高压直流输电（HVDC）系统接地极设计关键技术及土壤改良研究

1.引言

随着特高压直流输电技术的发展，接地极作为 HVDC 系统的重要组成部分，其设计合理性直接影响系统运行稳定性。当接地极注入数千安培直流电流时，土壤会因电化学反应出现电阻率升高、结构劣化等问题，导致接地电阻增大、跨步电压超标。当前接地极设计面临两大技术挑战：一是高土壤电阻率地区的散流效率优化，二是长期大电流注入下的土壤理化特性演变机制。本文以某±800kV 换流站接地极工程为研究对象，从拓扑结构优化、土壤改良材料筛选、电化学腐蚀防护三方面展开研究，建立“设计-改良-评估”一体化技术体系，为 HVDC 接地极工程提供学术参考。

2.HVDC 接地极设计关键技术分析

2.1 接地极拓扑结构与散流特性研究

HVDC 接地极通常采用环形或星形拓扑结构。基于有限元法建立三维散流模型，模拟不同拓扑结构的电流密度分布：环形结构（半径 50m）在中心区域电流密度达 0.8A/m² ，边缘区域降至 0.2A/m² ，存在明显电流集中现象；而星形结构（6 射线，长度 80m）的电流密度分布均匀性提升 35% ，边缘与中心区域差值缩小至 0.15A/m² 。通过引入不等间距射线布置优化（中心间距 10m ，边缘间距 15m) ），可使接地电阻从 0.8Ω降至 0.6Ω，满足 DL/T5224-2014 中“接地电阻 ≤0.7Ω^∗ 的要求。某工程实例表明，采用 6 射线星形拓扑并配合 2 层水平电极网，可使接地极表面最大跨步电压从 1200V 降至 850V，低于国标 1000V 限值。

2.2 大电流注入下的土壤电化学腐蚀机制

当直流电流密度超过 0.5A/m²时，土壤会发生电化学反应：阳极区产生 O₂ 与 H⁺ ，导致pH 值降至3.2-3.8，加速金属电极腐蚀；阴极区产生 H₂ 与 OH⁻，pH 值升至 10.5-11.2，引发土壤胶体凝聚。通过电化学工作站测试发现，Q235 钢在 pH=3.5 的土壤中腐蚀速率达 0.12mm/ 年，是中性土壤（pH=7）的 2.8 倍。采用 XRD 分析腐蚀产物成分，阳极区主要为 Fe₂O₃ 与 Fe(OH)₃ ，阴极区则形成 Fe(OH)₂与 Fe₃O₄混合层。长期运行监测数据显示，未采取防护措施的接地极在运行 5 年后，导体截面积平均减少 18% ，接地电阻上升25% ，严重影响系统安全。

2.3 接地极热稳定性评估模型构建

建立考虑土壤热导率、电流密度、水分迁移的热-电耦合模型，计算接地极温升特性。当注入电流3000A 时，传统土壤（热导率 1.2W/(m⋅K)⋅ ）中接地极表面温度可达 75^∘C ，超过 DL/T5224-2014 规定的 60^∘C 限值。通过有限元仿真发现，温度场呈以接地极为中心的半球形分布，距电极 5m 处温度降至 30^∘C 以下。引入温度-电阻率耦合关系（土壤电阻率随温度升高呈指数增长，系数 0.02/°C' ），构建热稳定性评估矩阵，当接地极温升超过55℃时，需启动土壤改良措施以控制电阻率增幅在 15% 以内。

3.土壤改良技术研究与工程应用

3.1 纳米改性材料筛选与性能优化

对比分析纳米碳管（CNT）、纳米二氧化钛（ TiO₂ ）、纳米氧化锌（ Z_nO ）对土壤电阻率的改良效果：添加 2%CNT 可使土壤电阻率从 500Ω⋅m 降至 280Ω⋅m ，降幅 44% ，但材料分散性较差；添加 3%TiO₂ 可使电阻率降至 320Ω⋅m ，同时提升土壤热导率至1.8W/(m⋅K) ；复合添加 1.5%CNT+2%TiO₂ 时，电阻率降至 290Ω⋅m ，且热导率达1.7W/(m⋅K) ，综合性能最优。通过扫描电镜（SEM）观察发现，纳米材料在土壤中形成导电网络，填充土壤孔隙并改善离子迁移路径，使改良后土壤的离子电导率从 0.01S/m

提升至 0.035S/m 。

3.2 改良土壤的电化学防护机制

在纳米改性材料中掺入 5% 的镁基牺牲阳极材料，构建“导电-防腐”一体化改良体系。电化学测试表明，该体系可使土壤腐蚀电位从-0.5V（vs.SCE）提升至-0.2V，腐蚀电流密度从 15μA/cm² 降至 5μA/ϵm² 。XPS 分析显示，镁基材料在阴极区形成 Mg(OH)₂ 保护膜，抑制 OH⁻的聚集效应，使土壤 pH 值稳定在 7.5-8.2 之间。某工程应用中，改良土壤在运行3 年后，接地极腐蚀速率降至 0.04mm 年，较未改良土壤降低 67% ，验证了该技术的长效防护能力。

3.3 工程应用效果评估

在某±800kV 换流站接地极工程中，采用 ^**6 射线星形拓扑+纳米复合改良土壤”方案：接地极主体为 1Φ20mm 的高硅铬铁合金，射线长度 80m ，水平电极网采用 2 层 Φ16mm 镀锌钢；改良土壤区域半径 50m ，深度 3m，采用分层回填工艺（每层厚度 0.5m ，压实系数 ≥0.93 ）。实测数据显示：接地电阻 0.62Ω，满足设计要求；最大跨步电压 780V，低于国标限值；运行 1 年后接地极温升稳定在 48^∘C ，土壤电阻率维持在 295Ω⋅m ，较改良前降低 42‰ 。该工程通过持续 2 年的监测表明，改良土壤未出现板结或性能衰减，验证了技术方案的可靠性。

4.结论与展望

本研究围绕高压直流输电（HVDC）系统接地极设计与土壤改良技术展开系统性研究，形成以下核心结论：在接地极拓扑结构优化方面，通过有限元仿真验证了 6 射线星形拓扑较传统环形结构可使电流密度分布均匀性提升 35% ，配合不等间距射线布置可将接地电阻从 0.8Ω降至 0.6Ω，满足 DL/T5224-2014 标准要求。在土壤电化学腐蚀机制研究中，发现直流电流密度超过 0.5A/m²时，阳极区 pH 值可降至 3.2-3.8，导致 Q235 钢腐蚀速率达 0.12mm /年，而构建的热-电耦合模型显示注入 3000A 电流时传统土壤中接地极温升可达 75^∘C ，超出安全限值。

在土壤改良技术方面，筛选出 1.5% 纳米碳管（CNT）与 2% 纳米二氧化钛（ TiO₂ ）的复合改性体系，可使土壤电阻率从 500Ω⋅m 降至 290Ω⋅m （降幅 42% ），热导率提升至 1.7W/(m⋅K) ；掺入 5% 镁基牺牲阳极材料后，土壤腐蚀电流密度从 15μA/cm² 降至5μA/cm² ，接地极腐蚀速率降低 67% 。工程应用表明，采用“星形拓扑+纳米改良土壤”方案后，接地电阻稳定在 0.62Ω ，跨步电压 780V，温升控制在 48^∘C ，各项指标均满足行业规范要求。

未来研究需聚焦三方面：一是开发基于机器学习的接地极拓扑优化算法，提升设计效率；二是探索石墨烯-膨润土复合改良材料，进一步提升土壤导电与导热性能；三是建立考虑土壤冻融循环、地下水迁移的多物理场耦合模型，完善长期运行评估体系。随着特高压直流输电的规模化发展，接地极设计与土壤改良技术将向智能化、绿色化方向持续演进。

参考文献

[1]中国电力企业联合会.高压直流输电系统接地极设计技术规程（DL/T5224-2014）[S].北京：中国电力出版社,2014.

[2] 李明, 王强. 特高压直流接地极土壤电化学腐蚀特性研究[J]. 高电压技术,2022,48(5):1654-1662.