种电磁效应可能
会带来下列影响:①直流电流场会改变接地极附近大地磁场,可能使得依靠大地磁场工作的
设施(如指南针)在极址附近受到影响②大地电位升高,可能会对极址附近地下金属管道、
铠装电缆、具有接地系统的电气设施(尤其是电力系统)等产生负面影响。因为这些设施往
往能给接地极入地电流提供比土壤更好的泄流通道③ 极址附近地面出现跨步电压和接触电
势,可影响到人畜安全。因此为了确保人畜安全,必须将其控制在安全范围之内。
(2)热力效应。由于不同土壤电阻率的接地极呈现出不同的电阻率值,在电流的作用下,
电极温度将升高。当温度升高到一定程度,土壤中的水分将可能被蒸发掉,土壤导电性能将
会变差,电极出现热不稳定,严重时可使土壤烧结成几乎不导电的玻璃状体,电极可能丧失
运行功能。因此,对于陆地(含海岸)电极,希望极址土壤有良好的导电和导热性能,有较大
的热容系数和足够的湿度,这样可以保证接地极在运行中有良好的热稳定性能。
(3)电化效应。众所周知,当直流电流通过电解液时,在电极上便产生氧化还原反应;
电解液中的正离子移向阴极,在阴极和电子结合而进行还原反应;负离子移向阳极,在阳极
给出电子而进行氧化反应。大地中的水和盐类物质相当于电解液,当直流电流通过大地返回
时,在阳极上产生氧化反应,使电极发生电腐蚀。 第 1 页共 5 页 2.3对极址的要求
根据接地极运行时表现的特性,并考虑到接地极运行特性和地中电流分布情况,极址一
般应具备下列条件。
(1)离开换流站要有一定距离,但不宜过远,通常在20~60公里之间。过近则换流站
接地网易拾起较多的地电流,影响电网设备安全运行和腐蚀接地网;过远会增大线路投资和
造成换流站中性点电位过高。此外,离开重要的交流变电所也要有足够的距离,一般应大于
10km。
(2)有宽阔而又导电性能良好(土壤电阻率低)的大地散流区,特别是在极址附近范围内,
土壤电阻率应在100欧米以下。这对于降低接地极造价,减少地面跨步电压和保证接地极安
全稳定运行起着极其重要的作用。
(3)土壤应有足够的水分,即使在大电流长时间运行的情况下,土壤也应保持潮湿。表
层(靠近电极)的土壤应有较好的热特性(热导率和热容率高)。接地极尺寸大小往往受到发热
控制,因此土壤具有好的热特性,对于减少接地电极的尺寸是很有意义的。
(4)附近无复杂和重要的地下金属设施,无或尽可能少的具有接地电气(如电力、通讯)
设备系统。以免造成地下金属设施被腐蚀或增加防腐蚀措施的困难;避免或减小对接地电气
设备系统带来的不良影响和投资。
(5)接地极埋设处的地面应该平坦,这不但能给施工和运行带来方便,而且对接地极运
行性能也带来好处。
(6)接地极引线走线方便,造价低廉。
3 接地极址的选择 接地极极址的选择是设计接地极过程中最重要的环节,一旦极址被确定,地电流对环
境的影响基本确定,与接地极造价及运行性能有着密切关系的土壤物理参数也基本确定。为
了使接地极在持续的大电流情况下,也能稳定地运行,并且不影响或尽可能少影响其它设施,
降低接地极造价,合理地选择极址是十分重要的。接地极址的选择过程是一个复杂的过程,
它包括发现极址,极址论证与优化,大地物理参数测定,是一环扣一环的总流程。按照与换
流站同步要求,极址选择也可分为规划选址和工程选址两个阶段。
3.1规划选址
设计人员先收集资料并根据收集的资料和设计经验,发现极址是本阶段的主要工作目标。
向有关部门收集的资料应包括以下内容。
(1)地形图(1:50000)或航测照片。通过地形图或航测照片可以知道地形和地貌情况,
从而可以很快地发现适合于设立接地极的地点。
(2)地质结构资料。地质结构资料调查是非常重要的,除了可以通过调查的资料(岩石
或土壤的性质及其厚度)宏观地估价出可行性和地中电流的分布外,还可以借助资料或经验
估计出土壤电阻率,热导率和热容率等参数。
(3)地面水文和地下水文资料。地面水文资料主要是用来了解有否洪水对极址冲刷构成
威胁;地下水文资料则是用来确定是否有足够丰富的地下水来保证电极在大电流长时间运行
条件下,极址土壤始终保持潮湿。
(4)地温。地温系指地下(几米)深处的温度,其值决定了电极最大允许温升值。通常在
10~50公里范围里地温差别不大,但在有些地方(有温泉)则不然,地温差别可达十几乃至
几十度。
(5)通讯、电力、地下金属设施。接地极在运行中,对附近的接地电气设备系统和地下
金属设施的安全运行会带来影响。收集这方面资料的作用有两个:其一,使极址尽可能远离
这些设施;其二,根据这些设施的规模和接地方式等,计算对它们影响的程度。 (6)其它资料。在某些情况下,需要进行特殊参数的测量。譬如:在沿海地区,应对土第 3 页共 5 页 壤或水进行含盐量分析;对于固定的阳极,应对土壤进行渗透参数的测量;对极址土壤或水
进行酸碱度分析,提出pH值等。
根据上述资料进行可行性研究,并结合经济综合分析,确定出可行的极址若干处,然
后对可行的极址进行踏勘,并对一些重要的参数,如土壤电阻率、土质、地下水位等,进行
初步测试和勘探,择优决定“初选极址”若干处。