作為高壓直流輸電工程的必要組成部分，直流接地極在直流輸電系統(tǒng)中起著極其重要的作用：①單極運(yùn)行時(shí)直接長(zhǎng)時(shí)間地為系統(tǒng)輸送電力，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；②鉗制換流站整流閥中性點(diǎn)電位，以避免兩極對(duì)地電壓不平衡而損害設(shè)備。

我國(guó)的高壓直流接地極普遍采用的布置形式是水平圓環(huán)淺埋式，埋設(shè)在表層土壤電阻率低的平原地區(qū)，占地面積大，以滿(mǎn)足單極大地回線運(yùn)行工況下接地極溫升和跨步電壓的限值要求。此外，接地極還應(yīng)與220kV及以上交流變電站、埋地油氣輸送管道等保持一定距離，以減小對(duì)這些設(shè)施的影響。

而直流受端多落點(diǎn)于用電負(fù)荷需求大的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，這些區(qū)域人口密度大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下金屬設(shè)施眾多，選擇滿(mǎn)足接地極鋪設(shè)條件的開(kāi)闊地帶十分困難，直流偏磁和對(duì)管道影響的問(wèn)題突出。接地極距離換流站一般在30～60km為宜，目前一些廣東珠三角地區(qū)的換流站往往把接地極選址在150km以外，加大了投資成本。

接地極的選址已成為制約直流輸電工程發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。現(xiàn)實(shí)情況迫切需要一種具備充分可行性的緊湊式接地極方案，為后續(xù)接地極選址提供更多的選擇空間。目前南方電網(wǎng)正在試點(diǎn)開(kāi)展緊湊式接地極的應(yīng)用，包括深井型和垂直型兩種非常規(guī)接地極。

豎直布置的直線型電極是一種有效的電極結(jié)構(gòu)，能充分利用表層以下的深層土壤層泄流，減小接地極的占地面積。由于該電極結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)水平接地極，因此也需要適應(yīng)其結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流方式。本文將分別對(duì)深井型和垂直型直流接地極的導(dǎo)流方式進(jìn)行闡述。

1 深井型和垂直型直流接地極

根據(jù)單口接地極井的深度，可以分為深井型和垂直型兩類(lèi)。

1）深井型直流接地極。

其單口極井深度在百米以上，通常為數(shù)百米至1km，該類(lèi)電極是利用基巖層泄流，上部幾十或上百米做絕緣處理，可減小地電位升對(duì)極址周邊數(shù)公里范圍內(nèi)設(shè)施的影響。由于單口電極的深度大，用于泄流的有效電極長(zhǎng)度也足夠長(zhǎng)，通常只需要少量的幾口深井電極就可以滿(mǎn)足工程需要。

國(guó)內(nèi)的該類(lèi)型接地極僅有一例，即位于廣東省的深井型試驗(yàn)接地極，單口接地極井長(zhǎng)度1km，上端150m為絕緣段，下端850m為有效的電極段，共設(shè)三口深井電極，呈等邊三角形布置。

2）垂直型直流接地極。

其單口極井深度通常為幾十米，一般不超過(guò)50m，這種接地極的電極雖然為垂直埋設(shè)的形式，但和傳統(tǒng)水平接地極類(lèi)似，仍然是利用大地的土壤層泄流，因此也可稱(chēng)作垂直淺埋型接地極。該類(lèi)接地極的本體由多口淺埋垂直接地井組成，垂直電極通常成環(huán)形布置，以避免電流從局部位置的電極集中泄流。

目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的兩個(gè)該類(lèi)型接地極工程中，普洱換流站接地極采用了不規(guī)則雙圓環(huán)布置，由61口長(zhǎng)度為30m的垂直電極組成，東方換流站接地極則采用了橢圓單環(huán)布置，由52口長(zhǎng)度為35m的垂直電極組成。

針對(duì)采用全電纜導(dǎo)流方式的情況，兩類(lèi)不同的接地極形式相應(yīng)的導(dǎo)流方式是截然不同的。第一類(lèi)深井型直流接地極，其用于連接電極的電纜數(shù)量少、截面大，電纜可直接獨(dú)立地接至導(dǎo)流中心母線；第二類(lèi)垂直淺埋型直流接地極，由于其電極數(shù)量較多，用于連接電極的電纜數(shù)量多、截面小，不宜直接連接到導(dǎo)流中心的匯流母線上，需經(jīng)過(guò)匯流后，再采用大截面電纜連接至母線。

2 深井型直流接地極的導(dǎo)流方式

深井電極主要由護(hù)壁套管、饋電體、導(dǎo)流電纜、和焦炭填充物組成，其中饋電體由于長(zhǎng)度大、自身重量大，因此必須采用通長(zhǎng)的鋼棒或厚壁鋼管，才能承受下放時(shí)的拉力和安裝完成后的壓力。為保證電流饋入的可靠性，饋電方式可采用在饋電體的不同深度位置分別連接獨(dú)立的導(dǎo)流電纜。

另一方面，鑒于目前的鉆井工藝和能力，比較適合電極深度要求的鉆井機(jī)械為牙輪鉆機(jī)，其成孔的孔直徑一般為◆ 310～380mm，最大為◆ 559mm，井深可達(dá)到1km至數(shù)千米，深度越大，可達(dá)到的孔徑越小。因此深井電極的終孔井徑小，電纜和其他設(shè)施的安裝空間狹小，饋電體上的饋電點(diǎn)數(shù)量有限。根據(jù)終孔井徑的不同，通?？稍O(shè)3～6個(gè)饋電點(diǎn)，均勻地分布在電極段的不同位置。

在深井電極內(nèi)部垂直敷設(shè)的電纜考慮有抗拉需要，宜采用鋼絲鎧裝型電纜，而水平敷設(shè)的電纜宜采用鋼帶鎧裝型電纜。因此一般在深井井口附近，設(shè)一口電纜轉(zhuǎn)接井。轉(zhuǎn)接井內(nèi)，每根垂直敷設(shè)的導(dǎo)流電纜末端，分別通過(guò)電纜轉(zhuǎn)接頭與等截面的水平敷設(shè)導(dǎo)流電纜一字連接。圖1為深井型電極的導(dǎo)流示意圖。

圖1 深井型電極的導(dǎo)流示意圖

若接地極的極址為封閉區(qū)域，則電纜轉(zhuǎn)接井可以設(shè)在地面；若接地極周邊存在其他生產(chǎn)活動(dòng)，為防止遭受破壞或者絕緣處理不當(dāng)導(dǎo)致的漏電，可將電纜轉(zhuǎn)接井埋設(shè)在地下。井內(nèi)的轉(zhuǎn)接頭用環(huán)氧樹(shù)脂包封，以增加絕緣可靠性和壽命。圖2為電纜轉(zhuǎn)接井現(xiàn)場(chǎng)制作的實(shí)際情況。

圖2 電纜轉(zhuǎn)接井實(shí)際效果

深井中導(dǎo)流電纜與饋電體放熱焊接，需要保證焊點(diǎn)的連接可靠性，滿(mǎn)足長(zhǎng)期運(yùn)行條件下對(duì)絕緣和防腐蝕性能的要求。如圖3所示，可選用定制的銅抱箍件來(lái)增加連接點(diǎn)的接觸面積，銅件先經(jīng)過(guò)熱脹冷縮緊固在饋電體上，再通過(guò)銅件側(cè)面開(kāi)孔與饋電體放熱焊接，導(dǎo)流電纜與定制銅件之間采用“線-面放熱焊接”。最后依次使用鉛封和環(huán)氧樹(shù)脂包封保護(hù)焊點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試該接頭的直流電阻小于同等長(zhǎng)度的饋電體自身電阻。

圖3 用于放熱焊接的銅抱箍件

采用電纜獨(dú)立饋電的導(dǎo)流方法時(shí)，電纜截面的選擇應(yīng)保證單口電極井內(nèi)任意一根電纜斷開(kāi)，其他電纜仍能夠起到正常的導(dǎo)流作用。由于電流的注入大小與饋電點(diǎn)的位置有關(guān)，因此應(yīng)分別計(jì)算不同電纜斷開(kāi)的情況下，其他電纜上的電流分布情況。

多口深井電極的導(dǎo)流電纜之間也相互獨(dú)立，故深井接地極的導(dǎo)流系統(tǒng)中，所有水平敷設(shè)的導(dǎo)流電纜終端均并聯(lián)在導(dǎo)流中心母線上。

3 垂直淺埋型直流接地極的導(dǎo)流方式

垂直淺埋型電極井的饋電體，通常由鋼棒或高硅鉻鐵棒構(gòu)成。不管采用哪種材料，由于制作、運(yùn)輸和安裝過(guò)程的限制，單根電極體的長(zhǎng)度最多可達(dá)到10m左右，因此電極是由多根電極體上下一字排列組成的。每根電極體至少需由一根分支導(dǎo)流電纜饋電，單口電極井通常需要數(shù)根分支導(dǎo)流電纜，整個(gè)極環(huán)往往需要幾十上百根分支導(dǎo)流電纜。

與饋電體連接的分支導(dǎo)流電纜截面小、數(shù)量多，不適宜獨(dú)立地長(zhǎng)距離敷設(shè)至導(dǎo)流中心母線。另外，同深井型電極一樣，垂直敷設(shè)的電纜與水平敷設(shè)的電纜一般宜采用不同的型號(hào)。因此實(shí)際工程中通常是將多根垂直敷設(shè)的分支導(dǎo)流電纜匯集至主導(dǎo)流電纜后，再水平敷設(shè)至導(dǎo)流中心母線，如圖4所示。

具體的方法是，將極環(huán)上的若干個(gè)相鄰的電極井劃分為一個(gè)電極組，極環(huán)上的各電極組所包括的井?dāng)?shù)基本均等。每一個(gè)電極組中設(shè)一口電纜轉(zhuǎn)接井，作為該組內(nèi)所有電極井分支導(dǎo)流電纜的匯集點(diǎn)。

相鄰的多個(gè)電極組中的電纜轉(zhuǎn)接井通過(guò)主導(dǎo)流電纜依次串聯(lián)，串聯(lián)電路的兩端連接至導(dǎo)流中心母線，形成一個(gè)閉合回路。垂直接地極環(huán)通常經(jīng)多個(gè)這樣的回路導(dǎo)流，主導(dǎo)流電纜截面的選擇，應(yīng)保證其中一個(gè)回路在檢修或故障退出運(yùn)行的情況下，其他主導(dǎo)流電纜仍然能夠滿(mǎn)足各回路向電極組饋電的需求?；芈吩蕉啵瑢?dǎo)流的可靠性越強(qiáng)，但導(dǎo)流系統(tǒng)的工程量越大，一般來(lái)說(shuō)一個(gè)極環(huán)設(shè)4個(gè)回路為宜。

圖4 垂直電極的饋電模式

垂直型直流接地極的導(dǎo)流方式分別如圖5和圖6所示。

圖5 圓環(huán)垂直型直流接地極的導(dǎo)流方式

圖6 不規(guī)則環(huán)垂直型直流接地極的導(dǎo)流方式

雖然圖5和圖6僅展示了圓形極環(huán)和不規(guī)則極環(huán)的導(dǎo)流方式，但其他形式的極環(huán)布置也適用于上述導(dǎo)流方法。當(dāng)有多個(gè)垂直接地極環(huán)時(shí)，每個(gè)極環(huán)按上述方法獨(dú)立導(dǎo)流，各極環(huán)通過(guò)主導(dǎo)流并聯(lián)在導(dǎo)流中心母線上。

垂直型接地極的電纜轉(zhuǎn)接井也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇設(shè)置在地面或地下。井內(nèi)設(shè)一母線排，用于分支電纜和主電纜的轉(zhuǎn)接；母線及電纜端頭可用環(huán)氧樹(shù)脂包封，以增強(qiáng)導(dǎo)流系統(tǒng)中該節(jié)點(diǎn)的絕緣性，如圖7所示。電纜與饋電體的連接采用放熱焊接，同樣也包裹環(huán)氧樹(shù)脂，保證分支導(dǎo)流電纜的端部絕緣的同時(shí)，可防止電流直接從連接點(diǎn)泄放，從而避免直接受到電腐蝕的破壞。

圖7 垂直接地極的電纜轉(zhuǎn)接方式

4 兩種導(dǎo)流方式的選用原則

深井型接地極和垂直型接地極采用的導(dǎo)流方式不同，主要原因是各自電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及數(shù)量不同。

單口深井只有一根饋電體，因此宜在不同深度位置，設(shè)多個(gè)獨(dú)立的饋電點(diǎn)以提高導(dǎo)流的可靠性。在小容量直流工程中若入地電流很小，采用垂直淺埋式電極且電極數(shù)量不多時(shí)，也可采取導(dǎo)流電纜獨(dú)立饋電的方式來(lái)提高可靠性，但國(guó)內(nèi)極少有這種小容量常規(guī)直流工程。

大容量直流工程采用垂直淺埋型接地極時(shí)電極井?dāng)?shù)量較多，每口電極井內(nèi)有多根饋電體，若其中一根失效對(duì)極環(huán)的整體性能影響很小，因此每根饋電體僅需一根分支導(dǎo)流電纜饋電。

由于垂直電極井的總體數(shù)量較大，連接饋電體的電纜總數(shù)量也很大，這時(shí)宜按電極組為單位，將組內(nèi)的分支電纜匯集后，采用主導(dǎo)流電纜連接至導(dǎo)流中心；主導(dǎo)流電纜形成多個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)流回路，每個(gè)回路負(fù)責(zé)向極環(huán)上的一小部分電極井饋電。其缺點(diǎn)是其中一個(gè)回路上的主導(dǎo)流電纜斷開(kāi)或遭受破壞時(shí)，其他主電纜上的電流分布將受影響，主導(dǎo)流電纜的載流量裕度必須滿(mǎn)足這種故障工況，導(dǎo)致其截面往往比正常工況下的需求大很多。

結(jié)論

本文針對(duì)深井型和垂直型直流接地極的電極特點(diǎn)，分析了各自適用的導(dǎo)流方式及其選用原則。深井型接地極宜采取電纜獨(dú)立饋電的方式來(lái)提高導(dǎo)流可靠性。垂直接地極宜將電極井分組，以電極組為單位，將組內(nèi)的分支電纜匯集后，采用主導(dǎo)流電纜形成多回路的方式導(dǎo)流。