关键词：中州换流站；状态检修；监测改造
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作为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。一般情况下，较大的直流电流在持续一段时间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。
2014年宾金直流事故也反映出，接地极设备定期巡检的方式，不足以满足高压直流输电系统稳定运行的需要，需针对接地极存在的安全缺陷，进行在线监测系统的改造。
监测改造在国内直流工程陆续开展[1]~[3]，直流项目陆续开展监测装置改造后，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，当监测系统报警，可提供一些有效信息帮助运行人员制定事故措施方案，减少了站内运维人员的工作量，降低了运行维护成本，同时也可以避免人工错漏带来的风险。特别在直流输电运行方式发生变化时，通过在线实时监测，可以避免设备过热烧损事故的发生，以保证直流输电系统的安全稳定运行。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。
2 中州接地极极止现状
中州换流站陈家接地极极址为位于河南省开封市尉氏县以西15km庄头乡的陈家极址，距离受端中州换流站(中牟县大孟镇大孟站址)直线距离30km，线路长度约40.95km，交通便利。
中州站接地极极址电极布置采用同心双圆环水平敷设，外环半径R1=330m，内环半径R2=230m。每根馈电棒长度1.5m，间隔0.5m布置，每8根馈电棒一组，与同方向布置的导流电缆连接。
馈电棒的填充材料采用煅烧石油焦炭，内环焦炭炭床填充截面为0.8m×0.8m、外环焦炭炭床填充截面为0.85m×0.85m，其埋设深度均为3.0m。内环和外环炭床中心均放置φ50高硅铬铁。电极内环均分为两段，外环均分为四段。
极止区的设备包括直流阻断滤波器电抗器1台，直流阻断滤波器电容器1台，管母线若干，导流电缆24根，以及内环4处，外环8处共12处检测井。
3 中州接地极极止改造方案
监测系统改造主要包括接地极现场监测设备和换流站控制室运行人员工作站改造两大部分。
接地极极址监视系统接入直流系统运行人员工作站，由于换流站已投运，软件升级要避免对换流站监控系统的影响。换流站控制室后台和接地极现场监测设备间通过OPGW的光缆通信。监测系统的总体结构示意图如图1.
图1 接地极监视系统总体结构示意图
极址区设备改造方案可以分为监测系统部分，通信系统部分，电源系统部分以及极止区主要设备布置等四个部分。
3.1 监测系统
对接地极极址中心构架、接地极阻断滤波器等设备视频监视，配置2台高清红外网络摄像机，这2台摄像机带红外测温功能。用于电抗器及接地电缆等设备的图像及温度监测。同时在极址区围墙上那个电子围栏及警示牌。
导流构架上的每根入地的馈线电缆处安装电流传感器，每段馈线入地处安装1个电流传感器，共24套。电流传感器采用霍尔传感器，霍尔传感器CT可选开环式，方便施工，不需要将入地电缆开断，只需要在防水方面细致处理。入地电流监视示意如图2。
图2 入地电流监测示意图
接地极检测井共有12个，每一段的两个检测井距离很近，因此，只在其中的一个井内安装水位传感器、温湿度传感器，各安装6套。由于现场环境比较恶劣，检测信号采用光纤进行传输。监测装置需配置数据采集模块、电源转换器、光电转换器等各1套，安装于全密封盒体内，盒体固定安装于检测井及相关电缆沟附近。
在接地极极址内选取4个监测点，安装跨步电压在线监测装置。在外极环端口附近4个监测点，安装跨步电压在线监测装置。由于现场环境比较恶劣，可考虑在检修井内配置跨步电压监测棒、数据采集模块、电源转换器、光电转换器等，通过光纤进行数据传输。
3.2 通信系统
通信系统可以采用4G无线传输或者更换架设OPGW线路。
若采用4G传输方式，由于传输的是图像视频流，占用的带宽比较大，如果长时间的传输视频，费用非常昂贵，为了降低费用，可以在软件控制上可采用红外巡检和报警信息视频传送的联合模式。红外巡检每30分钟传输1分钟关键视频或温度数据；报警信息视频传送，一旦有报警输入，运行人员手动调用视频设备，对接地极进行连续视频监视，报警消失则重新回到红外巡检模式。
若更换OPGW线路，可以考虑更换院同等界面载荷的架空地线。中州±800kV换流站-陈家接地极线路工程，线路全长为40.953km。其中郑州段长32.292km，开封段长8.661km。线路全线交叉跨越35kV电力线4次，110kV线路1次，220kV线路1次，220kV线路1次（钻越），500kV线路3次（钻越）；跨越郑开大道1次，在建城际铁路1次，郑汴物流通道1次，陇海铁路1次，郑民高速1次，G310国道1次。
3.3 电源系统
建议采用外接电源模式，中州换流站接地极极址位于三县交界处，尉氏县境内，离变电站较远，但距35kV庄头变10kV庄板线800米，可采用10千伏线T接电缆线路至站内的直供电源模式。另外再配置一套UPS交流不间断电源，自带蓄电池。UPS主机容量需能满足接地极监视系统的用电要求，可暂按5kVA考虑，其备电蓄电池暂按能供电2小时考虑，后续再根据维护人员在接到失电告警后的到达时间来确定。
3.4 极址区设备布置
极址区设备布置如图3 所示。
图3 极址区设备布置图
4 结论
接地极在单极大地回线运行时作为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。为了解决极址区设备无法实时监测的安全隐患，也为了解决极址区地处偏远、通信不便等为运维带来的不利因素，有必要对高压直流换流站接地极极址区进行监测改造。
本文以中州换流站为例，根据极址区设备状况和外围条件从站内部分，监测部分，通信部分，外引电源部分对接地极监测改造进行模块化设计，提出适用于接地极址的监测改造的设计方案。对之后进行的接地极监测改造工程提供设计参考。
参考文献
[1] 周岩等. ±500kV伊穆直流接地极址在线监测系统设计[J].水电能源科学，2013(9)：197-199.
[2] 王天正等. 直流接地极运行参数在线监测技术研究[J].电力科技，2015(27)：204.
[3] 张万年. ±660kV直流接地极入地电流监测系统设计与实现[J].水利水电工程，2015(2)：75-77.
论文作者:刘超
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/16
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