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作为直流输电的一个重要组成部分，直流接地极在系统运行期间起着极其重要的作用。在单极大地回线运行时，大电流持续通过接地极流入大地，使得极址附近地电位抬升，跨步电压和接触电压升高[1-2]。
随着城市不断发展，土地资源紧张，接地极选址变得越来越困难，在这种背景下，多个直流工程采用了共用接地极的方案，通过共用接地极，节约了重新建设费用和征地成本[3]。由于接地极共用，导致其入地电流增大，需要研究共用下对跨步电压等的影响，同时为了减小最大跨步电压，延长电极使用寿命，电极分流需要尽可能均匀[4-5]。
南方区域某极址原建设了垂直和深井型独立接地极，由于西电东送的持续建设，珠三角区域直流回数越来越多，合适的极址选择极为困难[6-7]，因而考虑将独立接地极改造为共用接地极，目前共有四回直流需共用，需要研究该背景下的共用接地极方案[8]。
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滇西北直流工程受端接地极与乌东德直流工程受端接地极均选址在长翠村一带，采用垂直型椭圆环接地极[9]，两个极环距离约九百多米，同时滇西北受端接地极极环内还有三口深井接地极。
牛从直流受端接地极位于韶关市翁源县，由于对西气东输二线工程管道存在安全影响，现需把接地极搬迁到长翠村极址。搬迁后，牛从直流受端接地极与乌东德直流受端、滇西北直流受端四回直流接地极共用。
滇西北受端接地极使用年限为40 a，按容许一极以大地返回方式连续运行24 h考虑，额定入地电流3 125 A，最大过负荷电流3 821 A，采用52口垂直接地极组成椭圆环型。乌东德受端接地极使用年限为40 a，按容许一极以大地返回方式连续运行24 h考虑，额定入地电流3 125 A。深井接地极额定入地电流3 125 A，设计寿命35 a，深井接地极3口，两两电极井间距为100 m，每口井深1 000 m。
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根据《高压直流输电大地返回系统设计技术规范》（DLT 5224—2014），共用接地极注入电流按6 400 A进行设计，滇西北垂直接地极和深井接地极工程已建设完成，在此基础上研究共用接地极的可行方案。
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滇西北直流受端接入3口深井接地极独立运行，剩余三回直流共用两个垂直型接地极极环，如图1所示。
图 1 接地极共用方案一
Figure 1. Scheme I of grounding electrode sharing
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四回直流共用两个垂直型接地极极环，如图2所示。
图 2 接地极共用方案二
Figure 2. Scheme II of grounding electrode sharing
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在乌东德受端接地极极址范围内新建7口深井接地极与原有深井电极互连，新建电极沿椭圆环形均布，单口电极尺寸及长度同试验型深井接地极一致，滇西北受端使用独立垂直型接地极独立运行，其余三回直流共用已有3口+新增7口共10口深井接地极，如图3所示。
图 3 接地极共用方案三
Figure 3. Scheme III of grounding electrode sharing
本文研究3种接地极共用方案，由于电极电流分布作为表征运行状态的重要参数，跨步电势是决定极址附近人身安全与工程布置的直观控制值，因此以接地极跨步电势和电极溢流大小作为分析指标。
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多个接地极注入同极性电流与异极性电流时，对参数影响较大，本次研究分别计算两处接地极同极性运行和异极性运行的组合情况。
根据极址测量的土壤电阻率，接地极允许最大跨步电势为11.31 V。
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分别计算乌东德和牛从受端共用两个垂直型接地极极环独立运行，和滇西北采用深井接地极独立运行时的跨步电势，再与乌东德和牛从共用两个垂直型接地极、滇西北采用深井接地极同时运行时的跨步电势做对比，同极性和异极性计算结果分别见表1和表2。
表 1 接地极同极性运行工况下计算结果
Table 1. Calculation results of the grounding electrode under the operating conditions with the same polarity
运行工况 垂直接地极共用 深井接地极独立运行 接地极共用 注入电流 乌东德+牛从
6 400 A滇西北3 821 A 乌东德+牛从
6 400 A滇西北
3821 A垂直接地极共
用跨步电势8.84 V — 9.08 V 深井跨步电势 — 1.1 V 1.82 V 表 2 接地极异极性运行工况下计算结果
Table 2. Calculation results of the grounding electrode under the operating conditions with different polarity
运行工况 垂直接地极共用 深井接地极独立运行 接地极共用 注入电流 乌东德+牛从
6 400 A滇西北3 821 A 乌东德+牛从
6 400 A滇西北
−3 821 A垂直接地极共
用跨步电势8.84 V — 9.03 V 深井跨步电势 — 1.1 V 2.72 V 无论是同极性还是异极性运行，接地极同时运行时均存在相互影响，使得跨步电势相对于独立运行值有差异。深井接地极相比于垂直接地极能极大改善跨步电势分布，减小最大跨步电势。两种不同的运行工况，其跨步电势均未超出允许值，且有较大裕度，最大跨步电势为9.08 V。
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如表3所示，3个换流站共用两个垂直型接地极极环，跨步电势均未超允许值，最大跨步电势为9.14 V，有较大裕度。
表 3 共用接地极计算结果
Table 3. Calculation results of the shared grounding electrode
运行工况 接地极共用 注入电流 最大为牛从两回额定电流之和6 400 A 滇西北垂直接地极跨步电势 9.14 V 乌东德垂直接地极跨步电势 8.23 V -
如表4和表5所示，方案三中两种不同的运行工况，其跨步电势均未超出允许值，最大跨步电势为10.67 V，安全裕度已较小。
表 4 接地极同极性运行工况下计算结果
Table 4. Calculation results of the grounding electrode under the operating conditions with the same polarity
运行工况 滇西北垂直接
地极独立运行深井接地极独立运行 接地极共用 注入电流 滇西北
3821 A乌东德+
牛从6400 A乌东德+牛从
6 400 A滇西北
3821 A滇西北垂直接
地极跨步电势10.17 V — 10.67 V 深井跨步电势 — 0.66 V 2.15 V 表 5 接地极异极性运行工况下计算结果
Table 5. Calculation results of the grounding electrode under the operating conditions with different polarity
运行工况 滇西北垂直接
地极独立运行深井接地极独立运行 接地极共用 注入电流 滇西北
3821 A乌东德+
牛从6 400 A乌东德+牛从
6 400 A滇西北
−3 821 A滇西北垂直接
地极跨步电势10.17 V 10.05 V 深井跨步电势 0.66 V 3.02 V -
首先计算乌东德和牛从受端共用两个垂直型接地极极环独立运行，各个电极的溢流大小，以及滇西北采用深井接地极独立运行时电极的溢流大小，与共用方案下电极溢流作对比分析，共用方案下又分为垂直接地极和深井接地极同极性和异极性运行工况。
乌东德垂直接地极3种工况下电极电流分布如图4所示。在独立运行时，椭圆环端部电极电流最大，电极电流差值最大为13.1 A。无论是独立运行还是同极性异极性运行，3种工况下垂直接地极的电极电流分布规律相似，都是椭圆环端部L11~L14电极电流最大，导致该处跨步电势最大，电极L12最大电流达到了75.6 A，需要重点校核该处土壤温升和电极腐蚀情况[10]。同极性运行时，电极电流最大与最小的差值为18.5 A，大于独立运行的差值13.1 A；异极性运行时，电极电流最大与最小的差值为8.7 A，小于独立运行的差值13.1 A。这意味着，相比于独立运行方式，同极性运行时电极电流分布更不均匀，而异极性运行电极电流分布更为均匀。
图 4 乌东德垂直接地极电极电流分布
Figure 4. Current distribution of vertical grounding electrode in Wudongde
滇西北垂直接地极3种工况下电极电流分布如图5所示。在独立运行时，椭圆环端部电极电流最大，电极电流差值最大为12 A。椭圆环端部电极电流较大，其中D37~D40电极电流最大，导致该处跨步电势最大，电极D38最大电流达到了70.7 A。同极性运行时电极电流分布更不均匀，而异极性运行电极电流分布更为均匀。
图 5 滇西北垂直接地极电极电流分布
Figure 5. Current distribution of vertical grounding electrode in northwestern Yunnan
深井接地极3种工况下计算结果见图6，深井接地极独立运行时，电极电流分布较为均匀，电极电流最大最小差值为15 A。3种工况下，电极电流最大为1 293 A，出现在S2电极。同极性运行方式使得深井接地极电极电流分布更不均匀。
图 6 深井接地极电极电流分布
Figure 6. Current distribution of deep well grounding electrode
综上，方案一垂直接地极最大电极电流为75.6 A，出现在垂直接地极L电极L12，需要重点校核该处土壤温升和电极腐蚀情况。深井接地极电极电流最大为1 293 A，出现在接地极S2。
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如图7和图8所示，两个垂直接地极极环共用作为一个接地极，受屏蔽效应影响，椭圆环外端部电极电流增大，两个椭圆环距离最近的电极电流减小。垂直接地极最大电极电流为69.3 A，出现在滇西北垂直接地极电极D39。
图 7 乌东德垂直接地极电极电流分布
Figure 7. Current distribution of vertical grounding electrode in Wudongde
图 8 滇西北垂直接地极电极电流分布
Figure 8. Current distribution of vertical grounding electrode in northwestern Yunnan
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如图9所示，同极性和异极性运行，椭圆环端部电极电流较大，相比于独立运行方式，同极性和异极性运行时电极电流分布更不均匀。垂直接地极最大电极电流达到了80.9 A，出现在电极D39。
图 9 滇西北垂直接地极电极电流分布
Figure 9. Current distribution of vertical grounding electrode in northwestern Yunnan
如图10所示，深井接地极最大电极电流达到了906 A，出现在电极S9，需要重点校核该处土壤温升和电极腐蚀情况。同极性、异极性运行方式都使得深井接地极电极电流分布更不均匀。
图 10 深井接地极电极电流分布
Figure 10. Current distribution of deep well grounding electrode
综上，方案三，滇西北垂直接地极最大电极电流为80.9 A，出现在电极D39，需要重点校核该处土壤温升和电极腐蚀情况。深井接地极电极电流最大为906 A，出现在接地极S9。
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1）深井接地极相比于垂直接地极能极大改善跨步电势分布，减小最大跨步电势。
2）方案一和方案三中，同极性和异极性运行时，无论是垂直接地极还是深井接地极，跨步电势相比于其独立运行时都有所增大。
3）垂直接地极，相比于独立运行方式，同极性运行时电极电流分布更不均匀。同极性和异极性运行方式都使得深井接地极电极电流分布更不均匀。
4）3种方案下，跨步电压均未超过限值，但方案一下跨步电压最小。3种方案下，垂直接地极电极电流分布差异不大，方案一的深井接地极分流最为均匀，方案二的龙门垂直接地极极环分流最为均匀，方案三的东方垂直接地极极环分流最为均匀。
Research on the Scheme of Shared Grounding Electrode for Four-Circuit HVDC System
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摘要:
目的 为解决接地极选址困难问题，采用共用接地极的方案，共用接地极可由独立接地极改造而来。四回直流共用接地极情况较为少见，其共用方案需要谨慎研究。 方法 结合实际工程，针对现存独立接地极情况，提出了极址3种接地极共用方案，通过仿真，研究垂直接地极和深井接地极跨步电压和电极分流。 结果 多个接地极同时运行时，由于导体间的屏蔽效应，其电气特征相比于独立运行有所区别，同极性运行时，无论是垂直接地极还是深井接地极，跨步电势相比于其独立运行时都有所增大，电极电流分布更不均匀。 结论 3种可行方案下，跨步电压均未超过限值，但方案一下跨步电压最小，垂直接地极电极电流分布差异不大。 Abstract:Introduction To address the difficulty in selecting the grounding electrode location, a shared grounding electrode scheme is adopted. The shared grounding electrode can be transformed from an independent grounding electrode. It is relatively uncommon for a four-circuit DC system to share a grounding electrode, so its sharing scheme needs to be carefully studied. Method Based on the actual project and the existing situation of independent grounding electrodes, three schemes of grounding electrode sharing at the electrode location were proposed. Through simulation, the step voltage and current distribution of vertical grounding electrodes and deep well grounding electrodes were studied. Result When multiple grounding electrodes operate simultaneously, due to the shielding effect between conductors, their electrical characteristics differ from those of independent operation. When operating with the same polarity, regardless of whether it is a vertical grounding electrode or a deep well grounding electrode, the step potential increases compared to when it operates independently, and the electrode current distribution is more uneven. Conclusion Under the three feasible schemes, the step voltage does not exceed the limit value, but the step voltage is the smallest under scheme I, and there is no significant difference in the current distribution of the vertical grounding electrode. -
Key words:
- HVDC /
- grounding electrode /
- share /
- vertical grounding electrode /
- deep well grounding electrode
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图 4 乌东德垂直接地极电极电流分布
Fig. 4 Current distribution of vertical grounding electrode in Wudongde
图 5 滇西北垂直接地极电极电流分布
Fig. 5 Current distribution of vertical grounding electrode in northwestern Yunnan
图 7 乌东德垂直接地极电极电流分布
Fig. 7 Current distribution of vertical grounding electrode in Wudongde
图 8 滇西北垂直接地极电极电流分布
Fig. 8 Current distribution of vertical grounding electrode in northwestern Yunnan
图 9 滇西北垂直接地极电极电流分布
Fig. 9 Current distribution of vertical grounding electrode in northwestern Yunnan
表 1 接地极同极性运行工况下计算结果
Tab. 1. Calculation results of the grounding electrode under the operating conditions with the same polarity
运行工况 垂直接地极共用 深井接地极独立运行 接地极共用 注入电流 乌东德+牛从
6 400 A滇西北3 821 A 乌东德+牛从
6 400 A滇西北
3821 A垂直接地极共
用跨步电势8.84 V — 9.08 V 深井跨步电势 — 1.1 V 1.82 V 
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表 2 接地极异极性运行工况下计算结果
Tab. 2. Calculation results of the grounding electrode under the operating conditions with different polarity
运行工况 垂直接地极共用 深井接地极独立运行 接地极共用 注入电流 乌东德+牛从
6 400 A滇西北3 821 A 乌东德+牛从
6 400 A滇西北
−3 821 A垂直接地极共
用跨步电势8.84 V — 9.03 V 深井跨步电势 — 1.1 V 2.72 V
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表 3 共用接地极计算结果
Tab. 3. Calculation results of the shared grounding electrode
运行工况 接地极共用 注入电流 最大为牛从两回额定电流之和6 400 A 滇西北垂直接地极跨步电势 9.14 V 乌东德垂直接地极跨步电势 8.23 V
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表 4 接地极同极性运行工况下计算结果
Tab. 4. Calculation results of the grounding electrode under the operating conditions with the same polarity
运行工况 滇西北垂直接
地极独立运行深井接地极独立运行 接地极共用 注入电流 滇西北
3821 A乌东德+
牛从6400 A乌东德+牛从
6 400 A滇西北
3821 A滇西北垂直接
地极跨步电势10.17 V — 10.67 V 深井跨步电势 — 0.66 V 2.15 V
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表 5 接地极异极性运行工况下计算结果
Tab. 5. Calculation results of the grounding electrode under the operating conditions with different polarity
运行工况 滇西北垂直接
地极独立运行深井接地极独立运行 接地极共用 注入电流 滇西北
3821 A乌东德+
牛从6 400 A乌东德+牛从
6 400 A滇西北
−3 821 A滇西北垂直接
地极跨步电势10.17 V 10.05 V 深井跨步电势 0.66 V 3.02 V
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