特高压直流输电-接地极及其线路PPT学习教案PPT文件格式下载.pptx

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如果接地极离铁路太近，直流地电流也可能对铁路系统的信号和电气化铁路的供电系统带来影响。

第5页/共53页,7.1对接地极的要求,（3）大的入地电流在极址附近地面出现跨步电压和接触电势，可能会影响到人畜安全。

因此，为了确保人畜的安全，必须将其控制在安全范围之内。

（4）直流输电工程几乎都是采用12脉动换流器，此换流器除了产生持续的直流电流外，还将产生12,24,36.等12倍数的谐波电流。

在单极大地回线方式运行时。

换流器产生的谐波电流将全部或部分地（当换流站中性点加装电容器或滤波器时）流过接地极引线。

这种谐波电流形成的交变磁场，将可能干扰通信信号系统。

为减少接地极架空线路上的谐波电流对通信系统的电磁干扰，其最有效的方法之一是使架空线路远离通信线路。

第6页/共53页,7.1对接地极的要求,b.热效应接地极在通过直流电流时，电极温度将升高。

当温度升高到一定程度时，土壤中的水分可能被蒸发掉，土壤的导电性能将会变差，电极将出现热不稳定，严重时将可使土壤烧结成几乎不导电的玻璃状体，电极将丧失运行功能。

影响电极温升的主要土壤参数有土壤电阻率、热导率、热容率和湿度等。

因此，对于陆地（含海岸）电极，希望极址土壤有良好的导电和导热性能，有较大的热容系数和足够的湿度，这样才能保证接地极在运行中有良好的热稳定性能。

第7页/共53页,7.1对接地极的要求,c.电化效应当直流电流通过电解液时，在电极上便产生氧化还原反应，电解液中的正离子移向阴极，在阴极和电子结合而进行还原反应。

负离子移向阳极，在阳极给出电子而进行氧化反应。

大地中的水和盐类物质相当于电解液，当直流电流通过大地返回时，在阳极上产生氧化反应，使电极发生电腐蚀。

电腐蚀不仅仅发生在电极上，也同样发生在埋在极址附近的地下金属设施和电力系统接地网上。

此外，在电场的作用下，靠近电极附近土壤中的盐类物质可能被电解，形成自由离子。

譬如在沿海地区，土壤中含有丰富的钠盐（NaCI），可电解成钠离子和氯离子。

这些自由离子在一定的程度上将影响到电极的运行性能。

第8页/共53页,7.1对接地极的要求,7.1.2对极址的要求（DL/T5224高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定）为减小和避免接地极对环境的影响，极址一般应具备以下条件：

a.距离换流站要有一定距离，但不宜过远，通常在1050km之间。

如果距离过近，则换流站接地网将通过较多的地电流，影响电网设备的安全运行和腐蚀接地网。

如果距离过远，则会增大线路投资和造成换流站中性点电位过高。

此外，极址对极址对220kV及以上电压等级的交流变电站直线距离不应小于10km。

b.接地极址宜选择在远离城市和人口稠密的乡镇，交通方便，没有洪水冲刷和淹没，接地极线路走线方便的空旷的地带。

由于海水电阻率比陆地土壤电阻率低很多，因此在有条件（如换流站与海岸的距离小于50km且海洋环境条件允许）的地方，一般宜优先考虑采用海洋或海岸接地极。

第9页/共53页,7.1对接地极的要求,c.有宽阔而又导电性能良好（土壤电阻率低）的大地散流区，特别是在极址附近范围内，土壤电阻率应在100m以下。

这对于降低接地极造价，减少地面跨步电压和保证接地极安全稳定运行起着极其重要的作用。

d.土壤应有足够的水分，即使在大电流长时间运行的情况下，土壤也应保持潮湿。

表层（靠近电极）的土壤应有较好的热特性（热导率和热容率高）。

接地极尺寸大小往往受到发热控制，因此土壤具有好的热特性，对于减少接地电极的尺寸是很有意义的。

e.接地极埋设处的地面应该平坦，这不但能给施工和运行带来方便，而且对接地极运行性能也带来好处。

f.接地极引线走线方便，造价低廉。

第10页/共53页,7.1对接地极的要求,7.1.3接地极的技术要求接地极必须满足系统运行条件、使用寿命、最大允许跨步电压及土壤最大允许温升的限值要求。

7.1.3.1系统运行条件系统运行条件包括接地极的极性、通过接地极的电流大小和时间。

（1）接地极极性接地极的极性应满足系统运行和环保要求。

直流系统在单极大地回线方式运行时，接地极的极性一般是一端为正（阳）极，另一端为负（阴）极。

对于单极直流输电工程，这种极性往往是固定不变的。

对于双极直流输电工程，一般由于允许一极先建成投运，极性也是固定的，待双极建成投产后，极性通常不固定，极性随系统运行需要而变化，它取决于地中电流方向，即两极电流之差的方向。

对于双极直流输电工程在单极大地回线方式运行时，其接地极的极性取决于运行极的极性，如在正极运行时，送端换流站接地极为负（阴）极，受端换流站接地极为正（阳）极，在负极运行时情况正好相反。

第11页/共53页,7.1对接地极的要求,

（2）通过接地极的电流大小和时间正常额定电流。

正常额定电流系指直流系统以大地回线方式运行时，流过接地极的最大正常工作电流，它等于系统额定电流。

对于单极大地回线直流工程，其持续运行时间与直流系统运行时间相同。

对于双极直流工程，在额定电流下运行的时间包括：

建设初期先建成的一极以大地回线方式运行的时间，双极投运后，计划停运和强迫停运一极运行的时间。

最大过负荷电流。

一般直流系统最大过负荷电流为额定电流的1.1倍，持续时间一般为2h。

第12页/共53页,7.1对接地极的要求,最大短时电流。

最大短时电流系指当直流系统发生故障时，流过接地极的暂态过电流。

最大短时过电流一般取正常额定电流的1.5倍左右，持续时间为310秒，其值由系统设计规范确定。

不平衡电流。

不平衡电流系指两极电流之差。

对于双极对称运行方式，在理想情况下，没有电流流过接地极。

但实际上，由于触发角和设备参数的差异，也有不平衡电流流过，其值可由控制系统自动控制在额定电流的1%之内。

当双极电流不对称运行时，流过接地极的电流为两极运行电流之差，可取两极不对称运行的额定电流之差。

第13页/共53页,7.1对接地极的要求,7.1.3.2使用寿命接地极一般应按一次性建成投产进行设计，其设计寿命应与直流输电系统换流站相同。

如无可靠资料，接地极设计寿命宜不少于30年。

影响接地极使用寿命的主要因素是馈电材料的电腐蚀。

根据法拉第电解作用定律，阳极电腐蚀量不但与材料有关，而且与电流和作用时间之乘积成正比。

因此，接地极的寿命采用以阳极运行的电流与时间之乘积（安培小时或安培年）来表示。

在计算接地极阳极运行安时数时，应按接地极寿命期内可能出现的各种单极运行方式计算，即按单极额定运行、一极计划和强迫停运时另一极运行以及双极不平衡运行时的电流乘时间之和（累积）计算。

按上述方法计算得到的寿命，只是用于设计的预期计算值，而在实际运行中，往往并不严格按设计时规定的运行方式运行。

为了确保接地极在规定的运行年限里正常运行，在接地极设计时应留一定的裕度。

第14页/共53页,7.1对接地极的要求,7.1.3.3技术条件最大允许跨步电位差和最大允许接触电位差在最大暂态电流下，接地极地面任意点的最大允许跨步电位差和最大允许接触电位差应满足下式要求：

式中:

Emy地面最大允许跨步和接触电位差，V/m;

表层土壤电阻率，.m。

如地面任意点最大跨步电位差不满足上式要求，应采取隔离措施。

第15页/共53页,7.1对接地极的要求,在正常额定电流下，地面转移电势对于通信系统不大于60V。

对靠近鱼塘的接地极，正常额定电流下，水中任意点的场强不大于1.25V/m。

在任何情况下，接地极任意点的最高温度必须低于水的沸点。

接地电极馈电元件宜分成若干段，任意一段退出（检修）或任意一根导流线断开，不影响接地极安全运行。

第16页/共53页,7.2接地极型式及其布置,7.2接地极型式及其布置目前世界上已投入运行的直流工程接地极可分为两类:

一类是陆地电极，另一类是海洋电极。

陆地电极和海洋电极由于它们面对的极址条件不同，因而其电极布置方式也不相同。

7.2.1陆地电极陆地接地极主要是以土壤中电解液作为导电媒质，其敷设方式分为两种型式:

一种是浅埋型，也称沟型，一般为水平埋设，另一种是垂直型，又称井型电极，它是由若干根垂直于地面布置的子电极组成。

陆地电极馈电棒一般采用导电性能良好、耐腐蚀、连接容易、无污染的金属或石墨材料，并且周围填充石油焦炭。

第17页/共53页,7.2接地极型式及其布置,水平埋设型电极埋设深度一般为数米，充分利用表层土壤电阻率较低的有利条件。

因此，浅埋型电极具有施工运行方便、造价低廉等优点，特别适用于极址表层土壤电阻率低，场地宽阔且地形较平坦的情况。

垂直型电极底端埋深一般为数十米，少数达数百米。

如在瑞典南部穿越波罗的海直流电缆输电工程中的试验电极，采用了深井型电极，其端部埋深达550m。

垂直型电极最大的优点是占地面积较小，且由于这种电极可直接将电流导入地层深处，因而对环境的影响较小。

垂直型电极一般适用于表层土壤电阻率高而深层较低的极址或极址场地受到限制的地方。

这种形式的接地极存在施工难度大，运行时端部溢流密度高和产生的气体不易排出等问题。

此外，由于子电极之间是相对独立的，显然若将这些子电极连接起来，则无疑会增加导（流）线接线的难度。

第18页/共53页,7.2接地极型式及其布置,7.2.2海洋电极海洋电极主要是以海水作为导电媒质。

海水是一种导电性比陆地更好的回流电路，海水电阻率约为0.2m，而陆地则为10一l000m，甚至更高。

海洋电极在布置方式上又分为海岸电极和海水电极两种。

海岸电极的导电元件必须有支持物，并设有牢固的围栏式保护设施，以防止受波浪、冰块的冲击而损坏。

在这些保护设施上设有很多孔洞，保证电极周围的海水能够不断循环地流散，以便电极散热和排放阳极周围所产生的氯气与氧气。

海岸电极多数采用沿海岸直线形布置，以获得最小的接地电阻值。

第19页/共53页,7.2接地极型式及其布置,海水电极的导电元件放在海水中，并采用专门支撑设施和保护设施，使导电元件保持相对固定和免受海浪或冰块的冲击。

如果仅作为阴极运行，采用海水电极是比较经济的。

如果运行中因潮流反转需要变更极性，则每个接地极均应按阳极要求设计，并应考虑因鱼类有向阳极聚集的习性而受到伤害的预防措施。

由于海洋电极比陆地电极有较小的接地电阻和电场强度，因而在有条件的地方海洋电极得到了广泛地采用。

在设计时，应考虑阳极附近生成氯气对电极的腐蚀作用，应选择耐氯气腐蚀的材料作为电极材料。

第20页/共53页,7.2接地极型式及其布置,7.2.2电极形状接地极电极形状较典型的有垂直型、星型（直线型）、圆环型（单圆环型、多圆环型和椭圆型）等。

第21页/共53页,7.2接地极型式及其布置,a.垂直型电极垂直型电极一般是由若干根依地形要求垂直布置的子电极组成。

电极运行特性取决于子电极布置形状、长度和根数等因素。

（1）当一根根子电极布置成圆环形状，每根子电极可以获得相同的电流。

否则，就有可能出现某些子电极得到的电流较大，而另一些子电极得到的电流较小，比如当子电极布置成直线形状时，就可能出现位于端部的子电极得到的电流大大地高于其他子电极。

因此，为了获得比较好的电流分布特性，充分发挥每一根子电极的作用，在条件允许的情况下，子电极应尽可能布置成圆环型。

（2）不同的子电极长度及其数目对电极运行特性也会产生明显的影响。

随着子电极数目的增加，电流不均匀系数明显增加，接地电阻虽然有所降低，但降低速度逐渐减慢。

当子电极长度和数量一定时，电流不均匀系数和接地电阻将随着布置的半径增大而减小。

一般来讲，子电极长度应根据地质条件确定，但不宜过长，一般不超过50m。

第22页/共53页,7.2接地极型式及其布置,b.星型电极星型电极是由若干根埋在地下成放射状布置的子电极组成。

在通常情况下，星型电极的电流分布是很不均匀的，如果不断地增加电极分支数，则电流不均匀系数会进一步增加，接地电阻只是逐步降至某一定值。

所以，过多地增加电极分支数是不经济的，电极分支数一般不超过6个为宜。

星型电极端部的溢流密度往往要高出平均值数倍。

为了降低端部的溢流密度，可以在其端部加装一个大小合适的屏蔽环圆弧状屏蔽电极。

经模拟分析结果表明，加装屏蔽环后的星型电极，电流分布特性得到了明显地改善，从而大大地改善了接地极运行特性。

第23页/共53页,7.2接地极型式及其布置,c.圆环型电极圆环型电极有单圆环型和多圆环型，多圆环型应同心布置，这样可达到同一圆环电极上溢流密度处处相等。

圆环的数量应根据技术经济比较后择优选择。

一般来讲，如果土壤电阻率较高，入地电流大并且时间长，则宜采用双圆环或多圆环电极，否则可采用单圆环电极。

应该指出，过多地增加圆环数量是不经济的，通常不要超过两个圆环。

当采用双圆环电极时，两圆环半径大小配合要适当。

接地电阻并非是随着内环增大而不断降低，而是当d/D为0.7左右（土壤电阻率值有影响）时，可获得最小的接地电阻。

第24页/共53页,7.2接地极型式及其布置,电极形状的选择：

在相同的电极长度下，星型电极的接地电阻较低，但电流分布不均匀，在平均溢流密度相同的情况下，其最大跨步电压明显高于圆环型电极，跨步电压过高，则必须采取措施增大电极尺寸或增加埋设深度或增设栅栏等。

在相同的平均溢流密度情况下，星型和垂直型电极的热时间常数明显低于圆环型电极。

热时间常数越小，表明电极温度上升速度越快，也就是说在相同的电流和作用时间下，电极温度上升越高，对接地极安全运行越不利。

在场地允许的情况下，一般应优先选择单圆型电极，其次是多个（两个及以上）同心圆环型电极。

在场地条件受到限制而不能采用圆环型电极的情况下，也应尽可能地使电极布置得圆滑些，尽量减少圆弧的曲率。

如果地形整体性较差（如山岔），则可采用星型（直线型）电极。

如果端部溢流密度过高，则可在端部增加一个“屏蔽环”，特别是如果出现电极埋设层土壤电阻率高于相邻土壤层时，可采用星型电极，可能获得比较均匀的电流分布特性。

第25页/共53页,7.2接地极型式及其布置,7.2.3电极尺寸电极尺寸系指接地电极总长度、焦炭断面边长和馈电元件直径。

确定三者尺寸的原则是:

在正常额定电流持续作用下，接地极任意部位最高温度不应超过水的沸点；

在最大暂态电流下，地面任意点最大跨步电位差不得大于其允许值；

在设计寿命期间，考虑腐蚀后馈电元件应满足载流要求。

具体尺寸应根据系统条件和极址条件按DL/T5224高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定确定。

第26页/共53页,7.3接地极材料,接地极材料包括接地极馈电（散流）材料和活性填充材料，前者的作用就是将电流导入大地，后者的主要作用是保护馈电材料，提高接地极使用寿命，改善接地极发热特性。

活性填充材料一般仅用于陆地接地极和海岸接地极。

第27页/共53页,7.3接地极材料,7.3.1馈电材料直流接地极在外加直流电压和上千安培的直流电流长时间地通过电极的情况下，金属材料会逐渐溶解损失，并且数量往往是惊人的。

因此，为了提高接地极运行的可靠性和接地极使用寿命，接地极材料应具有强的耐电腐蚀性能。

接地极是一个庞大的导电装置，接地极材料应有好的导电性能，且加工（焊接）方便，来源广泛，综合经济性能好，运行时无毒、污染小。

迄今为止，成功地用于直流输电接地极中的馈电材料有铁（钢）、石墨、高硅铸铁、高硅铬铁、铁氧体和铜等。

第28页/共53页,7.3接地极材料,铁（钢）碳钢分为低碳钢（含碳量0.6%）三种。

经研究结果表明，碳钢直接放在土壤中的平均电腐蚀率约9kg（A年）。

碳钢含碳量低，抗电解腐蚀性能较强，但差别并不十分明显。

试验结果表明：

碳钢放在焦碳中能减小电腐蚀，但含水量增加也会增加腐蚀率，特别是当地下水中含丰富导电物质如NaCl、Ca2、Mg20等时，则钢棒附设焦炭床结构的钢棒电解速率将大大增加。

此外，随着含盐量的增加，碳钢的电解速率也明显增大。

第29页/共53页,7直流输电接地极及其线路,石墨石墨是惰性材料，是由焦炭在20002400下烧结而成的材料。

石墨分子结构呈晶体结构，其晶体结构中不显示阳离子晶格和流动电子。

其共价键非常稳定，在常温电解液中不会发生离子化。

其导电和导热性能更接近金属，电解速率很小，适合作直流阳极。

在早期直流输电工程的海岸和海水接地极中广泛应用。

石墨具有非常松散的层状结构，有明显的多孔性，气体容易渗入石墨的层状结构内，破坏层间较弱的结合使石墨变成疏松的粉状物质而溶解。

其溶解速度与析出O2量有关，即与散出电流有关。

一般石墨电极都用合成树脂浸渍，使合成树脂在石墨的微孔中固化，阻止O2的侵入。

由于阳极析出CL2对合成树脂浸渍有破坏作用，破坏其固化，使石墨点蚀而溶解。

所以在海岸和海水环境中，石墨电极的寿命取决于浸渍剂保护作用时间的长短，因而限制了这种材料的使用。

新西兰岸边接地极在运行9年后，用高硅铸铁更换了已损坏的石墨电极。

目前，在阴极保护业中，国内外基本上都用高硅铸铁替代石墨电极，因为高硅铸铁也是一种理想的阳极材料，且抗腐蚀性优于石墨电极。

第30页/共53页,7.3接地极材料,高硅铸铁与高硅铬铁高硅铸铁是一种含硅量很高的铁硅合金，作为一种抗腐蚀材料在阴极保护业中作辅助阳极材料而被广泛地应用。

自1980年以来高硅铸铁在直流接地极工程中也获得了越来越多的应用。

高硅铸铁和高硅铬铁的基本化学成分见表7-1。

第31页/共53页,7.3接地极材料,高硅铸铁之所以具有较强的抗腐蚀性，是因为铸件表面很容易地氧化成一层致密的SiO2薄膜，产生钝化，从而阻碍了腐蚀的进一步发展。

高硅铸铁的抗腐蚀能力，随合金中含硅量的增加而增强，但其脆性也增加。

含硅量低于14.5%，其耐腐蚀能力急剧下降，含硅量高于14.5%以后，其耐腐蚀能力提高不多。

如果含硅量高达18%以上，则合金极脆，而不能使用，因此通常把高硅铸铁中含硅量控制为14.5%左右。

增加高硅铸铁中的含碳量，可以提高合金的机械和加工性能，在贫碳时，合金是很脆的，但提高含碳量，会产生石墨的漂浮现象，形成“石墨巢”，从而降低了其抗腐蚀性能。

高硅铸铁在国内的阴极保护业中已成功地应用了很多年，在没有焦炭回填料的情况下，也成功地被用作阳极材料，在淡水中电解速率一般在0.21kg/（A年）左右。

第32页/共53页,7.3接地极材料,高硅铸铁在有卤铁气体，特别是在有氯气生成的环境中应用时，由于氯气的腐蚀性很强，会浸入破坏致密的Si02晶体，使铸铁表面产生坑坑凹凹的点蚀现象，加速了高硅铸铁电极的腐蚀且不均匀，这就阻碍了它在海水中或其他一些场合的应用。

为了改善高硅铸铁在海水中的腐蚀性能，往往在原高硅铸铁成份的基础上，添加了4.5%左右的铬。

铬与硅能形成一个更加钝化和稳定的金属氧化物薄膜，该薄膜不仅能阻止进一步电解腐蚀，也能抵抗氧气的侵蚀。

其电解速率在淡水中与高硅铸铁的相似，为0.251kg/（A年）左右，在海水中高硅铸铁略低。

据美国HARCO公司阴极保护产品样本介绍，高硅铬铁阳极的电解速率随电流密度增加而增加，而在海水中还与埋设方式有关，其试验结果见表7-2。

第33页/共53页,7.3接地极材料,将阳极悬挂或支撑在海底上是最理想的，这样阳极产生的氯气可以很快地扩散，避免了腐蚀的增加。

高硅铸铁和高硅铬铁电极在国外直流输电工程中得到了广泛应用，并有相当成熟的应用经验。

第34页/共53页,7.3接地极材料,铁氧体电极国外近几年研制了新一代电极材料铁氧体电极，并在阴极保护业中得到了推广应用。

铁氧体电极基本属于不溶性材料，在海水中的电解速率小于1g（A年），经实测美国BAC铁氧体电极在海水中的电解速率为875mg/（A年）。

据BAC铁氧体电极样本介绍，在含3%NaCl的土壤中，其电解速率为10g/（A年），基本上不随散流密度变化而变化。

第35页/共53页,7.3接地极材料,铁氧体是一种Fe2O3和二价金属离子的氧化物MO的化合物，M可为一种金属，亦可为多种金属，常为Fe2+、Ni2、Co2、Cu2、Mg2+、Zn2等，铁氧体的晶体结构属尖晶石型，为立方晶系，分子式可以MFe2O4或MOFe203表示。

铁氧体电极内游离的Fe2+越多，导电性能越好，体积电阻率越低，但其电解腐蚀速率较高。

反之，则耐腐蚀性能好，其体积电阻率高，一般电阻率控制在101103cm范围内。

铁氧体电极由于电解损耗小，所以电极产品尺寸相对较小，其典型产品尺寸为:

长880mm，有效长度720mm，直径60mm。

但其体积电阻率比高硅铸铁大，所以陆地电极回填料仍按原尺寸，在海水中则不受限制。

铁氧体电极的抗腐蚀特性要优于高硅类电极，是电极材料新一代抗腐蚀材料，并在国外的一些阴极保护工业中得到了应用。

国内也有很多研究机构在研制铁氧体电极，并已成功地研制出适合作为电极的铁氧体材料，但由于工艺的限制，至今国内还没有一家研制成产品。

第36页/共53页,7.3接地极材料,铜铜分为红铜、黄铜和青铜。

理论计算铜的电解速率为10.46kg/（A年），比铁的理论值略大。

经在同一土壤、同一电流密度下实测铜的电解速率为7.008kg/（A年），比铁电解速率6.789kg/（A年）略大，但铜的价格却是铁的几十倍，且铜进入土壤后会污染地下水。

所以，铜不宜作接地阳极使用。

但是，铜对海水的电化学腐蚀有很好的钝化作用，裸铜作接地阴极是令人满意的。

例如，瑞典果特兰岛的维斯比换流站接地极和丹麦至瑞典的康梯一斯堪工程中瑞典侧海水阴极接地极都采用了裸铜作接地极材料。

铜虽然在自然腐蚀情况下比钢铁的抗腐蚀特性优越，但它在大电流密度作用下，电解腐蚀的速度与铁相近，在海水中甚至比铁还高，而价格也比铁贵得多。

因此铜只有在电极使用得很少（大部分时间是自然腐蚀）和电流密度很小（限制运行方式）的情况下才使用，特别是在土壤含盐量高的地方。

第37页/共53页,7.3接地极材料,国产材料的腐蚀特性试验结果见表7-3。

第38页/共53页,7.3接地极材料,8.3.2活性填充材料地电流从散流金属元件至回填料的外表导电主要是电子导电，所以对材料的电腐蚀作