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图1 30~150 km拟选极址区域分布图
Fig. 1 Potential geographical area for grounding pole system between 30 km and 150 km
确定区域后进一步选址,由于南部区域管线分布依旧较为密集,因此优先考虑极址尽量远于管线10 km以上。进行详细筛选后,锁定了2个备选极址。其中物理条件最好的备选位置(东侧)周围有4条主要管线,最近距离接地极9.7 km,因此向管道部门征求了详细的意见并寻求专业部门进行了防腐措施评估后,确定该位置为最终的极址位置。
1.2 接地极本体设计
1.2.1 常用极环类型
极环本体设计主要包含接地极型式及埋设方式、馈电棒材料、接地极本体及导流系统布置方案等内容。下面主要讨论接地极型式及埋设方式的选择。
接地极一般采用水平浅埋型接地极 [4,7]或垂直型接地极埋设方式[11]。
(1)水平浅埋型接地极。
水平浅埋型接地极是现阶段直流工程接地极本体的主要型式。所选极址场地开阔且高差较小时,一般采用水平布置。在条件宽松的情况下,通常采用单圆环电极设计,此方案情况下圆环上溢流密度均相等,利于地表跨步电压的均匀分布。
在实际工程中,单圆环形电极设计往往受到地形条件的限制,为满足接地极设计的技术条件可适当增加圆环数。增加圆环数能有效降低跨步电位差和接地电阻,但效果随着极环数逐渐降低,过多地增加圆环数量不经济,通常宜为2个圆环,一般不超过3个圆环。在多圆环型接地极设计时,应考虑单个圆环的相对半径,以使得接地极发挥最大效应。研究和实践表明[12-13],双环的内外圆环直径之比(内环直径表示为d,外环直径表示为D)为0.75(0.65~0.85)时,可获得最小的接地电阻和溢流密度分布偏差系数[12-13]。如果内环过小(d/D→0),内环发挥不了作用;反之,如果内环过大(d/D→1),容易受外环的屏蔽影响,内环同样发挥不了作用,类似于变成单环[12-13]。
在场地受到限制而不能采用圆环形电极的情况下,可采用椭圆型、跑道型等不规则敷设方式。应尽可能使电极布置得圆滑,减小圆弧的曲率。
(2)垂直型接地极。
接地极垂直埋设对极址地形地貌要求较宽松。由于垂直型接地极各子电极是相对独立的,因此允许极址地面高差大一些。此外,垂直型接地极可大幅度降低跨步电位差,从而降低对极址场地的面积要求。
对于垂直型接地极的平面布置形状,理论上多根子电极可以在平面上任意布置。为获得优良的技术特性并最大限度降低工程造价,每根子电极承载大致相同的入地电流是选择垂直型接地极平面布置时追求的目标。选择垂直型接地极平面布置形状时,不仅需考察地形地貌,还应充分考虑地下的地质条件,避免将子电极置于不适合的岩石中。
虽然接地极的垂直埋地敷设能有效减小直流工程返回系统对地形环境的限制,但使用这种接地极埋设方式也将带来溢流密度分布不均、接地极体端部发热较严重[14]、端部电腐蚀较严重、设备排气较困难等问题[6]。
鉴于以上接地极的优缺点,在场地允许的情况下,应优先选择单圆型布置,其次是多个同心圆环型布置。在设计中采用垂直型接地极时,应特别关注垂直型接地极的适用环境或条件,扬长避短。
1.2.2 普洱换流站垂直接地极应用
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表1 普洱换流站接地极极址土壤分层电阻率
Table 1 Layered soil resistivity of Pu’er converter station earth electrode
普洱换流站接地极所选推荐极址有效避开了铁路、埋地电缆以及水管等金属管线,远离换流站等具有电气接地线路的基础设施。此工程的主要制约条件是表层土壤电阻率波动范围大,极址地处山区,地形起伏较大,相对平坦区域小。由表1可知,极址地表土壤电阻率较大,且分布不均。为了保证接地极运行的安全性,应对不同地表土壤电阻率情况进行跨步电压计算校验
(1)接地极水平设计方案。
接地极跨步电压受极环大小和埋深的影响,对于水平浅埋型接地极,增加极环的埋深可以起到降低极址跨步电压的作用[15-16]。然而增大极环埋深会大幅增加施工的难度和工程量,因此水平浅埋型接地极的埋深一般不超过5 m。此案例中,在推荐极址范围内,根据极址的地形特点,分别设计单圆环方案、依地形布置的不规则单环方案以及不规则双环方案[6],埋深按5 m设置。根据参考文献[11]中的计算结果绘制方案对比图,见图2。
图2 各接地极方案跨步电压计算结果对比图
Fig. 2 Step-voltage comparison diagram among different schemes
由图2可知, 3种水平型接地极设计方案,在土壤电阻率在0~2000 Ω˙m范围内,在极址面积受严格限制条件下,单圆环方案、不规则单圆环方案、不规则双圆环方案下的跨步电压逐级减小。跨步电压计算值最小的不规则双环型接地极设计方案,在表层土壤电阻率小于800 Ω˙m的情况下,接地极的跨步电压就超过其控制值。而推荐极址表层土壤电阻率受天气影响较大,在100~2000 Ω˙m范围内波动。因此,水平型接地极设计方案不能满足跨步电压的设计要求。
(2)接地极垂直设计方案。
垂直型接地极是由众多的垂直于地面布置的子电极并联组合而成,子电极各自相对独立。由图2所示计算结果可知,不规则双环方案接地极土地利用率较高,跨步电压计算结果相对较小,因此垂直型接地极设计方案参考不规则双环型接地极方案进行垂直极的布置。在极环上每间隔20 m 设置一根30 m 长的垂直接地极,垂直电极顶端距地面5 m[11]。根据参考文献[11],在不规则双圆环布置情况下垂直型跨步电压的计算结果,绘制此方案的跨步电压曲线图,见图3。
图3结果显示,由于推荐极址7 m以下土壤电阻率稳定、阻值较小(见表1),采用垂直型接地极有利于减小接地极跨步电压。根据计算结果与跨步电压控制值之间的对比,此设计方案在不同表层土壤电阻率下均满足设计要求。
因此,普洱换流站采用垂直型接地极方案。采用垂直接地极设计方案,需注意接地极温度不能超过90 ℃,通过控制接地极的焦炭使用量可以满足温升的要求。
图3 双环垂直型接地极跨步电压计算值与控制值对比图
Fig. 3 Step-voltage comparison diagram between the double rings vertical ground electrode calculated result and the controlled value
1.3 现阶段工程情况分析
对于直流工程接地极设计,极址选址是关键。若工程的落点是负荷中心,势必存在地区输油输气管线分布密集的情况。接地极选址应高度重视对其影响的评估,首先收资范围应参考青州换流站的接地极,进行大范围筛查,先锁定所有潜在区域,寻找最优区域后,再进行详细收资,确定备选极址。对于备选极址周围仍然存在较多输油输气管线的情况,务必与当地专业部门进行配合,出具更为专业详尽的评估报告,最后进行仿真评估。
同样,当直流输电工程土地使用权严苛时,采用垂直接地极能显著降低接地极的跨步电压,且允许极址存在一定高差,可以大幅度缩小接地极占地面积和对其周边的影响范围,降低接地极的选址难度。但是,由于垂直型接地极电极溢流密度分布不均,端部发热较严重,因此垂直接地极设计应重点关注电极的发热问题。目前解决问题的思路主要是新材料的研发和减少单极大地持续运行的时间,普洱换流站之所以能够实现垂直接地极的设计,主要是因为将原来额定的30天连续运行时间缩减到了3天[11]。对于跨国工程,输送容量势必很大,额定电流不会小于普洱工程的额定电流,因此对单极大地连续运行时间的规定,将是其中的关键因素之一。
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