接地电极的制作方法

专利名称：接地电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于传输高压直流电(HVDC)的系统。更准确地，本发 明涉及HVDC系统的接地。特别地，本发明涉及接地电极以及用于使 HVDC系统接地的方法。在该上下文中接地电极是指用于将HVDC传输系统的接地点连接到 大地的设备。接地电极可包括到如土壤或海水的导电介质的一个或多个馈 电线缆。技术背景与交流电(AC)传输系统相比，HVDC传输系统仅需两个导体。这 些导体中的至少一个必须与地隔离。因此，导体中的一个可以被实现为高架线或高压线缆.另一个导体可以实现大地或地面作为导电^^质的用途。 对于双极传输(bipolar transmission),在正常操作情况下使用另 一相同类 型的导体。然而需要接地导体来传送不对称电流。双极HVDC传输系统还 必须能够作为单极HVDC传输系统工作。在该操作过程中，接地导体传输 由HVDC传输系统传输的整个DC电流。HVDC传输系统包括连接到笫一 AC传输网络的第一变换器站，连接 到第二 AC传输网络的第二变换器站，以及连接第一和第二变换器站的至 少两个导体。各变换器站包括连接到接地电极使得与大地电接触的接地 点。因而接地导体包括在各变换器站的接地电极和两个接地电极之间的 地。双极HVDC传输系统传统上包括从第一变换器站到第二变换器站的 由多个塔承载的一对高架导体。该导体从塔臂悬挂在隔离器中。各塔还带 有用于防雷电的屏蔽导体。通常两个相邻的漆t间的距离约为400米.每 一个塔都接地到大地。接地电极包括用于使得与地电接触的多个电极元件。地通常是土壤和 /或海水。因此，接地电极可包括陆地电极或海洋电极。电极作为正极工作， 即将电流传递到导电介质，或者作为负极工作，即接收来自介质的电流。在该上下文中陆地电极是位于土壤中的接地电极。陆地电极将来自HVDC传输系统的DC电流传送到土壤或反向传送。在该上下文中土壤一 般被视为导电但非均匀的介质。除了对电流和电阻的要求之外，还需要陆地电极是电安全的，以具有 高操作可靠性和足够长的服务寿命，此外还不会造成任何有害的环境影 响，如4吏电极附近的土壤枯竭。为了实现足够低的接地电阻，陆地电极通常包括以树状结构布置的大 量电极元件。因此，各电极元件通过馈电导体、副馈电导体和多个进一步 的副馈电导体(further sub-feeder conductor)连接到接地点。目的是电流 从接地点到各电极元件均匀扩展.为了实现该目的，各电极元件必须具有 到接地点的相同长度的连接路径。因此，好像每一个接地元件并联连接到 接地点一样连接每一个接地元件。在已知的接地电极布置中，陆地电极通过一个或多个馈电线缆连接到 变换器站的接地点.各副电极由单独的副电极馈电线缆馈电，副电极包括 回填料(backfill)和^回填料中的有源电^L件。通常回填料包括底焦 (bedofcoke)。该电极元件与副电极馈电线缆电接触，并且包括与回填料 电接触的其表面的有源部分。在副电极包括多于一个该电极元件的情况 下，这些元件通过互连线缆彼此耦合。回:^F占据了电;feX件周围相当大的体积，并^7v土壤中。回i，表 面的有源部分是与土壤电接触的其表面的那部分。从US 6，245,989(1ossel)已知一种用于高压直流传输系统的陆地电极， 陆地电极的目的是改4^tiHit件的分解率(rate of dissolution )，以及提高 电极的寿命和可靠性。因此，根据Iossel的陆地电极包含通过不导电的元 件隔离物而彼此分离的电^Lit件.包括副电极、段(section)和子段(sub-section)的陆地电极可占据 相当大片的陆地。在众所周知的圆形布置中，直径可在500到1000米的范 围内。通常陆地电极与变换器站相距m^，因为DC电流可能会损害位于 附近的变压器的功能。相当大片的陆地也被变换器站以及包括承载变换器 站之间的导体的塔的电力通道(powerlane)占据。发明内容本发明的目的是寻求为HVDC传输系统提供可选的陆地电极的方式。根据本发明，通过特征在于独立权利要求1中的特征的陆地电极或者通过特征在于独立权利要求9中的步骤的方法实现上述目的。在从属权利 要求中具体限定了示例性实施例。根据本发明，陆地电极包括连接到线电极的多个电极段(electrode section).各段包括至少一个或多个并联连接的电极元件和用于连接到线电 极的调谐电阻器(tuning resistor),因此，通过调节各个调谐电阻器，段 之间的电阻差被补偿，使得电流将均匀扩展到各电极元件。优选地，线电 极沿着塔的线布置。在本发明的实施例中，段包括塔和电极元件塔接地。在另一个实施例 中，线电极包括在塔上支撑的隔离的导体。在另一个实施例中，线电极包 括与地隔离的线缆。在另一个实施例中，电极段包括传统方式布置的电极 元件。在本发明的实施例中，陆地电极包括多个相邻塔的^地。在另一个 实施例中，陆地电极包括彼此远离地布置的塔组.在本发明的一个实施例 中，线电极包括至少两个导体，每一个都连接到相等数量的塔接地。根据本发明，可使用任何数量的#地，以及选择沿着线电极的任何 塔位置。线电极可被制作得很长， 一般约100km。这与通常为直径最大 1000m的圆形的传统电^U目比是有利的。线电极可用在HVDC传输Mi^ 的一端或两端。在本发明的第 一方面，该目的通过一种用于HVDC传输系统的陆地电 极实现，该陆地电极包括多个电极段，各电极段包括多个电极元件，其中 陆地电极包括线电极，且各电极段包括用于连接到线电极的调谐电阻器。在本发明的第二方面，该目的通过用于将HVDC传输系统接地的方法 实现，所述方法包括*提供多个包含电M件的电极段， 为每一个电极段提供调谐电阻器，*沿着线电极串联连接电极段，以及 调节调谐电阻器以使各段中的电流相等。


通过以下结合附图的详细说明，对本领域技术人员来说本发明的其它特征和优点将更明显，在附图中图l是根据本发明包括线电极和多个电极段的陆地电极的主要电路，图2是用于承载HVDC传输线的塔的主要设计，图3是在中点连接布置中包括多个电极段和线电极的陆地电极的主要 电路，以及图4是在两个分支连接中包括多个电极段和线电极的陆地电极的主要 电路。
具体实施方式
现在参照图1，根据本发明的陆地电极包括连接到线电极2的多个电 极段l。陆地电极连接到变换器站4的接地点3。变换器站包括HVDC传 输系统(未示出)的一端。变换器站包括第一变换器桥(converter bridge) 5和第二变换器桥6，并被布置成用于双极操作。各电极段包括调谐电阻器 17。电极段还包括电极元件20以连接到大地，该电极元件示意性地以大地 符号示出。在图l所示的实施例中，各电极段l可包括如图2所示的线塔8。该 塔包括垂直体9和用于承栽HVDC传输线11的臂结构10。传输线悬桂在 隔离器中，并在所示实施例中传输线包括以三角形布置的三个导线.在塔 顶上有从隔离器14悬桂的两个线电极13。该塔包括包含均压环(grading ring) 15和塔脚接地16的接地系统。该塔包含连接塔接地系统和线电极 的调谐电阻器17。塔顶包括用于雷电防护的一对屏蔽线(未示出).如图l所示，线电极在各漆t间呈现线电阻18。在图1中还示出了具 有接地电阻19的塔的形式的电极段。还如图1所示，线电极可连接相邻的 塔，以及第一组塔(图左侧的四个)和第二组塔(图右手侧的三个)。在线电极的各塔中都需要调谐电阻器以提供M地之间的均匀的电 流分布。必须通过在塔的地中的传统的保护性均压环来减小接触电压。由 于主要由长时间双极操作中的小的不平衡电流所导致的腐蚀，因而需要塔 接地的接地线的结实的加强层(reinforcement)。 i^地的接地线应具有较 大横截面，例如2xl50mm2的铜线的连续地线(continuous counterpoise) 或放射状地线(radial counterpoise )。在如图3所示馈电线21具有馈电电阻22的中点布置中，线电极还可 连接到变换器站的接地点。另一个连接布置如图4所示，其中线电极作为 两个并联的分支而连接。电极包括具有第一分支电阻24的第一分支23和 具有第二分支电阻26的第二分支25。第一分支连接到每个笫二电极段， 笫二分支连接到其余的电极段。其主要优点在于两个分支之间的电流平衡 可在变换器站中测量，这4更利了接地故障检测。而且，以与具有中点供应 的方案相同的方式改进了电流分布。每个第二调谐电阻器连接到电极线中 的一个.其余调谐电阻器连接到其它电极线.这样电极就包括两个等同的 分支。其主要优点在于两个分支之间的电流平衡可在变换器站中测量，这 便利了接地故障检测。而且，以与具有中点供应的方案相同的方式改进了 电流分布。在额定电极电流为3000A的情况下， 一个线电极可包括HVDC线的 约250个塔。只要两个架空线(pole line)和两个变换器极(converter pole) 都可用，就应使用平衡的双极操作。如果变换器极中的一个应该不可用， 那么就应尽可能快地应用金属操作(metallic operation)并保持到故障已 被修复。只有在不能保持一个线的电压后，才会发生延长的持续时间(约 一天)的单扭JMt。技术优点是*与传统电^W目比，在离电极50-100km的距离处的地面电势大大降 低 在变压器和基础结构中泄露电流的风险减少*不需要单独的电极场所，利用DC线的通行权(rightofway) 具有通常设计的、接地线由铜制成的塔脚接地可用作电极元件需要某种线设计的加强层和辅助装备。HVDC线上具有足够的橫截面 面积的加强导线可用来将电极连接到变换器站。取决于电极方案，需要一 个或两个导体。导线可通过单个玻璃、陶瓷或复合绝缘体单元被绝缘。可引入变换器站中的通过控制动作进行的保护措施和接地故障检测， 以使接地故障情况中发生毁坏和危险的风险最小化。接地故障检测可基于 对具有两个等同电极分支的电极方案中的不平衡电流的测量，和/或电阻测 量。除了接地故障检测，在各塔中的屏蔽线上应用电涌放电器将减少接地 故障次数并增加电极保护的可靠性。电极应该祐:设计成避免在相邻的AC和变换器变压器中的甚至短期的电流，其需要大M面的低电场和低的大地电势增加，为了获得低表面电 压，需要足够长的线电极。必须考虑长时间的正常双极操作中的非常小的不平衡电流导致的腐蚀。因为电极仅非常少地^Mt， JL^具有全电流的短 间隔期间， 一般为一天，在单极操作期间所导致的腐蚀不是个大问题。在 线电极的塔处的接触和阶跃电压应低于允许值。对电极应设有接地故障检 测/保护。根据本发明，DC线用作电极。这可以通过隔离接地线并对其进行加 强以承载全部直流电流来实现。在备荟， 一定的电流通过调谐电阻器注入 地面。这样电极可被做得很长， 一般约100km。这与直径最大1000m的通 常为圆形的传统电^U目比是有利的。线电极可用在HVDC传输銜吝的一端 或两端。从变换器站到线电极远端的塔需要电极线的短绝缘体。线电极的塔具 有连接到电极线的调谐电阻器以获得均匀的电流分布，该电阻器优选地可 位于电极线附近.这样从电阻器向下到塔脚接地的线缆就不需要(或者需 要非常低的)绝缘。塔脚接地用作线电极的副电极.塔脚接地是常见类型 的，包括例如辐射状地线或连续地线。然而，考虑到另外的DC相关的腐 蚀，可增加接地线的总横截面面积，所述腐蚀很小但是如果时间长就不能 忽视。如果需要应包括在塔脚处的均压环。HVDC线的加强的电极线用来将线电极连接到HVDC变换器的中性 母线。该线必须从站到线电极的远端在各塔被绝缘。该线还可包括用于通 信的光纤。通过线电极的屏蔽线的低电阻有助于副电极之间的均匀的电流 分布。变换器站和电极的供应点之间的电阻对电流分布没有影响，然而功 率损耗随电阻而增加。普通的OPGW (Optical Ground Wire,光纤复合地线)的负荷能力 过低，不能承载额定电流(3000A)。例如，ALCATEL的最大横截面的 OPGW的最大连续负荷是763A。作为替代可4吏用两个OPPC (Optical Phase Conductor,光纤复合相线)。例如，946mm2 AAAC (A1/A1合金导 体)，每一个的额定电流为1766A,对于光纤复合相线，946mm2 (Lumpi)，该导体的DC电阻是0.0356 Q/km。所得到的线电极中相邻漆t间的电阻将是0.00712Q (跨度400m)。 然而，没有光缆的其它解决方案也是有可能的。低电阻改善了线电极中的 电流分布.因此替代方案是至少在线的电极部分内利用具有大横截面的两 个屏蔽线以得到低电阻。例如，具有0.0226Q/km的Jorea ACSR1，1274mm2。在每个塔处两个导体之间的交叉连接(cross connection)在该 情况下导致相邻塔之间的0.00453 O的电阻。尽管所呈现的实施例是优选的，但是本发明的范围不应限于该实施 例，而是还包含对本领域技术人员明显的实施例。例如，线电极可同样地 包括地中的绝缘线缆。此外，电极元件可以是常规设计且位于^间。在 本发明的研究中，屏蔽线可用作线电极.
权利要求
1.一种陆地电极，用于包括具有接地点(3)的变换器站(4)的HVDC传输系统，所述陆地电极连接到所述接地点，且包括多个电极段(1)，各电极段包括至少一个电极元件(20)，所述陆地电极的特征在于，所述陆地电极包括线电极(2)，且各电极段(1)包括用于将所述电极段连接到所述线电极的调谐电阻器(17)。
2. 根据权利要求1的陆地电极，其中所述线电极(1)在一端连接到 所述接地点(3 )。
3. 根据权利要求1的陆地电极，其中所述线电极(1)的中点通过馈 电导体(21)连接到所述接地点(3)。
4. 根据权利要求1-3的陆地电极，其中所述线电极包括连接到每个 第二电极段的第一分支(23)和连接到其余电极段的第二分支(25)。
5. 根据前述权利要求中任一项的陆地电极，其中，所述电极段(l) 包括线塔(8)，所述线塔(8)包括所述调谐电阻器(17)和所述电^UL 件(20)。
6. 根据权利要求5的陆地电极，其中所述电极元件包括漆接地(16)。
7. 根据权利要求5或6的陆地电极，其中所述线电极包括通过所述 塔(8)中的隔离器(14)悬桂的导线(13)。
8. 根据权利要求5或7的陆地电极，其中所述线电极包括还用作雷 电防护的屏蔽线。
9. 一种方法，用于将HVDC传输系统接地，该HVDC传输系统包 括多个包含至少一个电极元件(20 )的电极段(1 )，所述方法的特征在于， 在各电极段中提供调谐电阻器(17)，将所述电极段连接到线电极(2)， 以及调节所述调谐电阻器以使得对各段电i5^目等。
10. 根据权利要求9的方法，其中所述线电极在远离接地点的方向上 在各段连接之间设置有逐渐减小的导电面积。
11. 根据权利要求1到8的陆地电极，或者根据权利要求9到10的 方法将HVDC传输系统接地的用途。
全文摘要
一种陆地电极，用于包括具有接地点(3)的变换器站(4)的HVDC传输系统。陆地电极连接到接地点，并包括多个电极段(1)。各电极段包括至少一个电极元件(20)。
文档编号H02J1/00GK101268586SQ200580051592
公开日2008年9月17日 申请日期2005年9月19日 优先权日2005年9月19日
发明者丹·卡尔松, 乌尔班·阿斯特伦, 拉尔斯·韦默斯, 简·伦德奎斯特, 贡纳尔·弗利斯贝里, 贡纳尔·阿斯普隆德 申请人:Abb技术有限公司