摘要：在遠距離能源輸送方案被廣泛實施的環境下，特高壓直流輸電技術具備的遠距離、安全穩定等特點將使其得到更廣泛應用。文章對直流輸電系統的接地極工程設計情況、不同環境下的限制因素進行了綜述，結合目前中國直流工程接地極技術及典型案例，分析了10 GW、6250 A扎魯特—青州直流輸電工程青州換流站選址過程，以及糯扎渡—江門5 GW、3125 A直流輸電工程普洱換流站垂直接地極本體的選型設計過程。展望未來全球能源互聯網特高壓直流輸電技術實踐，對海洋接地極設計方案提出了設想。

關鍵詞 : 全球能源互聯網;特高壓直流輸電;接地極設計

0 引言

隨著清潔能源技術的發展，地區集中產能能力提高，世界能源構架逐漸向低碳綠色環保轉型[1]，跨國跨區域能源聯網開始進入規劃實施的新階段。高壓直流輸電技術可以實現遠距離、穩定、低損耗的電能傳輸，滿足電源中心與負荷中心跨多區域的點對點高效傳輸。隨著特高壓直流輸電技術的成熟運用，該技術可為實現各地區能源的互通互聯提供技術支撐[1]。

直流接地極是特高壓直流輸電系統的重要組成部分，由接地導體、活性填充材料以及導流系統組成，通過接地極引線(架空線路或電纜)與換流站相連接[2]。接地極在直流輸電系統中起到鉗制中性點零電位的作用，在單極大地回路運行方式時為直流運行電流提供通路，從而有效地提高了系統供電可靠性和可用率[2-5]。高壓直流輸電系統在建設投運初期及年度定期檢修或故障排查期間，均可能采取單極大地回路方式運行，此時直流接地極處有高達幾千安培的電流通過。大直流電流持續、長時間地流過接地極，會引發周圍埋地金屬管道及金屬構架電腐蝕、電力系統設備中性點偏磁電流超標等負面效應，嚴重影響周邊工程或電力系統安全可靠運行[2-4]。通過優化接地極設計方案，最大限度地減小單極大地返回運行所產生的負面影響，已經成為直流工程換流站建設中的重要內容。

相關技術標準[6-9]對接地極極址、電極形式及布置形狀、電極尺寸、電極材料等方面做出具體要求，其中接地極極址的選取最為重要。在實際特高壓直流輸電工程建設中，時常因換流站周圍環境條件、地質條件復雜以及地形受限等造成接地極極址無地可選，設計時對周邊環境影響的評估與建成投運的實際情況偏差較大等情況也時有發生。因此，接地極從極址選擇到本體仿真計算等各環節應采用因地制宜的設計方式，合理選擇接地極極址、線路路徑、電極型式，從而保證輸電大地返回運行系統的可靠性，提高運行經濟性。

本文將結合實際工程中的設計原則，通過接地極設計中涉及的幾個典型技術案例的經驗，進行概括總結。針對全球能源互聯網特高壓直流輸電項目可能面臨的特定條件，展望未來直流輸電大地返回接地極設計思路。

1 接地極設計與典型案例

直流輸電接地極設計內容可分為接地極極址選擇和接地極本體設計兩個部分。

極址選擇是換流站接地極設計的關鍵環節，在選址時應根據換流站所在地理位置和附近環境條件，通過技術經濟論證綜合考慮。盡可能減小在使用單極大地回路運行時對極址附近金屬管道、鎧裝電纜的腐蝕，以及跨步電位差對人畜安全的影響;對周邊通信和信號系統的干擾;對土壤結構的破壞等負面效應[10]。

在接地極本體設計時應根據系統條件、極址地形條件及土壤電阻率參數分布情況，通過技術經濟綜合比較確定接地極的布置型式。在極址條件良好且不受約束的情況下，宜選用普通型接地極(水平敷設的單、雙圓環型接地極)。

在實際工程設計時，選址區域可能處于地形、地質結構復雜的山區，或存在極址周圍金屬管線分布復雜等情況。

1.1 接地極選址

1.1.1 常用選址流程

在接地極極址規選階段，一般遵循如下工作流程：估算接地極占地→地形圖選址→收資分析→極址電阻率測量→分析推薦最優極址。主要工作包括：

(1)估算接地極占地。規劃選址前，根據現行技術規程和當前工程的系統條件，估算接地極的尺寸或占地面積，建立最小極址場地尺寸概念。

(2)地形圖選址。一般在距離換流站不小于100 km的范圍內，先通過收集分辨率不低于1:20萬的地形圖或衛片資料，初步判斷可能適合建接地極的區域，綜合考慮區域內的城鎮建設、交通設施等信息，確定預選極址。

(3)收集附近電力系統及地下金屬管線等設施資料。在規劃選址階段，重點收集預選極址附近的220 kV及以上等級的變電站、地下金屬管道路徑走向和規模，以及鐵路(尤其是電氣化鐵路)的路徑走向等資料。預選極址應盡可能遠離這些設施。

(4)土壤電阻率測量。對預選極址進行土壤電阻率的測量。

(5)分析推薦最優極址。根據土壤電阻率的測試結果，進行極環本體設計，評估接地極本體技術經濟指標;并根據收集到的電力系統和管線資料，仿真分析接地極對周邊設施的影響情況，推薦條件最優極址。

1.1.2 青州換流站接地極選址過程

扎魯特—青州±800千伏特高壓直流工程，其受端青州換流站位于山東，容量10000 MW，額定電流6250 A，是目前世界上額定電流最大的直流工程之一。此工程需要設置接地極實現單極大地返回運行方式。

根據工程報告，在設計選址階段，相關設計單位以換流站為圓心，在30～150 km范圍內對所有可能區域進行詳細收資，重點對鐵路及管線分布情況進行了篩查，最后鎖定9塊擬選區域，如圖1所示。對9個區域逐個進行分析，6、7、8、9區域位于黃河以北，為盡量避免接地極線路跨越黃河，降低工程造價，同時考慮遠期的換流站合理落點亦在黃河以北，故本工程的接地極優先考慮黃河以南區域。

圖1 30～150 km擬選極址區域分布圖

Fig. 1 Potential geographical area for grounding pole system between 30 km and 150 km

確定區域后進一步選址，由于南部區域管線分布依舊較為密集，因此優先考慮極址盡量遠于管線10 km以上。進行詳細篩選后，鎖定了2個備選極址。其中物理條件最好的備選位置(東側)周圍有4條主要管線，最近距離接地極9.7 km，因此向管道部門征求了詳細的意見并尋求專業部門進行了防腐措施評估后，確定該位置為最終的極址位置。

1.2 接地極本體設計

1.2.1 常用極環類型

極環本體設計主要包含接地極型式及埋設方式、饋電棒材料、接地極本體及導流系統布置方案等內容。下面主要討論接地極型式及埋設方式的選擇。

接地極一般采用水平淺埋型接地極 [4,7]或垂直型接地極埋設方式[11]。

(1)水平淺埋型接地極。

水平淺埋型接地極是現階段直流工程接地極本體的主要型式。所選極址場地開闊且高差較小時，一般采用水平布置。在條件寬松的情況下，通常采用單圓環電極設計，此方案情況下圓環上溢流密度均相等，利于地表跨步電壓的均勻分布。

在實際工程中，單圓環形電極設計往往受到地形條件的限制，為滿足接地極設計的技術條件可適當增加圓環數。增加圓環數能有效降低跨步電位差和接地電阻，但效果隨著極環數逐漸降低，過多地增加圓環數量不經濟，通常宜為2個圓環，一般不超過3個圓環。在多圓環型接地極設計時，應考慮單個圓環的相對半徑，以使得接地極發揮最大效應。研究和實踐表明[12-13]，雙環的內外圓環直徑之比(內環直徑表示為d，外環直徑表示為D)為0.75(0.65～0.85)時，可獲得最小的接地電阻和溢流密度分布偏差系數[12-13]。如果內環過小(d/D→0)，內環發揮不了作用;反之，如果內環過大(d/D→1)，容易受外環的屏蔽影響，內環同樣發揮不了作用，類似于變成單環[12-13]。

在場地受到限制而不能采用圓環形電極的情況下，可采用橢圓型、跑道型等不規則敷設方式。應盡可能使電極布置得圓滑，減小圓弧的曲率。

(2)垂直型接地極。

接地極垂直埋設對極址地形地貌要求較寬松。由于垂直型接地極各子電極是相對獨立的，因此允許極址地面高差大一些。此外，垂直型接地極可大幅度降低跨步電位差，從而降低對極址場地的面積要求。

對于垂直型接地極的平面布置形狀，理論上多根子電極可以在平面上任意布置。為獲得優良的技術特性并最大限度降低工程造價，每根子電極承載大致相同的入地電流是選擇垂直型接地極平面布置時追求的目標。選擇垂直型接地極平面布置形狀時，不僅需考察地形地貌，還應充分考慮地下的地質條件，避免將子電極置于不適合的巖石中。

雖然接地極的垂直埋地敷設能有效減小直流工程返回系統對地形環境的限制，但使用這種接地極埋設方式也將帶來溢流密度分布不均、接地極體端部發熱較嚴重[14]、端部電腐蝕較嚴重、設備排氣較困難等問題[6]。

鑒于以上接地極的優缺點，在場地允許的情況下，應優先選擇單圓型布置，其次是多個同心圓環型布置。在設計中采用垂直型接地極時，應特別關注垂直型接地極的適用環境或條件，揚長避短。

1.2.2 普洱換流站垂直接地極應用

糯扎渡送電廣東±800 kV 特高壓直流輸電工程，容量5000 MW，額定電流3125 A。起于云南普洱換流站，止于廣東江門換流站，普洱換流站為送端，單極大地額定電流持續運行時間按3天考慮。普洱換流站極址土壤分層電阻率情況如表1[11] 所示。

表1 普洱換流站接地極極址土壤分層電阻率

Table 1 Layered soil resistivity of Pu’er converter station earth electrode

普洱換流站接地極所選推薦極址有效避開了鐵路、埋地電纜以及水管等金屬管線，遠離換流站等具有電氣接地線路的基礎設施。此工程的主要制約條件是表層土壤電阻率波動范圍大，極址地處山區，地形起伏較大，相對平坦區域小。由表1可知，極址地表土壤電阻率較大，且分布不均。為了保證接地極運行的安全性，應對不同地表土壤電阻率情況進行跨步電壓計算校驗

(1)接地極水平設計方案。

接地極跨步電壓受極環大小和埋深的影響，對于水平淺埋型接地極，增加極環的埋深可以起到降低極址跨步電壓的作用[15-16]。然而增大極環埋深會大幅增加施工的難度和工程量，因此水平淺埋型接地極的埋深一般不超過5 m。此案例中，在推薦極址范圍內，根據極址的地形特點，分別設計單圓環方案、依地形布置的不規則單環方案以及不規則雙環方案[6]，埋深按5 m設置。根據參考文獻[11]中的計算結果繪制方案對比圖，見圖2。

圖2 各接地極方案跨步電壓計算結果對比圖

Fig. 2 Step-voltage comparison diagram among different schemes

由圖2可知， 3種水平型接地極設計方案，在土壤電阻率在0～2000 Ω˙m范圍內，在極址面積受嚴格限制條件下，單圓環方案、不規則單圓環方案、不規則雙圓環方案下的跨步電壓逐級減小。跨步電壓計算值最小的不規則雙環型接地極設計方案，在表層土壤電阻率小于800 Ω˙m的情況下，接地極的跨步電壓就超過其控制值。而推薦極址表層土壤電阻率受天氣影響較大，在100～2000 Ω˙m范圍內波動。因此，水平型接地極設計方案不能滿足跨步電壓的設計要求。