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摘要：为了研究高压直流接地极的溢流特性，本文分析了直流接地极电流场分布特点；比较了基于电磁场理论、场路偶合模型以及电阻网络模型等3种建模方法特点；阐述了电极埋深、土壤电阻率、极环型式、馈电电缆根数对溢流特性的影响；最后提出进一步研究分析土壤含水量对溢流特性的影响。
关键词：直流接地极；溢流特性；电流场分布；数值计算；含水量
0引言
当高压直流输电采用单级大地方式运行时，强大的直流电流经接地极表面向土壤中流散，在极址土壤中形成一个恒定的电流场。又由于土壤电阻的存在，土壤中会产生压降并形成一定的空间电位分布，电极上方地面形成电位差[1]。直流接地极极溢流特性主要是指强大的直流电流经电极表面向周围土壤散流的特征，通常表现为电极表面产生溢流密度和地电位升高。直流接地极表面溢流密度决定电极周围土壤温升，直接关系到电极运行寿命。地电位升高产生跨步电压，影响人畜安全[1]。因此，直流接地极良好的溢流特性是保证电力系统安全运行以及人畜安全的重要前提。本文在总结前人研究成果的基础上，归纳分析当前直流接地极溢流特性研究现状，并提出进一步研究的方向及技术路线。
1高压直流接地极电流场分布
1.1直线型电极电流场分布
水平直线型接地极适用于狭长的地形，在布置上比较灵活，而且可方便地分段或分支运行。直线型电极上电流溢流密度、电位分布很不均匀，整体呈“U”字型分布，端部最大溢流密度可比中部最小溢流密度大好几倍；电极端部的电位、端部上方的地面电位、跨步电势都比中部的高很多，最大跨步电压发生在电极端部正上方，端部以外，电位迅速下降[1]。
1.2圆环型电极电流场分布
圆环型接地极电流溢流密度和电位分布整体比较均匀，不会出现局部电流严重集中的情况。馈电点处的电流溢流密度最高，2个馈电点间的电极中间位置溢流密度最低[14]；相对于直线型电极，圆环电极的最大溢流密度较小[5]。地表电位的极大值出现在电极正上方，极大值的个数同圆环个数相等]；最大跨步电压出现在电极上方附近。单圆环电极地表电位在电极正上方处达到最大，然后呈环形辐射状沿径向递减[18-22]。双圆环电极外环的溢流密度、电位均高于内环；最大跨步电压出现在外环外侧，与电极的距离约等于电极埋深。三圆环电极，外环上的溢流密度最大，内环次之，中环最小；外环正上方区域地面电位最大[23]。
2建模与仿真计算
2.1电磁场理论
基于电磁场理论计算直流接地极溢流特性方面的方法比较多，主要有：镜像法、行波法、有限元法、边界元法。行波法是基于镜像法推到得到的，其主要思想是将入地电流在土壤中的传播过程类比为波在介质中的传播[12]。二者均依据电磁场的唯一性定理，把实际的土壤介质以及空气当作均匀水平分层的介质；适用于计算地面以下的场域，且土壤电阻率在水平方向上均匀分布的情况[7，24-27]。
有限元法是以电磁场理论为基础，将计算区域离散化，结合场域边界条件，求解拉普拉斯方程；只对局部区域进行数值计算，存在局限性[28]。边界元法借鉴有限元法的离散化方法，只在定义域的边界上划分单元。边界元法可以实现精确计算，但是需要太大的内存[29]。
2.2场路耦合法
场路偶合法考虑电极自阻以及多点并联注流方式，借鉴线电流法，认为电流沿极环轴线方向流散，将电极沿轴线方向分段。假设每段溢流密度都是均匀的，运用节点电压法，对于整个电极，有（1）式中：F为接地极入地电流矩阵；G为支路散流导纳矩阵；Y为节点导纳矩阵；V为节点电压列向量。根据（1）求得节点电压矩阵V，进而求得电极环上的电位、溢流密度分布。场路耦合法考虑了电极自阻的情况，只适用于分析电极上电流场相关参数。
3直流接地极溢流特性的影响因素
3.1电极埋深的影响
电极埋深在设计中是一个比较矛盾的参数。从控制地面最大跨步电压的角度考虑，埋深越大越好；但是随着电极埋深增加，电极周围土壤散热越困难、工程开挖量越大，且对环境的破坏也越严重。随着电极埋深增加，接地电阻、地表电位、跨步电压以及电极附近土壤的电流密度均减小，尤其是地表电位和跨步电压变化比较明显，但存在饱和效应。此外，埋深的变化也会引起内外环电流分配的改变，随着埋深的增加，内环与外环的电流分配比越小，即内环分配的电流更多，外环分配的电流更少。单圆环电极埋深应控制在2~4m内双圆环直流接地极，双圆环电极埋深应控制在3~5m内。
3.2土壤电阻率的影响
3.3圆环电极极环型式的影响
研究圆环电极极环型式对直流接地极电流场的影响分为2种情况：1在有限的场地条件下，即最大极环半径一定时，分析圆环接地极型式对电流场分布的影响；2在相同电极长度情况下，比较三种圆环结构对电流场分布的影响。第1种情况，设定最大环半径为400m，通过仿真模拟得出：随着极环个数的增加，环间屏蔽使溢流能力降低，并且加大了电极的不均匀度；极环个数由单个增加到3个时，接地电阻下降明显，增加到4个时，下降趋缓。第2种情况，设定极环周长为1200m，通过仿真模拟发现：在相同电极长度情况下，单圆环电极的接地电阻、跨步电压最小，双环次之，三环最差；极环个数越少，接地性能越优。
3.4馈电电缆根数的影响
馈电电缆根数会直接影响电极的电流场分布，但存在饱和效应。随着电缆根数的增加，内外环分流比、接地电阻、跨步电压都减小；内环分配的电流增大，电极散流愈均匀，电极的各项性能指标越优。以单圆环电极为例，分别以1~6根馈电电缆给电极注流，馈电点沿圆环等间距布置，分析结果见表1。
表1馈电电缆根数对电流场的影响
由分析结果可知，当电缆由1根增加到4根使，各项计算值都明显减小；当电缆由4根增加到6根，各项计算值也减小，但是变化没有之前明显，显现饱和效应。因此，结合工程成本，通常取4根较合理。
4结论
目前，国内外专家学者对直流接地极溢流特性进行了大量研究，但主要采用仿真模拟和数值计算，目前急需要开展相应的试验研究。在西电东送、北电南送背景下，国家电网公司规划在西藏、新疆等地建设超/特高压直流输电工程，当地严寒、缺水、盐碱性土壤等特殊自然条件对直流接地极的设计和安全稳定运行提出来新的要求。因此，试验研究土壤含水量对直流接地极溢流特性的影响具有重大的意义。选取几种具有代表性的土壤作，在其含水量逐渐增大的情况下，分别给电极通流，用霍尔元件测得电极不同位置的电流，分析土壤含水量对电极溢流特性的影响。
参考文献：
[1]何金良，曾嵘.电力系统接地技术[M].北京：科学出版社，2007.
[2]解广润.电力系统接地技术[M].北京：水利水电出版社，1991.
[3]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.