特高壓直流接地極接地體直流故障分析

特高壓直流接地極接地體直流故障分析

0基于極入地電流對(duì)接地體腐蝕影響評(píng)估方法的探討直接插入給地電流對(duì)交流電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。另一方面，它對(duì)能有效連接到電網(wǎng)的中性點(diǎn)電網(wǎng)產(chǎn)生了側(cè)磁效應(yīng)，另一方面，它對(duì)輸入桿塔的接地體產(chǎn)生了腐蝕效應(yīng)。關(guān)于前者國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位和院校進(jìn)行了大量的研究,其成果在公開(kāi)發(fā)表的刊物上均有刊登。關(guān)于后者的研究及成果鮮有報(bào)道。然而,隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展,交、直流輸電工程的建設(shè)均有可能遇到在已有直流接地極址附近建設(shè)輸電線路和在已有輸電線路附近建設(shè)直流接地極的情況,因此,直流接地極入地電流對(duì)輸電線路桿塔接地體的腐蝕影響問(wèn)題如何評(píng)估應(yīng)引起足夠的關(guān)注。本文以±800kV某特高壓直流輸電工程接地極對(duì)鄰近輸電線路桿塔的腐蝕影響為實(shí)例,分析了在接地極分別作陽(yáng)極和陰極運(yùn)行時(shí),流入輸電線路各基桿塔接地體的電流、分布特性及影響因素。特別研究了不同極址土壤模型對(duì)電流的影響。根據(jù)直流系統(tǒng)條件,計(jì)算電流值得到各桿塔接地體的腐蝕量。本文提出的一整套直流接地極入地電流對(duì)附近輸電線路桿塔接地體腐蝕影響的評(píng)估方法,可解決其它直流接地極選址中的類(lèi)似問(wèn)題?？茖W(xué)合理的解決好直流接地極入地電流對(duì)交流電網(wǎng)的影響問(wèn)題,對(duì)于節(jié)約土地資源、減少工程投資具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1輸電線路桿塔內(nèi)直流電流循環(huán)直流電流通過(guò)接地極向大地散流時(shí),接地極和整個(gè)大地都將呈現(xiàn)一定的電位,地面電位是從接地導(dǎo)體上方的地面向遠(yuǎn)方遞減的,在接地極上方達(dá)到最大值,愈靠近接地極,地表等位線越密。當(dāng)直流接地極附近的輸電線路桿塔位于不同等位線上時(shí),直流電流將會(huì)從大地中流入電位較高的桿塔接地體,然后通過(guò)避雷線流向電位較低的桿塔接地體,最后流向遠(yuǎn)方的接地極,流入和流出輸電線路桿塔中直流電流的代數(shù)和為零。電流流入的桿塔為陰極區(qū)域,電流流出的桿塔為陽(yáng)極區(qū)域,位于陽(yáng)極區(qū)域的桿塔接地體會(huì)產(chǎn)生腐蝕。直流接地極相對(duì)輸電線路的位置有兩種,一種是兩變電站及輸電線路位于接地極的一側(cè),另一種是接地極位于兩變電站之間,且靠近輸電線路。本文針對(duì)后者進(jìn)行研究,其結(jié)論同樣適合于前者。接地極位于兩變電站之間,且靠近輸電線路時(shí),經(jīng)接地極流入到輸電線路桿塔及避雷線的電流示意圖如圖1所示。2桿塔直流電流分布計(jì)算模型本文以±800kV某特高壓直流輸電工程接地極及鄰近輸電線路桿塔實(shí)際參數(shù)為例,建立了包括直流接地極址土壤模型、桿塔直流電流分布計(jì)算模型,通過(guò)數(shù)字模擬仿真計(jì)算,得到輸電線路各基桿塔接地體的直流電流分布。2.1極域土模型在此給出±800kV某特高壓直流輸電工程接地極址水平分層土壤模型,如表1所示。2.2輸電線路距接地極距離在仿真計(jì)算軟件下建立了桿塔直流電流分布計(jì)算模型,如圖2所示,其中極址土壤模型如表1所示。直流接地極外環(huán)半徑350m、埋深3.5m,材料為鋼材,半徑為0.04m;內(nèi)環(huán)半徑270m,埋深3m。與接地極最近的一條輸電線路與直流接地極中心的垂直距離為1.21km,另外4條輸電線路距直流接地極中心的垂直距離為1.51、1.7、1.8和2.6km,5條輸電線路距離接地極由近到遠(yuǎn)依次編號(hào)為1、2、3、4和5號(hào)(3號(hào)和4號(hào)線路有同桿段)。在線路電氣模型中,5條輸電線路地線直流電阻(包括普通避雷線和OPGW)、各輸電線路的長(zhǎng)度、桿塔的接地電阻、避雷線的接地方式、各桿塔位置相對(duì)接地極的距離及塔間距離等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)給出。3電流增長(zhǎng)的規(guī)律根據(jù)前文給定的計(jì)算模型,在接地極入地電流為4500A時(shí),計(jì)算出5條輸電線路桿塔接地體的直流電流分布。由于5條輸電線路及桿塔參數(shù)和所處的條件基本相同,僅距離接地極的中心距離不同,流過(guò)電流的分布曲線變化趨勢(shì)類(lèi)似,但電流值大小不同,在此僅給出離直流接地極最近的1號(hào)線路各桿塔接地體的電流分布圖,如圖3所示(接地極作陰極運(yùn)行時(shí))?？拷绷鹘拥貥O的桿塔編號(hào)為0,向左、右方向的桿塔編號(hào)分別依次減小和增加,且電流流出桿塔接地體為正,電流流入桿塔接地體為負(fù)。從圖3給出電流分布圖可以看出,當(dāng)接地極作陰極運(yùn)行時(shí),流出每條線路桿塔接地體的電流主要集中分布在接地極附近的數(shù)基桿塔中,并且最大電流出現(xiàn)在距接地極最近的桿塔上,此時(shí)接地極附近的桿塔中電流是流出的,將產(chǎn)生腐蝕。流入每條線路中的電流主要分布在距離接地極較遠(yuǎn)的桿塔上,此時(shí)離接地極較遠(yuǎn)的桿塔中電流是流入,將不產(chǎn)生腐蝕。并且隨著距離的減小,流入的電流逐步增加。線路桿塔中的電流分布相對(duì)直流接地極具有對(duì)稱(chēng)性。流出的電流出現(xiàn)一個(gè)峰值,流入的電流有兩個(gè)峰值。其它4條輸電線路的計(jì)算結(jié)果表明,流入到輸電線路桿塔接地體的直流電流隨著輸電線路距離接地極的距離增加而逐步減小。在相同條件下,當(dāng)直流接地極作陽(yáng)極運(yùn)行時(shí),輸電線路桿塔接地體上的電流分布與陰極時(shí)大小相等、方向相反。即在陰極運(yùn)行時(shí)電流流出的桿塔,此時(shí)電流是流入的,將不產(chǎn)生腐蝕。在陰極運(yùn)行時(shí)電流流入的桿塔,此時(shí)電流是流出的,將產(chǎn)生腐蝕。上述結(jié)果是接地極位于兩變電站之間,且靠近輸電線路的情況下得到的。同樣,對(duì)于兩變電站及輸電線路位于接地極的一側(cè)的情況,經(jīng)分析可以得知,輸電線路桿塔直流電流分布為圖3中塔號(hào)為正(或者負(fù))的桿塔的電流分布。4工程中各影響直流電流分布的因素上述研究結(jié)果是根據(jù)國(guó)內(nèi)某直流接地極及附近輸電線路給定的參數(shù)進(jìn)行建模計(jì)算得到的,而實(shí)際工程中各種參數(shù)與理論計(jì)算用參數(shù)會(huì)有所不同,在此對(duì)影響直流電流分布的因素進(jìn)行分析,使本研究成果在實(shí)際工程中具有更加廣泛的參考意義。4.1桿塔接地體電流在接地極作陽(yáng)極運(yùn)行,入地電流為4500A時(shí),分別取10Ω和15Ω兩個(gè)典型桿塔接地電阻設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算,得到流過(guò)離接地極最近的1號(hào)輸電線路桿塔接地體的電流如圖4所示(電流正值表示流出桿塔接地體,負(fù)值為流入)。比較不同接地電阻值對(duì)流入桿塔直流電流的影響可以看出,桿塔接地電阻由15Ω減小到10Ω時(shí),接地電阻減小33%,流入輸電線路桿塔接地體的總電流約增加33%。這是因?yàn)闂U塔接地電阻的減小,使流入輸電路線桿塔接地體的電流相應(yīng)增大?？梢?jiàn)桿塔接地電阻對(duì)電流分布的影響較為明顯。計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)輸電線路某基桿塔接地電阻相對(duì)其它桿塔的接地電阻存在明顯差異時(shí),流過(guò)該基桿塔接地體的電流會(huì)明顯的增加或減小。4.2極址土壤電阻率在與上述計(jì)算相同的條件下,僅改變接地極土壤模型參數(shù)來(lái)分析對(duì)電流分布的影響,在此給出3種土壤模型參數(shù),如表2所示。計(jì)算中取桿塔接地電阻值為10Ω。土壤模型對(duì)直流分布的影響的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從計(jì)算結(jié)果可以得出,3種土壤模型下流入該線路桿塔總的直流電流分別為36.9、57.1和17.2A。模型1和模型2的電流值分別是模型3的2.15倍和3.32倍。其中編號(hào)為0的桿塔是離直流接地極最近的桿塔,土壤模型1、2、3情況下流過(guò)該桿塔的直流電流值最大值分別為8.7、15.2、2.9A,模型1和模型2的該桿塔電流值分別是模型3的3倍和5.24倍。在土壤模型2中流過(guò)各基桿塔的直流電流最大,這是因?yàn)槟Ｐ?的中層電阻率相對(duì)比較大,將有更多的直流電流通過(guò)表層流動(dòng),造成接地極附近的地面電位分布(地面場(chǎng)強(qiáng))較大,從而使靠近接地極中心最近的桿塔處于更高的電位面上,這樣就會(huì)有更多的電流竄入桿塔與地線構(gòu)成的回路。因此可以得出,當(dāng)直流輸電工程的接地極址一旦確定時(shí),接地極入地電流在地面產(chǎn)生的電位分布取決于接地極的額定電流和極址土壤電阻率,因此,極址的土壤電阻率對(duì)流入到輸電線路桿塔直流電流的影響起主要作用。然而,當(dāng)接地極址周邊地區(qū)土壤電阻率與極址土壤電阻率存在明顯差異時(shí),應(yīng)考慮周邊地區(qū)土壤電阻率不同對(duì)地面電位分布的影響。因此,在實(shí)際工程中直流接地極入地電流對(duì)輸電線路桿塔接地體的腐蝕影響,重要的不是接地極與輸電線路之間的距離,而是輸電線路最靠近接地極的桿塔與遠(yuǎn)方桿塔所處地面之間可拾得的最大電位差。5接地極腐蝕影響根據(jù)選取的直流接地極的運(yùn)行參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)該直流接地極附近輸電線路桿塔接地體的腐蝕量進(jìn)行計(jì)算。相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)如下:設(shè)該直流接地極設(shè)計(jì)壽命為40a,其中以單極大地回路方式設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間為1.082a,由此得到在40a期間總的運(yùn)行安時(shí)數(shù)為(4500×1.082)A·a;在直流電流作用下,鋼在土壤中的腐蝕率取9.13kg/(A·a)。由于該接地極設(shè)計(jì)為陽(yáng)極,有可能短時(shí)間作陰極運(yùn)行,為了分析直流接地極在不同運(yùn)行工況下入地電流對(duì)附近輸電線路桿塔接地體腐蝕影響,在計(jì)算腐蝕量時(shí),取直流接地極分別以80%陽(yáng)極20%陰極、60%陽(yáng)極40%陰極和50%陽(yáng)極50%陰極3種運(yùn)行工況,分別計(jì)算腐蝕量。在直流接地極分別作陽(yáng)極和陰極運(yùn)行期間,線路各桿塔接地體的腐蝕量計(jì)算公式為(1.082×9.13IP)kg。(1.082×9.13ΙΡ)kg。式中,I為接地極分別作陽(yáng)極或陰極運(yùn)行時(shí)流出該基桿塔的電流值,A;P為接地極分別作陽(yáng)極或陰極運(yùn)行的概率。從上述腐蝕量的計(jì)算公式可以看出,桿塔接地體的腐蝕量與接地極運(yùn)行的安時(shí)數(shù)、流出該基桿塔接地體的電流值以及使該基桿塔接地體電流流出時(shí)接地極的運(yùn)行時(shí)間成正比。為了減少腐蝕量,可減少接地極的運(yùn)行安時(shí)數(shù),限制流出輸電線路桿塔接地體的電流值和時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。6結(jié)果表明，計(jì)算腐蝕量的結(jié)果6.1接地極運(yùn)行條件分析在本文的計(jì)算模型中,5條輸電線路桿塔接地體腐蝕量曲線變化趨勢(shì)類(lèi)似,僅腐蝕量大小有區(qū)別,在此僅給出距離直流接地極最近的1號(hào)線路桿塔的腐蝕量曲線如圖6所示(靠近直流接地極的桿塔為0號(hào),兩邊依次遞減和遞增)。由圖6可以看出在給定的3種接地極運(yùn)行條件下,各桿塔的腐蝕量是不同的,離接地極最近的桿塔接地體在接地極50%陽(yáng)極、50%陰極運(yùn)行條件下的腐蝕量最大,并且沿線各桿塔接地體的腐蝕量對(duì)稱(chēng)于接地極出現(xiàn)一個(gè)峰值、兩個(gè)次峰值和兩個(gè)谷值,峰值出現(xiàn)在離接地極最近的桿塔,兩個(gè)谷值出現(xiàn)在峰值和次峰值之間,對(duì)稱(chēng)于接地極。隨著距離的增加各桿塔接地體的腐蝕量變化的規(guī)律不是逐漸減小的,而是呈迅速減小—迅速增加—緩慢減小的變化。其原因是由于處于兩個(gè)谷值處的桿塔在接地極分別作陽(yáng)極和陰極運(yùn)行時(shí),電流無(wú)論是流入還是流出均很小,產(chǎn)生的腐蝕量很小,所以出現(xiàn)谷值。同時(shí)也可以看出,輸電線路所有桿塔接地體總的腐蝕量是一定的,與接地極的運(yùn)行方式無(wú)關(guān)。上述結(jié)論是在給定的3種運(yùn)行工況下得到的,由分析可知,離接地極最近的桿塔接地體在接地極100%作陰極運(yùn)行條件下的腐蝕量是最大的。6.2輸電線路腐蝕為了說(shuō)明在相同的計(jì)算條件下,輸電線路距接地極的中心距離不同對(duì)輸電線路桿塔接地體腐蝕量的影響,在此給出了離接地極距離分別為1.21、1.51、1.7和2.6km處的編號(hào)分別為1、2、3、4的4條輸電線路腐蝕量的計(jì)算結(jié)果,如圖7所示。從圖7可以看出輸電線路桿塔接地體總的腐蝕量與線路離接地極的距離有關(guān),距離接地極越近的線路腐蝕量越大。由此可以得出,在同一接地極址土壤模型條件下,輸電線路桿塔接地體的總腐蝕量受線路和直流接地極的距離影響較為明顯。7桿塔接地體腐蝕評(píng)估在直流接地極運(yùn)行的年限內(nèi),入地電流對(duì)5條輸電線路桿塔接地體均產(chǎn)生了不同程度的腐蝕。關(guān)于對(duì)接地體腐蝕影響的評(píng)估方法,目前通常采用的方法是用金屬表面流出的電流密度和腐蝕厚度來(lái)評(píng)估,根據(jù)IEC/PAS62334標(biāo)準(zhǔn),金屬表面溢出的電流密度為0.01A/m2是可接受的,對(duì)應(yīng)的鐵材料的腐蝕厚度為0.174mm/a。該值是根據(jù)管道壁厚和在設(shè)計(jì)的年限內(nèi)允許管道腐蝕的厚度來(lái)確定的,因此該標(biāo)準(zhǔn)適合于有一定壁厚要求的地下埋設(shè)的長(zhǎng)管道(線)的腐蝕評(píng)估。對(duì)于輸電線路桿塔接地體的材料通常為一定截面的圓鋼和扁鋼,不存在壁厚的問(wèn)題,接地體的設(shè)計(jì)壽命主要是根據(jù)滿足防雷要求和自然腐蝕來(lái)確定的。然而,由于直流電流的腐蝕存在著不均勻性,在接地體上的腐蝕厚度是不相等的。因此,本文根據(jù)桿塔接地體的特點(diǎn),結(jié)合直流電流的腐蝕量占自然腐蝕量的百分比和直流電流的腐蝕厚度的不均勻度兩個(gè)方面來(lái)綜合評(píng)估桿塔接地體的腐蝕。桿塔接地體的自然腐蝕率根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥离娮杪蕘?lái)確定。在本文中根據(jù)極址附近土壤電阻率分布在100～300Ω·m,取自然腐蝕厚度為0.05～0.1mm/a,在接地極運(yùn)行40a期間,不考慮直流接地極運(yùn)行時(shí)的直流腐蝕,桿塔接地體的自然腐蝕厚度為4～2mm。本文給出的輸電線路桿塔接地體采用Φ12的圓鋼,各基桿塔接地體的鋼材用量在300～740kg之間。下面為了評(píng)估各輸電線路各基桿塔的腐蝕程度,以每條線路腐蝕最嚴(yán)重的桿塔作為評(píng)估對(duì)象。桿塔的接地體的腐蝕量占自然腐蝕量的百分比如表3所示。從表3中可以看出,各輸電線路中腐蝕最嚴(yán)重的桿塔接地體腐蝕量為14.27kg,僅占自然腐蝕量的4.0%～6.0%。由于各輸電線路其他桿塔接地體直流腐蝕量均小于此值,因此,其他桿塔接地體的腐蝕量也均小于此值。由上分析可知,盡管上述5條輸電線路距離接地極較近,接地極入地電流均會(huì)對(duì)桿塔接地體產(chǎn)生不同程度腐蝕影響,但是由于接地極在設(shè)計(jì)的運(yùn)行壽命期間,總的安時(shí)數(shù)僅為(4500×1.082)A·a,由直流電流的腐蝕量占自然腐蝕量的百分比作為桿塔接地體腐蝕的評(píng)判依據(jù),來(lái)評(píng)估接地極入地電流對(duì)附近輸電線路桿塔接地體的腐蝕程度是不嚴(yán)重的。然而,直流電流對(duì)輸電線路桿塔接地體的腐蝕與自然腐蝕相比,有其自身的特點(diǎn),根據(jù)泄漏電流在接地體和基礎(chǔ)上的分布特性計(jì)算結(jié)果,直流電流在接地體上的分布是不均勻的,存在著末端效應(yīng),首末兩端的泄漏電流不均勻度隨射線長(zhǎng)度的不同,其值等于首端的電流除以末端的電流可算得在2.4～3.86之間,腐蝕主要集中在桿塔接地體的末端。以1號(hào)線路為例,直流接地極做陰極運(yùn)行、入地直流電流為4500A時(shí),流出離接地極最近的桿塔接地體的電流最大,約為3A;直流接地極運(yùn)行的總安時(shí)數(shù)為(4500×1.0822)A·a,分別以20%、40%、50%和100%陰極運(yùn)行時(shí),計(jì)算得到該基桿塔為丁型布置,射線沿線的40a腐蝕厚度分布如圖8所示。從圖8可以看出,在接地極不同的運(yùn)行條件下,桿塔射線的腐蝕厚度是不同的,隨著陰極運(yùn)行時(shí)間的增加,桿塔射線的腐蝕厚度隨之增大。由于射線沿線腐蝕厚度與泄漏電流密度成正比,因此可得丁型桿塔射線沿線腐蝕厚度的不均勻度等于首末兩端電流密度的比值乘以9.13,可得為3.32。在相同條件下,直流接地極在50%陰極運(yùn)行時(shí),計(jì)算得到該基桿塔為戊型布置時(shí),射線沿線的40a腐蝕厚度如圖9所示。從圖9給出的曲線可以看出,由于射線沿線腐蝕厚度與泄漏電流密度成正比,因此可得戊型布置3條射線沿線腐蝕厚度的不均勻度在3.86～5.34之間。上述得到的桿塔射線的腐蝕厚度及不均勻度雖然是在泄漏電流為3A的條件下得到的,但同時(shí)也具有一般性,實(shí)際輸電線路桿塔射線的腐蝕厚度可根據(jù)泄漏電流值來(lái)確定。由以上計(jì)算和分析可以看出,由直流電流產(chǎn)生的腐蝕在射線沿線的分布不均勻,由此可能產(chǎn)生桿塔接地體長(zhǎng)度縮短的現(xiàn)象,從而增加桿塔的接地電阻,影響輸電線路的防雷效果。因此,對(duì)接地極附近的數(shù)基桿塔應(yīng)采取必要的防腐措施。8直流電流腐蝕的影響及對(duì)策a)在極址土壤模型一定的條件下,距離接地極越近的輸電線路桿塔接