直流换流站地网设计策略工作

摘要：本文参考交流变电站地网设计的方法，考虑特高压直流换流站在地网设计方面的特别之处，结合±800kV云广直流工程穗东换流站的实例，分析了直流侧设备接地短路、换流变压器对入地电流的分流作用以及在某些运行方式下直流侧不平衡电流对换流站地网设计的影响，找到了实用的换流站地网设计方法。
关键词：特高压；换流站；地网设计

引言
换流站的接地网上连接着全站的高低压电气设备的接地线、低压用电系统接地、电缆屏蔽接地、通信、计算机监控系统设备接地，以及换流站维护检修时的一些临时接地体。如果接地网设计不合理，则可能造成接地系统电位分布不均，局部电位超过安全值规定，这会给运行人员和设备的安全带来威胁。相对于常规交流变电站，±800kV特高压直流换流站的接地网不仅需要经受巨大的交流工频短路电流、雷电冲击电流的考验，而且还要承受某些运行方式下的直流短路电流，而在系统双极对称运行状态时，若接地极因故退出运行，则换流站的地网还将承受双极不平衡电流[3]。因此特高压换流站的地网设计需要考虑更多的因素。本文以±800kV穗东换流站为例，探讨了特高压直流换流站接地设计的实用方法。

1 接地系统的参数指标

接地系统的安全指标主要包括接地电阻、地电位升、接触电势和跨步电压，先将概念定义简单介绍如下[4]：
地电位升(Grounding Potential Rise)：以无穷远处为零电位点的接地系统上的电压升高，以GPR为简写。
跨步电压(step voltage)：在双脚没有接触任何其它接地体的情况下，地表上距离为0.8米的两脚间的电位差。
接触电压(touch voltage)：身体接触到接地体时的GPR值与站立处的地表电位之间的差值。
网孔电压(mesh voltage):接地网中的一个网孔中最大的接触电压。
接地电阻：为接地体的地电位升与通过接地体流入地中电流的比值。

2 入地电流计算

入地电流是决定地电位升的一个重要因素，是分析接地系统安全的重要参数。
2.1 各电压等级的短路电流计

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算
对于交流侧而言，一般当零序阻抗大于正序阻抗或负序阻抗时，单线接地故障电流较严重；反之，两相接地故障电流情况较严重。根据系统预测，穗东换流站零序阻抗大于正序阻抗，因而在做交流侧短路电流计算时，不再计算两相接地短路电流。
2.

1.1 直流侧的短路电流

计算平波电抗器之后与直流极母线之间对地短路电流[5]，
(1)
其公式(1)中：
为最大峰值电流
为标称直流电流，根据云广特高压直流规模，此处为

3.125kA

为过负荷电流，取1.1倍
为换流变阻抗百分比，此处取
为换流变短路电压的标么值，值为0.18
为标称理想空载电压，值为220.1kV
为绝对最大空载电压，为22

7.1kV

将各值代入，得。
而在接地网外发生直流接地短路时，对于受端而言，短路电流相对较小，在换流站接地网设计时，可不考虑。
2.

1.2 交流侧单相接地短路电流

随着电力系统容量的不断增大，一般情况下单相短路电流值都比较大。考虑2020年最大运行方式下短路电流计算结果，500kV单相接地短路电流为5

4.31kA；考虑降压变压器的分流作用，流经中性点短路电流为26.3kA。

2.2 接地短路状态下的入地电流计算

2.1计算交流短路时分流系数

2.2.

1.1 换流站内发生接地短路时

换流站内发生接地短路时，流经接地网的入地短路电流，可用下式表示[6]：
(2)
式错误！未找到引用源。中：
为接地短路时的最大接地短路电流（A）
为发生最大接地短路电流时，流经换流站接地中性点的最大接地短路电流（A）
为站内短路时，避雷线的工频分流系数，由于输电线路型号不同，分流系统也不同，分别考虑采用80钢绞线、95钢绞线和100钢绞线，经计算后知当采用80钢绞线时分流系数最小，为0.495.
2.2.

1.2 换流站外发生接地短路时

当接地短路发生在接地网外，计算用的流经接地网的入地短路电流可用下式计算：
(3)
在式错误！未找到引用源。中是换流站外发生短路时，避雷线的工频分流系数，经计算得最小值为0.24，是在采用80钢绞线时。

2.2 影响交流短路分流系数的因素

对于直流换流站而言，影响分流系数的因素有：
1）换流站接地网的接地阻抗。当换流站接地网的接地阻抗很小时，故障电流更多地通过换流站接地网流入大地中。
2）杆塔接地电阻。当杆塔接地电阻较小时，故障电流将更容易地从经架空线通过杆塔接地极流入大地，这使得分流系数变小；反之则越大。
3）换流站进出线回路数。分流系数随换流站进出线回数增加而成比例增大。
4）避雷线参数。分流系数受避雷线的影响很大，避雷线导电性能越好，分流系数就越大，反之则越小。
5）无论系统接地电阻如何变化，分流系数基本保持不变。
6）相对于交流变电站，换流站的换流变还有部分分流作用，当为站内短路时，换流变的分流作用会使入地电流变小，而在站外发生短路时，换流变的作用会使入地电流增大。

2.3 直流短路的分流系数

对于直流短路电流的分流系统，接地网内短路时分流系数取常规值0.5，接地网外接地故障时取0.2。

2.3计算最大入地电流

在接地设计中计算流经接地装置的入地短路电流时，采用在接地装置内或外短路时，经接地装置流入地中的最大短路电流周期分量的起始有效值，并考虑避雷线中分走的接地短路电流。

2.3.1 交流侧短路

考虑15年后最大运行方式，当站内故障时，分流系统和短路电流分别取前面计算所得的值，再代入公式错误！未找到引用源。计算入地电流；当站外故障时，分流系统和短路电流分别取前面计算所得的值，再代入公式错误！未找到引用源。计算入地电流；再取各种情况下的最大入地电流，得其最大值为19.98kA。

2.3.2 直流侧短路

取分流系数0.5来计算入地电流，则可知直流侧最大入地电流为1

2.12kA，在本例中，直流侧的入地电流比交流侧的要小很多。

2.4 双极不平衡电流的影响

在双极运行时，若接地极因故退出运行，则双极不平衡直流电流将通过换流站的地网注入地中，而此电流可看成是一种长期运行电流，因而在初步确定换流站接地网导体材料规格后，应该验证接地体的载流量，保证接地体的长期允许载流量大于最大不平衡电流。接地网设计不考虑双极不对称运行方式。

3.接地系统参数分析

在确定接触电压和跨步电压的上限值时，采用在交流站中采用的规程公式进行确定，而地电位升的上限值，推荐从设备的安全角度来考虑，考虑短路电流非周期分量的影响, 根据避雷器在暂态过电压下不动作的暂态过电压来确定最大的地电位升允许值Ugmax，即根据氧化锌避雷器耐受短路电流持续时间内避雷器工频电压耐受能力确定地电位允许值，对穗东换流站，以10kV氧化锌避雷器暂态过电压的来确定最大的地电位，取HY5WZ-17/45氧化锌避雷器为研究对象，1s工频耐受电压峰值为：kV,允许的地电位为：Ugmax=27.65/2.55=10.8kV，再根据换流站的最大入地短路电流Imax和最大地电位升允许值Ugmax来确定允许的最大接地电阻值 Rmax=Ugmax/Imax＝0.541Ω。
4.小结
本文通过对交直流变电站接地网设计的比较，分析了直流换流站地网设计的计算、分析与校核要点，找到了一种实用的设计方法。
参考文献
．何金良，曾嵘．电力系统接地技术．科学出版社，2007-6-20
．赵畹君．高压直流输电工程技术．中国电力出版社，2004．
[3]．张劲松．广东地区换流站采用共用接地极的设想．广东电力，2005.04
[4]．李景禄，胡毅，刘春生．实用电力接地技术．中国电力出版社，2002
[5]．DL/T5223-2005高压直流换流站设计技术规定．中国电力出版社，2005
[6]．DL/T621-1997交流电气装置的接地．电力行业标准，1997
作者简介：
雷翔胜，男，（1976-）工程师，研究方向为特高压直流换流站的设计。