直流输电系统陆地接地极原理及其施工

D ec . 2003

湖　北　电　力　　　　　　　　　　　　　　　　　　2003

年12月

直流输电系统陆地接地极原理及其施工

种芝艺

(国家电网建设分公司宜昌工程部, 湖北宜昌　443200)

　　[摘　要]　阐述了直流输电系统中接地极的原理、构成和技术要求; 通过三峡—常州±500kV 直流输电工程龙泉换流站接地极的施工, 总结了环形接地极的施工顺序及施工要点。　　[关键词]　直流; 接地极; 施工

　　[中图分类号]TM 721. 1; TM 862　　[文献标识码]A 　　[文章编号]100623986(2003) 增20057202

Pr i n c i ple of Land Earth -pole of HV DC Syste m and its Con on

CHON G Zh i 2yi

(Y ichang EH V D evelopm ent B ranch of S P , ichang ubei [Abstract ]T he p rinci p le , con stituti on and techn ical 2po . In connec 2ti on w ith its con structi on in L ongquan , and sequence of the con struc 2ti on of the earth 2po le w ith as [Key words ]on

1　　直流输电系统中, 需要一正一负两根输电导线

与电源、负荷构成回路。必要时也可利用大地充当一根输电线路, 称为“大地回路”。典型双极直流输电线路运行时, 两极大地回路地中电流相反, 地中几乎没有电流, 此时大地起备用导线的作用。因此利用大地作为廉价和低损耗回流回路是经济有效的。现在直流输电工程, 利用大地构成直流电流回路已得到广泛的应用。

1. 1　直流输电系统利用大地回路所具有的优点

大地回路与同样长度的金属回路相比较, 具有较低的电阻和相应低的功率损耗;

大地回路与同样长度的金属回路相比较, 节省了可观的线路走廊;

大地回路使典型双极直流工程可以分期建设, 分期投产, 即第一期先利用一条线路与大地运行输送功率;

双极直流输电时, 当一极换流器或一根导线停运时, 仍可以利用另一根导线和大地输送一极功率。1. 2　直流输电系统利用大地回路所具有的缺点

接地体附近电位梯度对人畜有影响; 大地电流对地下金属物有电解腐蚀; 大地电流对交流输电线、通讯线的干扰, 海底接地体对磁罗盘读数的影响。

2　接地极形式

　　接地极的形式根据地形分陆地、海水两种, 这里

只讨论陆地接地极。

直流接地极一般有环形、星形、直线形、射线形、栅格形等形状。根据极址地形、地质、水文、交通状况等条件, 从施工方便、技术经济合理两方面来确定。

陆地环形接地极较直线、星形等电极而言, 单位长度流入大地的电流最为均匀, 电极电阻较小, 电极材料可得以充分利用。其缺点是需要一大片土质均匀的空地。

3　接地极技术要求

　　直流接地极根据直流输电系统整体的要求应考虑最大短时工作电流、最大连续电流和持续额定工作电流; 考虑地下水位、大地电阻、土壤热传导系数、土壤热容率等大地参数; 尽可能埋设于地下水位和冻土以下或装设注水设置。由于运行条件的不一致, 同一系统的两个接地极的运行时间不可能完全一致, 其腐蚀的程度及材料的损耗是不同的。

陆地接地极若采用铁棒阳极直接埋入土壤, 当铁棒阳极通过电流1000A 时, 铁年损耗达1. 8～12. 6t 。如果铁棒不直接与土壤接触, 且周围填满含硫量很低的碎焦炭, 那么电极与焦炭的导电大多数通过电子, 而不是通过离子来完成。在这种情形下极棒损耗便降低很多, 约为原来的15%～0. 05‰, 其腐

2003年12月湖　北　电　力　　　　　　　　　　　　　　　D

ec . 2003

蚀情况与焦炭的湿度有关。如果接地体用炭棒或石

墨, 那么几乎可以消除电解造成的材料损耗, 但受投资限制。

陆地接地极应放置在土壤电阻率低的空地上, 离其它金属结构尽量远。尤其接地极不能靠近直流线路本身的换流站。因为靠近换流站有使站内接地网腐蚀和变压器饱和的危险, 一般接地极离换流站8～50km 。对于接地极附近中性点接地的电力变压器, 应限制经中性点流入变压器绕组中的直流干扰电流, 使之小于变压器额定电流有效值的7%。另外, 还有几条关键要求:

设计寿命在规定的运行方式下一般应不少于30年;

接地极埋深应大于1m ; 50%～100%的设计裕度。

℃, , ℃距仪进行复测及定位。对极址中心、主控制桩、极环断面标高等逐一进行复测。

对极环进行密点放样, 点间距3～5m 并复核极环圆周长度。

(2) 电极槽开挖根据地质情况及槽深计算边坡, 从小极环开始进行地面槽口放样, 严格控制炭槽尺寸;

机械粗挖电极槽;

人工修挖电极槽操作平台、边坡, 人工精凿炭槽, 当遇到地下水时, 在槽沟旁挖积水坑进行排水。(3) 铺垫炭床

安装木制外包白铁皮挡板, ; 。; 安装焊接操作架, 以保证焊工操作高度;

按炭槽曲率半径排铺电极棒, 并安装圆钢接头卡具, 以保证焊接后同心度不变;

按《建筑钢结构焊接规程》采取人工电弧焊的方式施焊焊接;

检测:对每个焊接头进行探伤检测。(5) 电极敷设

采用分段吊放的方式将已焊好的电极圆钢置于炭床上, 每段100m 左右;

采用木卡找正定位, 使电极处于炭床中央;

人工铺盖焦炭, 夯实, 边夯边将挡板抽出, 待确认圆钢已固定后, 拆出找正木卡。

(6) 引流电缆连接

人工安装PV C 管和电缆线; 人工安装电缆接头工井;

电缆与电极的连接, 即铜钢焊接。(7) 检测井安装

在相应段敷设电极后, 炭床回填前进行人工埋设检测管;

加工安装盖板和防护罩。(8) 渗水井安装

在相应段敷设电极后, 炭床回填前进行渗水井安装;

按设计要求人工分层铺填砂、卵石等渗水料。(9) 回填土炭床密实度检测, 要求铺设后炭床干密度满足设计要求;

(下转第68页) 人工细填回填土, 细夯后,

4　　龙泉换流站接地极系统构成与葛洲坝换流站一

样是从换流站中性母线引出, 通过架空导线接到极址塔, 并用电缆接入地下接地极环的导流系统。主要由中性母线及其开关、避雷器等设备, 接地极架空线路, 接地体及其辅助设施组成。施工中, 中性母线及其设备在换流站安装范围内, 同变电站设备一样安装。接地极架空线路同交流线路一样施工, 只是导线一回二根而不是交流的一回三根。对于500kV 直流输电而言, 其接地极线路的绝缘水平相当于交流35kV 线路。

龙泉换流站接地极采用单环依地势敷设, 焦炭中采用圆环钢棒, 圆环埋深3m , 半径360m , 分为4段, 每段两端加装半径为3m 的小极环。辅助设施有渗水井、监测井、电缆工井。渗水井是为保持土壤电导率, 补充由于电流通过使地层发热, 引起水分蒸发。监测井是为方便运行时检测电极环湿度、温度。电缆工井的配置是为保护电缆与极环引上棒接头。每段圆弧安装有两口渗水井, 两口电缆井, 三口检测井。

5　接地极施工顺序及方法

　　(1) 复测放样及定位

依据设计资料、平面座标图和经纬仪、红外线测

2003年12月湖　北　电　力　　　　　　　　　　　　　　　D

ec . 2003

电容负载的快速重合功能是通过测量电容在重

合前的母线电压, 并采用这个电压作为合闸时间计算的起始值。在合指令发出到断路器之前, 重新测量母线电压并计算正确的合闸时间。合闸指令时间调整为90°, 因为最优合闸时间是当电压过零时。电压幅值的测量范围的上限为1. 4pu 。在负载重新充电后的400s 期间, 软件计算充电电压。当这一时间过去之后, 残余电压可以忽略并设置为零。

如果发生跳闸或非同步开断, 2m in 内不允许有同步合操作。同样的, 在重新充电后的5m in 内不允许有非同步合闸。

出厂试验报告和实测之间的可以接受的差值必须在几个m s 内。

4) 采用重新充电的断路器(分闸后断开连接) 进行同步合闸和同步分闸, 在断路器合分时测量相位。为获得正确的断路器时间, 站内须提供直流电压。通过示波器测量同步电压和断路器合闸指示来测量断路器的分、合闸时间, 这将估算出主触头合、分的时间。同步电压可以通过SV ER KER 或类似的装置在断路器的一次侧应用。这个电压也暂时地被连接到PS 841板上(和CV T 电压电路的终端部分脱开) 。

5) 采用同步合闸对设备进行充电。测量所有三相的起始电流和电压, , 间(TD 4-) ) , 对于分闸步骤, 然后重新进行第5和第6步。检查电流。在其他试验中, 检查电流起始的时间, 如果必要, 改变调整时间直至合适。

4　操作步骤

　　1) 在EEPROM 中输入所有设置。这些设置在工厂电路图中定义。

2) 用H i B ug 3) 进行分 合空试, -合和T -。

(上接第58页)

机械回填, 人工打夯。

龙泉换流站接地极按上述程序严格施工后, 实测接地电阻为0. 028, 小于设计值0. 18; 跨步电压1. 7V m , 小于设计值5V m ; 接触电压小于3. 3V ;

氧树脂浇封时, 要边浇边捣以避免产生空洞和小气

孔, 后用热缩管热封, PV C 管套封。电缆终端头焊接, 即铝铜焊接要按规定进行耐压和泄漏电流试验, 测试结果不能低于电缆出厂值。

炭床铺设环节一定要注意始终保持炭床定位与馈电棒弯曲率一致, 且炭床截面尺寸不允许负误差。在密度检测合格后才能回填, 并且回填一定先人工细填, 以免机械破坏炭床。施工中可用加大边坡和使用挡土板的方法防止土方滑坡, 注意避免“返工”引起的炭床污染, 注意及时进行覆盖且无雨施工。为保证施工一次成功, 铺设炭床应与馈电棒焊接安装配合进行。接地极施工后, 各种技术参数应满足设计标准。主要是:

接地极的接地电阻及各种运行方式下的温升满足设计要求, 接地极各段元件的电流均匀分配;

接地极系统在最大运行电压下可能引起的跨步电压, 接触电压和转移电压应在一定的水平之下, 以保证接地极极址区域活动的人畜安全;

了解接地极系统对周围地区的水、电、煤气等公用事业系统及通信系统的干扰和影响, 以校核其是否符合设计要求。若接地极10km 范围内有铁路时, 宜检验地中电流对铁路信号有无干扰。

接地极在设计寿命内每10年和设计寿命外每5年需进行一次局部开挖检查, 以确定腐蚀程度。

地表电位小于50V ; 馈电电流分布较均匀; 各项投运指标满足设计要求。

6　接地极施工要点

　　目前, 国内还没有接地极工程施工技术规范和质量验收标准, 只能参照执行相关或类似的标准进行严格控制。其中关键控制要点:(1) 各个环节的焊接, 如极环对接头的焊接, 极环引上棒焊接, 电缆与电极的焊接; (2) 炭床铺设环节。

极环对接头焊接质量必须满足要求。一般接头接触电阻值不大于原材料同等长度的5%。焊接不能存在虚焊、夹渣和裂纹, 对于每个接头必须进行超声波探伤, 具体焊接必须进行工艺试验合格后实施。龙泉换流站接地极极环对接头采用V 形坡口电弧焊接, 效果较好。

电缆与电极的焊接, 即铜钢焊接要把清洁模具、钢棒焊接、除去氧化层、高温泥密封等环节相互衔接到位。

极环引上棒的搭接焊头须进行绝缘包封。用环

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直流输电系统陆地接地极原理及其施工

种芝艺

(国家电网建设分公司宜昌工程部, 湖北宜昌　443200)

　　[摘　要]　阐述了直流输电系统中接地极的原理、构成和技术要求; 通过三峡—常州±500kV 直流输电工程龙泉换流站接地极的施工, 总结了环形接地极的施工顺序及施工要点。　　[关键词]　直流; 接地极; 施工

　　[中图分类号]TM 721. 1; TM 862　　[文献标识码]A 　　[文章编号]100623986(2003) 增20057202

Pr i n c i ple of Land Earth -pole of HV DC Syste m and its Con on

CHON G Zh i 2yi

(Y ichang EH V D evelopm ent B ranch of S P , ichang ubei [Abstract ]T he p rinci p le , con stituti on and techn ical 2po . In connec 2ti on w ith its con structi on in L ongquan , and sequence of the con struc 2ti on of the earth 2po le w ith as [Key words ]on

1　　直流输电系统中, 需要一正一负两根输电导线

与电源、负荷构成回路。必要时也可利用大地充当一根输电线路, 称为“大地回路”。典型双极直流输电线路运行时, 两极大地回路地中电流相反, 地中几乎没有电流, 此时大地起备用导线的作用。因此利用大地作为廉价和低损耗回流回路是经济有效的。现在直流输电工程, 利用大地构成直流电流回路已得到广泛的应用。

1. 1　直流输电系统利用大地回路所具有的优点

大地回路与同样长度的金属回路相比较, 具有较低的电阻和相应低的功率损耗;

大地回路与同样长度的金属回路相比较, 节省了可观的线路走廊;

大地回路使典型双极直流工程可以分期建设, 分期投产, 即第一期先利用一条线路与大地运行输送功率;

双极直流输电时, 当一极换流器或一根导线停运时, 仍可以利用另一根导线和大地输送一极功率。1. 2　直流输电系统利用大地回路所具有的缺点

接地体附近电位梯度对人畜有影响; 大地电流对地下金属物有电解腐蚀; 大地电流对交流输电线、通讯线的干扰, 海底接地体对磁罗盘读数的影响。

2　接地极形式

　　接地极的形式根据地形分陆地、海水两种, 这里

只讨论陆地接地极。

直流接地极一般有环形、星形、直线形、射线形、栅格形等形状。根据极址地形、地质、水文、交通状况等条件, 从施工方便、技术经济合理两方面来确定。

陆地环形接地极较直线、星形等电极而言, 单位长度流入大地的电流最为均匀, 电极电阻较小, 电极材料可得以充分利用。其缺点是需要一大片土质均匀的空地。

3　接地极技术要求

　　直流接地极根据直流输电系统整体的要求应考虑最大短时工作电流、最大连续电流和持续额定工作电流; 考虑地下水位、大地电阻、土壤热传导系数、土壤热容率等大地参数; 尽可能埋设于地下水位和冻土以下或装设注水设置。由于运行条件的不一致, 同一系统的两个接地极的运行时间不可能完全一致, 其腐蚀的程度及材料的损耗是不同的。

陆地接地极若采用铁棒阳极直接埋入土壤, 当铁棒阳极通过电流1000A 时, 铁年损耗达1. 8～12. 6t 。如果铁棒不直接与土壤接触, 且周围填满含硫量很低的碎焦炭, 那么电极与焦炭的导电大多数通过电子, 而不是通过离子来完成。在这种情形下极棒损耗便降低很多, 约为原来的15%～0. 05‰, 其腐

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蚀情况与焦炭的湿度有关。如果接地体用炭棒或石

墨, 那么几乎可以消除电解造成的材料损耗, 但受投资限制。

陆地接地极应放置在土壤电阻率低的空地上, 离其它金属结构尽量远。尤其接地极不能靠近直流线路本身的换流站。因为靠近换流站有使站内接地网腐蚀和变压器饱和的危险, 一般接地极离换流站8～50km 。对于接地极附近中性点接地的电力变压器, 应限制经中性点流入变压器绕组中的直流干扰电流, 使之小于变压器额定电流有效值的7%。另外, 还有几条关键要求:

设计寿命在规定的运行方式下一般应不少于30年;

接地极埋深应大于1m ; 50%～100%的设计裕度。

℃, , ℃距仪进行复测及定位。对极址中心、主控制桩、极环断面标高等逐一进行复测。

对极环进行密点放样, 点间距3～5m 并复核极环圆周长度。

(2) 电极槽开挖根据地质情况及槽深计算边坡, 从小极环开始进行地面槽口放样, 严格控制炭槽尺寸;

机械粗挖电极槽;

人工修挖电极槽操作平台、边坡, 人工精凿炭槽, 当遇到地下水时, 在槽沟旁挖积水坑进行排水。(3) 铺垫炭床

安装木制外包白铁皮挡板, ; 。; 安装焊接操作架, 以保证焊工操作高度;

按炭槽曲率半径排铺电极棒, 并安装圆钢接头卡具, 以保证焊接后同心度不变;

按《建筑钢结构焊接规程》采取人工电弧焊的方式施焊焊接;

检测:对每个焊接头进行探伤检测。(5) 电极敷设

采用分段吊放的方式将已焊好的电极圆钢置于炭床上, 每段100m 左右;

采用木卡找正定位, 使电极处于炭床中央;

人工铺盖焦炭, 夯实, 边夯边将挡板抽出, 待确认圆钢已固定后, 拆出找正木卡。

(6) 引流电缆连接

人工安装PV C 管和电缆线; 人工安装电缆接头工井;

电缆与电极的连接, 即铜钢焊接。(7) 检测井安装

在相应段敷设电极后, 炭床回填前进行人工埋设检测管;

加工安装盖板和防护罩。(8) 渗水井安装

在相应段敷设电极后, 炭床回填前进行渗水井安装;

按设计要求人工分层铺填砂、卵石等渗水料。(9) 回填土炭床密实度检测, 要求铺设后炭床干密度满足设计要求;

(下转第68页) 人工细填回填土, 细夯后,

4　　龙泉换流站接地极系统构成与葛洲坝换流站一

样是从换流站中性母线引出, 通过架空导线接到极址塔, 并用电缆接入地下接地极环的导流系统。主要由中性母线及其开关、避雷器等设备, 接地极架空线路, 接地体及其辅助设施组成。施工中, 中性母线及其设备在换流站安装范围内, 同变电站设备一样安装。接地极架空线路同交流线路一样施工, 只是导线一回二根而不是交流的一回三根。对于500kV 直流输电而言, 其接地极线路的绝缘水平相当于交流35kV 线路。

龙泉换流站接地极采用单环依地势敷设, 焦炭中采用圆环钢棒, 圆环埋深3m , 半径360m , 分为4段, 每段两端加装半径为3m 的小极环。辅助设施有渗水井、监测井、电缆工井。渗水井是为保持土壤电导率, 补充由于电流通过使地层发热, 引起水分蒸发。监测井是为方便运行时检测电极环湿度、温度。电缆工井的配置是为保护电缆与极环引上棒接头。每段圆弧安装有两口渗水井, 两口电缆井, 三口检测井。

5　接地极施工顺序及方法

　　(1) 复测放样及定位

依据设计资料、平面座标图和经纬仪、红外线测

2003年12月湖　北　电　力　　　　　　　　　　　　　　　D

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电容负载的快速重合功能是通过测量电容在重

合前的母线电压, 并采用这个电压作为合闸时间计算的起始值。在合指令发出到断路器之前, 重新测量母线电压并计算正确的合闸时间。合闸指令时间调整为90°, 因为最优合闸时间是当电压过零时。电压幅值的测量范围的上限为1. 4pu 。在负载重新充电后的400s 期间, 软件计算充电电压。当这一时间过去之后, 残余电压可以忽略并设置为零。

如果发生跳闸或非同步开断, 2m in 内不允许有同步合操作。同样的, 在重新充电后的5m in 内不允许有非同步合闸。

出厂试验报告和实测之间的可以接受的差值必须在几个m s 内。

4) 采用重新充电的断路器(分闸后断开连接) 进行同步合闸和同步分闸, 在断路器合分时测量相位。为获得正确的断路器时间, 站内须提供直流电压。通过示波器测量同步电压和断路器合闸指示来测量断路器的分、合闸时间, 这将估算出主触头合、分的时间。同步电压可以通过SV ER KER 或类似的装置在断路器的一次侧应用。这个电压也暂时地被连接到PS 841板上(和CV T 电压电路的终端部分脱开) 。

5) 采用同步合闸对设备进行充电。测量所有三相的起始电流和电压, , 间(TD 4-) ) , 对于分闸步骤, 然后重新进行第5和第6步。检查电流。在其他试验中, 检查电流起始的时间, 如果必要, 改变调整时间直至合适。

4　操作步骤

　　1) 在EEPROM 中输入所有设置。这些设置在工厂电路图中定义。

2) 用H i B ug 3) 进行分 合空试, -合和T -。

(上接第58页)

机械回填, 人工打夯。

龙泉换流站接地极按上述程序严格施工后, 实测接地电阻为0. 028, 小于设计值0. 18; 跨步电压1. 7V m , 小于设计值5V m ; 接触电压小于3. 3V ;

氧树脂浇封时, 要边浇边捣以避免产生空洞和小气

孔, 后用热缩管热封, PV C 管套封。电缆终端头焊接, 即铝铜焊接要按规定进行耐压和泄漏电流试验, 测试结果不能低于电缆出厂值。

炭床铺设环节一定要注意始终保持炭床定位与馈电棒弯曲率一致, 且炭床截面尺寸不允许负误差。在密度检测合格后才能回填, 并且回填一定先人工细填, 以免机械破坏炭床。施工中可用加大边坡和使用挡土板的方法防止土方滑坡, 注意避免“返工”引起的炭床污染, 注意及时进行覆盖且无雨施工。为保证施工一次成功, 铺设炭床应与馈电棒焊接安装配合进行。接地极施工后, 各种技术参数应满足设计标准。主要是:

接地极的接地电阻及各种运行方式下的温升满足设计要求, 接地极各段元件的电流均匀分配;

接地极系统在最大运行电压下可能引起的跨步电压, 接触电压和转移电压应在一定的水平之下, 以保证接地极极址区域活动的人畜安全;

了解接地极系统对周围地区的水、电、煤气等公用事业系统及通信系统的干扰和影响, 以校核其是否符合设计要求。若接地极10km 范围内有铁路时, 宜检验地中电流对铁路信号有无干扰。

接地极在设计寿命内每10年和设计寿命外每5年需进行一次局部开挖检查, 以确定腐蚀程度。

地表电位小于50V ; 馈电电流分布较均匀; 各项投运指标满足设计要求。

6　接地极施工要点

　　目前, 国内还没有接地极工程施工技术规范和质量验收标准, 只能参照执行相关或类似的标准进行严格控制。其中关键控制要点:(1) 各个环节的焊接, 如极环对接头的焊接, 极环引上棒焊接, 电缆与电极的焊接; (2) 炭床铺设环节。

极环对接头焊接质量必须满足要求。一般接头接触电阻值不大于原材料同等长度的5%。焊接不能存在虚焊、夹渣和裂纹, 对于每个接头必须进行超声波探伤, 具体焊接必须进行工艺试验合格后实施。龙泉换流站接地极极环对接头采用V 形坡口电弧焊接, 效果较好。

电缆与电极的焊接, 即铜钢焊接要把清洁模具、钢棒焊接、除去氧化层、高温泥密封等环节相互衔接到位。

极环引上棒的搭接焊头须进行绝缘包封。用环