可替代直流接地极的换流站接地网设计方法及接地网与流程

本发明涉及直流输电技术领域，具体地说，是一种可替代直流接地极的换流站接地网设计方法，以及这种换流站接地网。

背景技术：

直流接地极是直流输电工程的重要环节，在单极运行时作为回路的一部分直接为系统输送电力，在双极运行时钳制换流站(整流阀)中性点电位，避免两极对地电压不平衡而损害设备。我国特高压直流输电工程迅猛发展，直流接地极的选址越来越困难。在实际工程建设和施工过程中，由于征地选址等外部原因导致接地极不能如期投产，影响直流输电工程双极顺利投产，严重阻碍大容量和远距离电能输送的经济效益和社会效益。目前国内外甚少有学者、研究机构或设备厂家开展可替代直流接地极的其他接地装置的研究，对其进行研究无疑具有前瞻性和实用性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种可替代直流接地极的换流站接地网设计方法以及换流站接地网，可以充分利用已有的换流站接地网来实现特高压直流输电工程中的直流接地极，尽可能地减少接地网的建设投资并可保证电网的安全可靠运行。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可替代直流接地极的换流站接地网设计方法，包括：

a、设置第一馈线电缆从阀厅接地点连接至换流站接地网；

b、计算接地网导体在单极大地回路电流和双极不平衡电流下的腐蚀厚度，依据腐蚀厚度确定接地网导体的截面尺寸；

根据换流站接地网的结构尺寸、导体截面尺寸、勘测的换流站极址土壤电阻率模型，计算获得接地网的接触电位差；

若直流输电大地返回运行电流下接触电位差超过预先设置的接触电位差限值，在接触电位差超过限值的位置加设接地网导体，使接触电位差下降至接触电位差限值内；

c、使用第二馈线电缆将换流站接地网的接地设备与所述换流站接地网建立连接。

进一步地，所述第一馈线电缆有四根，所述第一馈线电缆的一端分别连接至换流站接地网的四个角，另一端连接阀厅接地点。

进一步地，还包括：

计算最大网内电势差，

若在交流短路故障入地电流和直流入地电流下，最大网内电势差的叠加值超过预先设置的设备安全网内电势差限值，则在埋设二次电缆的电缆沟内敷设导电介质。

进一步地，还包括：

根据预先设置的设备安全网内电势差限值，结合温升情况设置单极运行允许时间限值；

计算出在单极大地运行电流下的最大面电流密度jm和接地电阻r，并进一步结合最高允许温升计算出单极允许运行时间tm，

当tm小于设置的单极运行允许时间限值，在换流站接地网外围布设与换流站接地网相连的导体，并在导体附近铺设焦炭，使tm达到所需的单极允许运行时间。

进一步地，在单极大地运行电流下，所述接触电位差限值为50v。

进一步地，所述设备安全网内电势差限值为：二次设备承受网内电势差限值不超过2.8kv。

进一步地，所述接地网单极大地运行允许时间限值为5h。

进一步地，所述在埋设二次电缆的电缆沟内敷设导电介质的方法包括：

在接地网横向中间和纵向中间、四周外侧网格中间增加预设条数的导电介质；

再次计算最大网内电势差，若最大网内电势差叠加值仍然超过预先设置的设备安全网内电势差限值，继续在上一次增加铜带的相邻网格中间增加一组导电介质，直至接触电位差小于预先设置的设备安全网内电势差限值。

进一步地，敷设在所述电缆沟内的导电介质与接地网进行电气连接，所述导电介质的截面尺寸不小于220mm2。

进一步地，敷设在导体周围的焦炭截面尺寸在0.1m*0.1m～1m*1m范围内，其中，焦炭铺设时焦炭的尺寸与导体的电流密度成正比。

本发明还提供了一种换流站接地网，包括：接地网本体、第一馈线电缆、第二馈线电缆、接地设备、导电介质，其中，

所述第一馈线电缆，用于连接阀厅接地点与所述接地网本体；

所述第二馈线电缆，用于连接换流站接地网的接地设备与所述接地网本体；

第一计算模块，用于计算接地网导体在单极大地回路电流和双极不平衡电流下的腐蚀厚度，依据腐蚀厚度确定接地网导体的截面尺寸；

第二计算模块，用于根据换流站接地网的结构尺寸、导体截面尺寸、勘测的换流站极址土壤电阻率模型，计算获得接地网的接触电位差；

接地网导体，敷设在触电位差超过限值的位置并与接地网本体相连。

进一步地，还包括：

第三计算模块，用于计算最大网内电势差；

导电介质，在交流短路故障入地电流和直流入地电流下，最大网内电势差的叠加值超过预先设置的设备安全网内电势差限值时，敷设在埋设二次电缆的电缆沟内。

进一步地，还包括：

第四计算模块，用于计算出在单极大地运行电流下的最大面电流密度jm和接地电阻r，并进一步结合最高允许温升计算出单极允许运行时间tm；

导体，用于当tm小于设置的单极运行允许时间限值时，布设于换流站接地网外围并与换流站接地网相连；

焦炭，敷设在所述导体周围。

本发明通过第一馈线电缆将阀厅的电流通过换流站接地网导入大地，同时通过第二馈线电缆将原换流站接地网中各设备的电流导入大地，并且根据设置的接触电位差限值来增加接地网导体，从而在建立的换流站接地网的同时可以承担传统换流站接地网和直流接地极的功能。该接地网充分利用现有接地网，并省去了直流接地极的额外征地和建设工程，同时确保了换流站内人身和设备的安全，具有明显的经济和社会效益，可用于高压直流输电工程项目。

附图说明

图1是本发明的可替代直流接地极的换流站接地网设计方法的流程图。

图2是本发明中第一馈线电缆与接地网的连接点示意图。

图3是图2所示第一馈线电缆与接地网的连接点的局部放大图。

图4为本发明实施例的接地网及其加密接地网改造示意图。

图5为本发明实施例网内电位差计算网络节点编号图。

图6为本发明实施例在二次电缆沟中埋设铜带的示意图。

图7为本发明实施例的增大换流站接地网面积的示意图。

图8为本发明实施例的给接地网边缘导体敷设焦炭床示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

发明人在发明过程中注意到：

虽然直流接地极入地电流较大，但目前直流输电工程单极大地运行时间越来越短，目前主要为故障及检修情况下出现的运行方式。换流站接地网通常建立在土壤电阻率较低的地方，且具有占地面积大、导体数量多等特点，通流能力强，可以研究通过对换流站接地网的设计方法，使其同时具备流通直流电流的功能，从而替代直流接地极，取消额外的直流接地极建设，将具有显著的经济效益。目前换流站接地网的设计主要用来保证系统故障工况下的人身和设备安全，流通雷击和故障短路电流，为一、二次设备外壳等提供接地。其设计控制指标主要是接地电阻、最大短路电流下的接触电位差和跨步电位差水平。接地网设计时并没有考虑作为直流提供大电流返回通路的情况，因此若直接采用换流站接地网代替接地极双极运行将带来许多问题。

此外，替代直流接地极情况下，在单极运行时，会有强大的直流电流经接地极注入接地网，两极运行时，接地网中会长期流过不平衡电流。直流电流经接地网流散时，不仅引起极址地电位升高，出现直流情况下的跨步电位差、接触电位差、土壤发热等问题，处于接地极电流场范围内的中性点接地变压器将发生直流偏磁，影响电网的安全运行。同时，埋地接地网导体也将因直流入侵而遭受一定程度的腐蚀。

因此，需要科学地设计接地网，保证出现上述问题不致影响系统安全运行，不致威胁人畜安全以及接地网周围电气设施、地下金属管道设施安全运行等，与此同时，尽可能地减少接地网的建设投资。

本发明的一种可替代直流接地极的换流站接地网设计方法如图1所示，同时参见图2和图3所示，本发明是在采用常规方法设计的换流站接地网基础上，根据换流站接地网增加直流接地极功能时引起的人身和设备安全问题，提出接触电位差、网内电势差、单极运行允许时间等参数限值。通过具有电流场计算功能的计算机处理程序及相关公式计算校核换流站接地网的导体腐蚀厚度、接触电位差、网内电势差、由最大允许温升控制的单极运行允许时间等参数，根据相应的参数限值采用增加接地网导体截面尺寸、设置加密导体、联结铜带、在外围增加导体扩大接地网面积、在导体周围铺设焦炭、设置溃线电缆引下线等措施，从而获得可替代直流接地极的换流站接地网。

其采用如下步骤：

(1)设置第一馈线电缆202从阀厅接地点连接至换流站接地网，

优选是设置四根第一馈线电缆202，第一馈线电缆202的一端分别连接至换流站接地网的四个角201，另一端连接阀厅接地点；

现有技术中，从阀厅出来的是架空裸导线，连接至接地极线路，再通过汇流排，再连接至接地极；而本发明通过第一馈线电缆代替现有技术中的架空裸导线、接地极线路、汇流排及接地极，可以利用现有接地网实现阀厅的接地，从而节约建设成本。

(2)基于现有规程、运行经验以及实际情况，根据人身安全要求设置接触电位差限值；

计算接地网导体在单极大地回路电流和双极不平衡电流下的腐蚀厚度，依据腐蚀厚度确定换流站接地网导体的截面尺寸；通常该截面尺寸大于原有接地网导体的截面尺寸，通过增加接地网导体的截面尺寸可以解决直流电流的电解腐蚀问题；

根据换流站接地网的结构尺寸、导体截面尺寸、勘测的换流站极址土壤电阻率模型等参数，采用计算机处理程序建立接地网的模型，运行计算获得接地网的接触电位差；如果在直流输电大地返回运行电流下接触电位差超过预先设置的接触电位差限值，在接触电位差较大的地方加设接地网导体，然后再次计算接触电位差，直至接触电位差下降至预先设置的接触电位差限值内；通过加密接地网导体可以解决站内人员的人身安全问题；

(3)使用第二馈线电缆将换流站接地网的接地设备与所述换流站接地网建立连接。

其中，还可以采用计算机处理程序运行形成的模型，计算最大网内电势差，如果在交流短路故障入地电流和直流入地电流下，最大网内电势差的叠加值超过预先设置的设备安全网内电势差限值，如图6所示，在埋设二次电缆的电缆沟601内敷设至少一根截面尺寸不小于220mm²的导电介质602。

其中，在埋设二次电缆的电缆沟内敷设导电介质602的方法包括：

在接地网横向中间和纵向中间、四周外侧网格中间增加预设条数的导电介质；

再次计算最大网内电势差，若最大网内电势差叠加值仍然超过预先设置的设备安全网内电势差限值，继续在上一次增加铜带的相邻网格中间增加一组导电介质，直至接触电位差小于预先设置的设备安全网内电势差限值。

其中，导电介质优选采用铜带或铜线，铜带或铜线宜每隔一段距离与接地网电气连接；通过在埋设二次电缆的电缆沟内敷设联接铜线或铜带可以解决造成二次设备绝缘击穿的网内电势差问题。

另外，还可以根据预先设置的设备安全网内电势差限值，结合温升情况设置单极运行允许时间限值，采用计算机处理程序运行形成的模型，计算出在单极大地运行电流下的最大面电流密度jm和接地电阻r，并进一步结合最高允许温升计算单极允许运行时间tm，当tm小于设置的单极大地运行时间限值时，根据实际换流站接地网极址条件在换流站接地网外围布设与原换流站接地网相连的导体扩大接地网面积，并在导体附近铺设0.1m*0.1m～1m*1m的焦炭，然后运行计算tm，直至tm达到所需的单极允许运行时间为止；通过增大换流站接地网面积及敷设焦炭床等措施控制接地网温升并延长单极大地运行方式的单极运行允许时间，通过设置馈流电缆引下线可以解决接地引下线的温升问题。

其中，根据人身安全的要求可设置为接触电位差不大于50v，根据设备安全的要求可设置为二次设备承受网内电势差限值不超过2.8kv，为满足直流输电系统故障和检修要求，接地网单极大地运行允许时间限值为5h。

如图2-4所示，同时结合图6和图7所示，本发明的换流站接地网，包括接地网本体、第一馈线电缆202、第二馈线电缆、接地设备、导电介质，其中，：

第一馈线电缆202，用于连接阀厅接地点与接地网本体；

第二馈线电缆，用于连接换流站接地网的接地设备与接地网本体；

第一计算模块，用于计算接地网导体在单极大地回路电流和双极不平衡电流下的腐蚀厚度，依据腐蚀厚度确定接地网导体的截面尺寸；

第二计算模块，用于根据换流站接地网的结构尺寸、导体截面尺寸、勘测的换流站极址土壤电阻率模型，计算获得接地网的接触电位差；

接地网导体，敷设在触电位差超过限值的位置并与接地网本体相连。

另外，本发明的换流站接地网还包括：

第三计算模块，用于计算最大网内电势差；

导电介质，在交流短路故障入地电流和直流入地电流下，最大网内电势差的叠加值超过预先设置的设备安全网内电势差限值时，敷设在埋设二次电缆的电缆沟内。

另外，本发明的换流站接地网还包括：

第四计算模块，用于计算出在单极大地运行电流下的最大面电流密度jm和接地电阻r，并进一步结合最高允许温升计算出单极允许运行时间tm；

导体701，用于当tm小于设置的单极运行允许时间限值时，布设于换流站接地网外围并与换流站接地网相连；

焦炭，敷设在所述导体701周围。

下面以地网尺寸为200m*200m，网孔尺寸为10m*10m的接地网为原换流站接地网实例，图4～图8为本发明在原换流站接地网上的具体应用。

1、接地网腐蚀厚度计算

从直流输电的运行工况来看，接地网的腐蚀可分为不平衡运行电流导致的电解腐蚀和单极大地运行故障电流造成的电解腐蚀。每安培电流流过铁阳极时腐蚀量g为：

一年内直流输电工程的不平衡电流取规程上限值，即1％的额定电流，按目前主要的3000a级定额电流的直流输电工程来计算，可得接地网局部的最大腐蚀量g为

式中y为设计运行年限，k为电流不均匀系数，l1和l2分别为接地网导体扁钢的宽和高，δ为腐蚀厚度。代入接地网导体的相关数据，可得在换流站接地网30～50年设计年限下，接地网导体腐蚀厚度约为3～6mm。

2、接触电位差计算校核

由于接触电位差通常比跨步电位差更严重，因此人身安全的判据以接触电位差校核即可。如图4所示，在原换流站接地网(图4a)的基础上，将接地网导体截面尺寸增加3mm，以抵消电解腐蚀的影响。根据接地网尺寸、形状等参数，通过接地分析软件cdegs的malz模块建立换流站接地网模型，接地网极址的土壤电阻率取100ω·m，计算得到在单极大地运行入地电流下的接地网接触电位差，最大接触电位差为107.5v，接触电位差较大的值主要出现在接地网四周和边角。在接触电位差较高的四边网格中间及中央布置6根32*3.5mm²铜带401加密接地网(如图4b所示)。对加密后的接地网再次进行建模，计算校核接触电位差，最大接触电位差减小为46.3v，在人身安全限值(也即接触电位差限值)要求内。

3、网内电势差计算校核

采用接地分析软件cdegs的malz模块对上述步骤形成的接地网进行建模，计算在交流短路故障入地电流下的网内电势差，而单极大地运行入地电流的网内电势差直接取上限值50v，模型中不再计算。

如图5所示，计算条件为：50ka工频故障电流从40号点流入，-20ka从22号点流入，代表500kv线路分流，-15ka从400号点流入代表220kv线路分流，计算最大网内电势差为3153v。

由于交流和直流下网内电势差的叠加值超过了2.8kv，如图6所示，在埋设二次电缆的电缆沟内敷设一根38mm*6mm的铜带(或等截面的铜绞线)，并每隔20m将铜带与接地网焊接。敷设铜带后，再次计算在交流短路故障入地电流下的网内电势差，为1739v，在设备安全限值要求内。

二次电缆两端的电位差比最大网内电势差更小，最大网内电势差满足设备安全要求时，二次电缆两端的电位差也必然在安全限值范围内。

4、最大单极允许运行时间计算校核

实际工程中，接地极单极大地回路运行时间一般每年不超过5小时，因此将单极大地运行的单极允许运行时间设置为5小时。

采用接地分析软件cdegs的malz模块对上述步骤形成的接地网进行建模，计算获得在单极大地运行入地电流下的最大电流密度jm＝15.9a/m²，接地电阻r＝0.197ω，结合最高允许温升计算允许运行时间tm。得到tm约为0.79h。

其中，允许运行时间tm按式(2)～式(4)计算：

式中，tr为时间常数；τm为最大允许温升，取60℃；τω为接地网的稳态温升；i为接地网注入电流，单位a；r为接地网接地电阻，单位ω；λ为导热系数，单位为w/m·℃；γ为比热系数，单位为j/kg·℃；ρ为土壤电阻率，单位为ω·m；l为导体总长度，单位为m；s为导体截面积，单位为m²；jm为最大电流密度，单位为a/m²。

如图7和图8所示，对接地网进行改造，将200m*200m接地网扩大为240m*240m，并在最外围两圈接地网导体701的周围敷设0.1m*0.1m的焦炭801，对改造之后的tm进行再次计算校核，得到tm为22.8h，满足运行时间限值要求。

5、接地引下线设置

设置第二溃线电缆原换流站接地网中各设备的接地引下线，第二溃线电缆尺寸根据dl/t5224-2014确定。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。