摘要：接地极是直流输电工程中的重要设备。本文提出了直流输电接地极目前存在的问题，分析了接地极的功能需求，并根据需求给出了各监测功能的实现方式及配置情况。文章最后提供了两种接地极在线监测系统方案和对比。
关键词：接地极，换流站，在线监测设计方案
1 引言
高压直流接地极作为直流输电工程的一个重要设备，在双极运行时起着保护换流阀安全和钳制换流阀中性点电位的作用，在直流系统单极大地回线运行时则是直流工作电流的返回通道，其运行状况的好坏直接影响到直流系统的安全与稳定。一般在单极运行的情况下，较大的直流电流在持续一段时间内不间断地通过接地极注入大地，容易使极址大地电位升高、土壤发热，情况严重时还会导致地面上产生危害性电压。因此，直流接地极大多建于郊野地区。由于地处偏远、通信不便，无人值守等诸多不利因素的影响，目前直流接地极的日常运行维护主要采用人工定期现场巡查的方式[1]。
由于直流接地极都远离换流站，运行人员无法实时掌握接地极极址内的设备运行情况，近年来出现了多起因为接地极设备的故障导致直流系统停运的事故。例如，2014年±800千伏宾金直流开展单极大地回线运行方式下直流偏磁测试试验时，共乐接地极址内±800千伏宾金线接地极线路隔离开关烧毁，接地极线路进线档导线断线。经现场检查和分析，故障原因是极址内宜宾站侧隔离开关触头接触不良，在大电流作用下发热熔化断裂后引起拉弧的现场造成此次事故。由于故障期间电弧持续，接地极线路仅出现较小电压升高，未达到接地极线路开路保护动作的定值和延时条件，所以保护未动作；另外由于发生故障的设备处于接地极线路阻抗监视范围之外，因此整个过程无报警。
这次事故也反映出，接地极设备人工定期现场巡查的方式，不足以满足高压直流输电系统稳定运行的要求，需要对接地极设备进行实时有效的在线监测，保证运行人员能随时掌握接地极的运行状态。
本文分析了接地极在线监测功能需求，对各监测功能的实现方式及配置情况进行综述，并给出了接地极在线监测设计方案。
2 接地极需求分析
为了保证运行人员能随时、实时的了解接地极极址区设备和环境的运行状况，需在接地极极址区合理的加装在线监测系统，在直流输电运行方式发生变化时，通过实时在线监测极址设备情况，可以避免设备过热烧损事故的发生，也可以检测极环的运行情况，保证直流输电系统的安全稳定运行[2]。
根据调研目前接地极的运行情况，以及运行人员的要求，接地极极址区设备和环境监测的主要范围包含如下几方面：
（1）入地电流监测
为便于检修和更换，接地极的极环一般分成若干段，施工中有大量不同类型的接头需要焊接，入地电流可以间接反映接头连接情况。 目前入地电流多以人工检测为主。 若能实时监测导流电缆入地电流，分析电流的平衡或差异就可以快速判断接地极的连接情况。同时，根据传输至后台的接地极入地电流实时监测曲线，可实现接地极运行安时数计算和存储，从而监测接地极的电腐蚀状况。运行安时数是反映接地极电腐蚀程度、评估使用寿命的关键参数。实时统计并显示运行安时数，可准确掌握接地极使用情况。
（2）开关位置监测
当直流工程采取两个换流站共用接地极的方案时，通常会在接地极增加隔离开关，保证在一条直流退出后，另一条直流还能正常运行，不受接地极状态的制约。目前接地极区的开关基本都是手动操作的，没有监视开关的状态。如果开关没有合到位，或者在运行过程中有异常情况，都不能及时反馈给运行人员，对两条直流的运行均会造成隐患，因此需要对共用接地极的开关位置进行有效的监控。
（3）极址设备安全防护
接地极远离换流站，多数选址在农田中，发生盗窃、外破的风险较大。目前针对接地极设备主要是以人工定期巡视为主，因此可对接地极址设备设置视频监控及安全防护系统，并实时远传接地极极址设备及周边环境的图像信息。同时，可对设备的运行温度进行红外实时观测，及时发现设备过热问题并消缺，避免有效防止类似上述事故发生。
（4）极址环境监测
极址区的环境监测主要是监测接地极极环处监测井的水位、水温以及土壤温湿度。1）监测井水位和水温反映地下水是否充沛，如果水位降低或水温过高，会引起极址土壤电阻率升高、接地极散热不良等问题。目前主要采用人工检测方式，每次检测都需要打开井盖，利用预留的 PVC 管道放置测量探头，工作量大。实现水位和水温实时监控，可及时发现异常、合理安排人工注水，提高极址土壤温湿度控制能力。特别是在沙漠戈壁地区及干旱少雨时节，及时采取人工补水措施对接地极安全至关重要。
2）极址土壤温湿度是维持良好导电和导热性能的关键，只有把土壤的温湿度控制在合理范围内，才能保证接地极的温升不会超过允许值。接地极在没有实时监测设备运行情况时，在需要的情况下运行维护人员必须即时到达接地极极址一次设备现场了解实际情况，检修维护。由于极址距离换流站较远，运行维护人员达到极址时间较长，过程中可能会带来一些麻烦。接地极配置实时在线监测装置后，运行人员可以在换流站内实时掌握设备运行状况和现场情况。
（5）跨步电压实时监测
目前跨步电压的测量主要由电科院利用人工激励源进行现场模拟测试，一般仅在建设初期测量 1 次。通过实时监视跨步电压，特别是大电流入地时的跨步电压变化，可以反映极址土壤电阻率是否异常，及时发出预警，保障接地极周边人畜安全。
高压直流接地极在线监测系统是实现接地极设备状态运行检修管理、提升输变电专业生产运行管理精益化水平的重要手段，其建设和推广工作对提升电网智能化水平、实现输变电设备状态运行管理具有积极而深远的意义。
（6）碳棒温度监测
针对深井接地极，馈电棒深埋于地下，接地极注入电流后，馈电棒温度会逐渐升高，溢流密度大的区域局部温升会更高。为避免馈电棒温度过高影响接地极的电极特性，要求在各种工况下深井接地极的馈电棒温度应不大于在不同深度下水的沸点。配置碳棒温升监测系统对接地极进行在线监测，有助于掌握接地极设备的运行工况和环境工况，便于对其进行有效的操作和维护。
3 接地极在线监测功能研究
根据前述接地极在线监测功能需求，本章将分别分析各监测功能的实现方式及配置情况。
3.1 入地电流监测
接地极电极由导流电缆、馈电棒和焦炭组成。接地极电流通过导流电缆分配至各馈电棒，再由馈电棒流过焦炭进入大地。在正常情况下，流过导流电缆的电流值同它所连接的电极长度大体上成正比，并且基本始终保持不变。正常双极平衡运行方式下，接地极入地电流很小；单极大地运行方式下，入地电流最大，如下图所示。
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a)双极对称运行
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b)单极大地运行方式
图1 接地极入地电流示意图
接地极入地电流监测的重要性体现在如下两个方面：
（1）在相同运行方式下，如果测得的接地极入地电流值同它第一次测得的电流值相差较大，则说明接地极土壤或太过于干燥，需要进行人工注水。
（2）观测接地极的电腐蚀情况。影响接地极使用寿命的主要因素是馈电材料溶解——电腐蚀。大地（土壤、水等）相当于电解液，当直流电流通过大地返回时，在电极上产生氧化还原反应，即产生电腐蚀。电腐蚀量不但与材料有关，而且与电流和作用时间有关。
3.2 开关位置监测
由于接地极极址的选择要求较高，针对土地资源紧缺的区域，为了解决接地极选址困难的问题，有些直流工程采取两个换流站共用接地极的方案。为保证两个直流工程的独立运行，在接地极极址处安装隔离开关，如下图所示。
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a)宝安站、穗东站共用接地极 b)双龙站、复龙站共用接地极
图2 直流工程共用接地极示意图
正常运行情况下，极址两侧隔离开关均在合位，当需要查看接地极线路运行工况和接地极隔离开关状态时，运行人员前往共用接地极极址查看隔离开关运行状态，查看完毕后及时回复调度部门，并由换流站值班人员在远动装置上进行人工置数，将此隔离开关位置状态信息远传至调度部门。
3.3 极址设备的安全防护
安全防护系统，主要包括图像监视、电子围栏、红外对射、红外双鉴、门禁等一系列可对以非正常方式进入周界的行为进行防护和报警的设备。安全防卫系统可由上述设备的一种或几种组成。
根据接地极在线监测调研报告，极址设备的安全防护主要有图像监视、电子围栏，实现对站区范围防盗、防火、防人为事故的监控，并对全站主要电气设备、关键设备安装地点以及周围环境进行全天候的状态监视，以满足电力系统安全生产的要求。
3.4 极址环境监测
环境监测系统的主要功能是实时监测极址区域内重要设备的工作环境（温度、湿度、水位）状态，对工作环境的异常及时告警，方便运维人员尽早采取措施。
3.5 跨步电压监测
当电气设备发生接地故障，接地电流通过接地体向大地流散，在地面上形成分布电位。这时人们在接地短路点周围行走，其两脚之间的电位差就是跨步电压，如下图所示。
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图3 跨步电压示意图
高压直流输电工程单极运行时，强大的工作电流长期流过接地极，可能使极址附近的人员承受跨步电压过大，发生危险。另外，大地电位升高可能对极址附近地下金属管道、铠装电缆和接地电气设施（如电力系统、通讯系统）的安全运行造成不利影响。
极址地面跨步电压是接地极设计的一个重要控制条件，也是接地极在线监测的重要监测点。DL/T 437-2012《高压直流接地极技术导则》采用公式（2-4）来计算接地极的安全跨步电压限制值[3]。
E＝7.42+0.0318ρs（V/m） 式（2-4）
式中：
E：地面最大跨步电压（V/m），ρs：地表土壤电阻率（Ω.m）。
对于常规接地极，在一极最大过负荷电流下，地面任意点跨步电位差不得超过E；当其中一段接地极退出运行时，E不得超过50V；对于共用接地极，在设计时应考虑事故情况下可能出现短时（≤30min）同极性大地返回方式运行工况。
在设计初期，如地面任意点最大跨步电压不满足上述要求，常用的降低直流接地极跨步电压的方法有：增加接地极环尺寸、增加接地极圆环个数、增加接地极圆环的埋设深度等；在接地极运行阶段，如果最大跨步电压不满足式上述要求，应采取加装隔离围栏、设置警告牌等措施。
3.6 接地极差动保护
接地极线路配置有阻抗监视功能，但实际运行中该功能经常出现误报警，可靠性低。鉴于上述原因，新建换流站工程中采用接地极线路差动保护的新策略，即在接地极站端增加两台电流互感器，分别与站内接地极出线电流互感器构成接地极线路纵联差动保护，对于特高压直流系统的安全运行具有重要的理论及实际意义[4]。
接地极线路差动保护实现方法是在换流站接地极侧增加两个测点，该测点与站内的接地线侧IEDL1和IDEL2测点一起完成接地极线路差动保护，如图所示。
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图4 接地极差动保护原理示意图
其具体步骤为：在接地极端接地极线路两组引线至构架处分别加装电流互感器T3和电流互感器T4，将流过电流互感器T3、T4的电流IDEE1、IDEE2分别经接地极线路光缆送入换流站内极保护装置，与换流站内接地极线路出线处电流互感器T1、T2的电流IDEL1、IDEL2进行逻辑比较，当任意一组接地极线路引线两段电流差的绝对值|IDEL1-IDEE1|或|IDEL2-IDEE2|>max{200A，0.05*（|IDEL1+IDEE1|或|IDEL2+IDEE2|）}时，判定为接地极故障，否则判定接地极运行正常。此方法不仅能保护接地极线路全长，而且可以有效地反应接地极线路的故障点并准确动作。增加的主要设备包括：CT一次测量设备，CT二次接口设备，当采用不同的CT时，配置不一样。
下面分别按零磁通CT和光CT配置介绍具体的实现方案。
（1）采用零磁通CT。当采用零磁通CT时，零磁通电子单元需要配置两面屏柜，每个屏柜配置三个电子单元。同时，需要配置两面IO接口单元，每极一面，每面里配置3台IO接口装置，分别用于A、B、C三套保护。
（2）采用光CT。当采用光CT时，现场只需配置2面合并单元柜，每极一面，每面里配置3台合并单元装置，分别用于A、B、C三套保护。当采用光CT时，与站内的IDEL1、IDEL2类型不一致，可以通过延时躲过特性不一致的情况，不会导致保护误动。
4 接地极在线监测系统方案对比研究
接地极在线监测系统可分为前台监测系统和后台管理系统。前台监测系统包括传感器、信号采集、数据传输等，由各种类型传感器采集相关信息，再通过通信系统发送数据至换流站后台管理系统；换流站后台管理系统负责数据接收和处理，完成接地极参数管理、状态诊断和故障自动报警。本章重点描述接地极在线监测系统方案选择。
目前使用的接地极在线监测接入系统主要有以下两种方案：单独配置主机与后台，或接入站内辅助系统。
4.1 方案一
接地极在线监测系统单独配置主机与后台。在线监测系统后台机具有数据采集存储、IEC61850数据接口、单元配置、故障报警、故障诊断等功能。
该方案状态监测系统工作过程为：各类传感器实时采集监测信息，通过现场总线，自动实时地与采集装置通信，上传状态参数，并通过通信系统远传至换流站接地极在线监测系统后台。接地极在线监测系统后台控制和管理各个采集装置，并负责采集、存储监测数据，对接地极设备的运行状况进行诊断和分析，并对相关数据进行融合，建立运行与检修管理数据库，采用IEC61850协议与接地极在线监测系统后台通信，向运行人员提供接地极状态信息和环境信息，并对可能的故障进行预警。
方案一系统图如图3.2所示。
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图5 方案一系统示意图
4.2 方案二
根据功能区分，接地极在线监测系统数据接入站内已有系统，不单独设置接地极监测后台，具体如下：接地极安全防护系统接入站内已有的智能辅控系统；接地极内部分告警信号，如蓄电池电压、跨步电压等数据告警信号接入计算机监控系统；入地电流、极址环境数据接入站内已有的在线监测系统。
该方案状态监测系统工作过程为：各类传感器实时采集监测信息，通过现场总线，自动实时地与采集装置通信，上传状态参数，并通过通信系统远传至换流站不同系统后台。各系统后台分别控制和管理接地极各个采集装置，并负责采集、存储监测数据，对接地极设备的运行状况进行诊断和分析。
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图6 方案二系统示意图
4.2 方案对比
以上两种接地极在线监测系统方案均采用了相似的平台结构和数据采集方式，都具有完善的数据分析和诊断功能。
方案一的优点：接地极在线监测独立组网，不增加站内其它系统网络的负担，接地极监测的运行状况不影响站内自动化系统的运行。接地极在线监测系统实现比较简单，运行方式比较灵活。
方案一的缺点：接地极监测网络和站内在线监测系统网络分别组网，有各自独立的后台，没有实现网络的整合。
方案二的优点：精简了站内设备配置，有利于接地极在线监测诊断与站内其它系统之间的信息实时共享，最大限度的保持了系统功能整合优化。整合优化后的系统，往往能够为运行人员提供更多的参考依据，并具备自动处理接地极在线监测系统相关事件的能力。各系统间能够实现闭环联动控制功能，对接地极在线监测系统事件的处理效率高、决策方案清晰、误操作可能性较低，为接地极的日常运行带来诸多方便。
方案二的缺点：接口种类多。接地极在线监测系统设备供货厂商繁多，技术水平参差不齐，各设备之间的接口也更复杂。
针对已投运换流站，为了减少对换流站内其它系统的影响，建议采取方案一，即换流站内单独配置接地极监测工作站和数据服务器。
针对新建换流站工程中的接地极在线监测系统建设，为精简站内设备配置，建议采用方案二。
5 结论
通过分析接地极的需求，本文具体综述了接地极在线监测系统所需功能，并给出了设计方案。本文不足之处在于无实例分析，受限于缺乏可准确指导系统集成、系统通信协议、通信接口、设备功能、硬件具体要求的行业标准，使得目前各个接地极在线监测系统的功能和软、硬系统风格各异，水平参差不齐，因此本文认为一个可以全面指导接地极在线监测系统各个建设环节的行业标准是必要的发展方向。
参考文献
[1]王彪,王渝红,丁理杰,熊萍,李兴源.高压直流输电接地电极及相关问题综述[J].电力系统及其自动化学报,2012,24(01):66-72.
[2]王玮,倪平浩,唐琪,刘平竹.特高压直流输电接地极在线监测系统设计[J].北京交通大学学报,2016,40(02):85-89.
[3]DL/T 437-2012,高压直流接地极技术导则[S].北京:国家能源局,2012.
[4]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2012.
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFB0900800).
Project Supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFB0900800).
论文作者:王宇琨,张勇,肖异
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
标签：在线论文; 电流论文; 设备论文; 监测系统论文; 站内论文; 实时论文; 系统论文; 《电力设备》2019年第22期论文;