特高壓直流工程接地極線路導(dǎo)線選型及相關(guān)問題探討

郭賢珊

（國家電網(wǎng)公司特高壓建設(shè)部，北京市，100031）

0 引言

在直流輸電系統(tǒng)接地極線路工程中，導(dǎo)線投資一般約占整個工程投資的30%，而且導(dǎo)線型式直接關(guān)系到鐵塔和塔基設(shè)計，很大程度上決定了線路工程的建設(shè)投資。由于特高壓直流工程接地極線路運(yùn)行電流大、電壓低且運(yùn)行時間短，在導(dǎo)線選型原則上與一般直流輸電線路有較大差別。

向家壩—上海±800 kV特高壓直流輸電示范工程（以下簡稱向上工程）是我國首個接地極線路額定電流達(dá)到4 kA的直流工程。在接地極線路初步設(shè)計中，最初建議方案是采用普通鋼芯鋁絞線；在優(yōu)化設(shè)計過程中，提出并研究了采用鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性。采用鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線，可以滿足特高壓直流工程接地極線路的運(yùn)行要求，并可大幅降低接地極線路工程的投資。這些研究成果對今后直流工程接地極線路導(dǎo)線選型具有重要的參考意義。

本文首先介紹了向上工程接地極線路導(dǎo)線選型的過程，分析了鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線用于接地極線路的技術(shù)可行性和優(yōu)越性，計算了不同型式導(dǎo)線的載流量、荷載和弧垂，比較了不同型式導(dǎo)線型式對接地極線路投資的影響，得出使用鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線能夠滿足特高壓直流工程運(yùn)行要求，能大幅降低工程造價，并且分析了接地極線路導(dǎo)線型號變化后對直流避雷器和直流高速開關(guān)等換流站中性母線設(shè)備的影響和解決措施。

1 接地極導(dǎo)線選型

1.1 接地極導(dǎo)線選型要求

輸電線路導(dǎo)線選型一般首先根據(jù)系統(tǒng)要求的載流量和外界條件給出備選導(dǎo)線型號。導(dǎo)線的截面根據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度進(jìn)行選擇，同時還應(yīng)進(jìn)行線路電暈特性參數(shù)校核，電暈特性參數(shù)包括電暈損失、無線電干擾、電視干擾、電場效應(yīng)和可聽噪聲等環(huán)境影響參數(shù)；導(dǎo)線的分裂結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)線的電暈特性和其對導(dǎo)線本身機(jī)械特性、金具及桿塔的影響來確定；然后，計算備選導(dǎo)線型號的荷載、弧垂，從而得到鐵塔設(shè)計參數(shù)；最后，綜合考慮導(dǎo)線成本、鐵塔成本等方面的因素，比較分析備選導(dǎo)線技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，從而選出技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案。

與直流輸電線路不同，直流工程接地極線路具有以下特點(diǎn)：

（1）運(yùn)行電壓低。接地極線路電壓只是入地電流在導(dǎo)線電阻及接地極電阻上引起的壓降，而且接地極線路一般長度較短，電阻小，因而接地極線路運(yùn)行電壓也小。

（2）單極運(yùn)行時間短。接地極只是在工程初期，以及雙極投運(yùn)后某極發(fā)生故障或檢修時才投入單極運(yùn)行。由于特高壓直流工程采用雙極且每極2個換流器串聯(lián)接線方式，運(yùn)行方式更加靈活，單極運(yùn)行時間更短。在雙極對稱運(yùn)行等多數(shù)情況下，接地極及線路僅起鉗制中性點(diǎn)電位作用，流過接地極線路的電流很小，據(jù)分析計算，向上工程最大不平衡電流不超過40A。

（3）電磁環(huán)境問題不用考慮。由于一般直流工程接地極線路利用率低，工作電壓低，因此不須考慮電暈引起的能量損耗、無線電干擾、可聽噪聲等問題。

綜合考慮運(yùn)行要求和節(jié)省投資，接地極線路導(dǎo)線的截面選擇可不按常用的經(jīng)濟(jì)電流密度來設(shè)計，不須校驗(yàn)電暈條件，也不必將電能損耗作為選擇導(dǎo)線的控制條件，只須按線路可能出現(xiàn)的最嚴(yán)重運(yùn)行方式來校驗(yàn)熱穩(wěn)定條件，這樣選擇的導(dǎo)線既滿足直流工程技術(shù)要求，又可節(jié)約投資。

由于接地極線路導(dǎo)線為一極導(dǎo)線，各子導(dǎo)線等電位，在工程設(shè)計中，為簡化鐵塔受力、減小鐵塔重量，一般按對稱布置設(shè)計，即將子導(dǎo)線分為2組對稱布置在鐵塔的兩側(cè)。另外，接地極線路導(dǎo)線組合宜選擇總截面較小、分裂數(shù)少、便于對稱布置、可靠性高的組合方式。

1.2 技術(shù)分析

向上工程接地極工程包括共樂（復(fù)龍換流站）接地極和廊下（奉賢換流站）接地極，其中，共樂接地極的線路長度為85 km，廊下接地極的線路工程長度為94 km。共樂接地極和廊下接地極線路的外界條件和系統(tǒng)參數(shù)基本一致，有關(guān)要求如下。

環(huán)境溫度：按照40℃考慮；覆冰厚度：按照10 mm考慮；導(dǎo)線最高允許溫度：鋼芯鋁絞線為80℃，鋼芯耐熱鋁合金絞線為110～120℃；

載流量：向上工程額定電流為4 kA，長期過負(fù)荷時電流為4.497 kA，2 h過負(fù)荷電流為4.614 kA，3 s過負(fù)荷電流為4.970 kA。錦屏—蘇南±800 kV特高壓直流輸電工程（以下簡稱“錦蘇工程”），額定電流為4.500 kA，長期過負(fù)荷電流為4.760 kA，2 h過負(fù)荷電流為4.970 kA。

表1給出了幾種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)方案在最高環(huán)境溫度為40℃的載流量情況。根據(jù)表1可以得出，如果按照每組 2 分裂、2 組對稱形式，630 mm2、720 mm2截面導(dǎo)線難以滿足錦蘇工程2 h過負(fù)荷電流的熱穩(wěn)定載流量要求，而900 mm2截面導(dǎo)線載流量裕度太小。因此以上幾種導(dǎo)線均需要2組且每組3分裂方式，由于缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和配套金具，不宜選用，而且對于大截面導(dǎo)線這種組合方式經(jīng)濟(jì)性也較差。2×4×400 mm2兩種組合方式總截面較小，但是能滿足載流量要求，另外采用每組4根導(dǎo)線也方便設(shè)計和施工，因此初步方案優(yōu)先推薦2×4×LGJ-400/35普通鋼芯鋁合金導(dǎo)線方案。

表1 環(huán)境溫度為40℃時不同導(dǎo)線載流量Tab.1 Carrying capacity of different conductor at environmental temperature 40℃

2×2×NRLH60G1A-500/45耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線方案與2×4×LGJ-400/35普通鋼芯鋁合金導(dǎo)線方案相比，其截面更小，分裂數(shù)少，導(dǎo)線重量輕約44%，鐵塔荷載?。ㄒ姳?），張力小，但是導(dǎo)線弧垂較大（見表3）。綜合考慮各方面因素，采用2×2×NRLH60G1A-500/45耐熱鋼芯鋁合金導(dǎo)線方案，可以在較小的導(dǎo)線截面下，實(shí)現(xiàn)較大的傳輸電流，能大幅降低導(dǎo)線和鐵塔的投資。同時，由于是接地極線路，可不考慮耐熱鋁合金導(dǎo)線的線損相對較大的影響，不足之處是耐熱鋁合金導(dǎo)線運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少。根據(jù)分析，接地極線路在額定電流條件下的等效運(yùn)行時間平均每年不到237 h，運(yùn)行時間很短，因此，耐熱鋁合金導(dǎo)線相比普通鋼芯鋁合金導(dǎo)線更適合用于接地極線路。

表2 桿塔外載荷比較Tab.2 Pole-tower external load comparison

表3 不同導(dǎo)線在代表檔距下弧垂Tab.3 Different conductor sag under representative spans m

耐熱鋁合金導(dǎo)線分為鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線、鋁包鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線、鋼芯高強(qiáng)度耐熱鋁合金導(dǎo)線。對于輕冰區(qū)，一般不考慮鋼芯高強(qiáng)度耐熱鋁合金導(dǎo)線。鋁包鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線載流量比鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線高，但其價格也高。在鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線滿足要求的情況下，按照技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)原則應(yīng)優(yōu)先選用，因此本文僅分析鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線。

1.3 經(jīng)濟(jì)比較

對于接地極線路，導(dǎo)線總截面減小后，導(dǎo)線使用量下降，鐵塔荷載也將降低，導(dǎo)線成本降低約4.42萬元/km，線路金具絕緣子成本降低約0.21萬元/km，鐵塔成本降低約6.15萬元/km，塔基材料成本降低約0.12萬元/km，線路投資成本降低約10.9萬元/km。采用不同導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)性比較如表4所示。

表4 采用不同導(dǎo)線形式經(jīng)濟(jì)比較Tab.4 Economic comparison with different conductor types

2 導(dǎo)線選型對直流場中性母線設(shè)備的影響

2.1 接地極導(dǎo)線電阻變化

在導(dǎo)線變化后，接地極線路電阻隨之變化（如表5所示），將有可能影響中性母線避雷器和直流高速開關(guān)的參數(shù)選擇，下面以向上工程為例進(jìn)行分析。

表5 向上工程接地極導(dǎo)線電阻變化Tab.5 Ground pole conductor resistance variation of Xiang-Shang project

2.2 對直流避雷器的影響

向上工程最大過負(fù)荷電流為4.970 kA，受端奉賢換流站原接地極線路采用2×4×LGL－400/35導(dǎo)線時，接地線回路電阻0.88 Ω，接地極本體電阻約為0.5 Ω，接地極電位為 6.8586 kV。采用 2×2×NRLH60/G1A－500/45導(dǎo)線方案時，接地線路回路電阻為1.43 Ω，接地極電位為9.5921 kV，比改造前升高2.7335 kV。

奉賢站中性母線避雷器最大運(yùn)行電壓為20 kV，因此接地極導(dǎo)線采用新方案不影響中性母線避雷器的保護(hù)性能。送端復(fù)龍換流站中性線電位取決于金屬回線運(yùn)行方式時直流輸電線路的壓降，和接地極導(dǎo)線無關(guān)，因此采用新的接地極線對送端中性母線避雷器參數(shù)沒有影響。

2.3 對直流開關(guān)設(shè)備的影響

直流系統(tǒng)的高速直流開關(guān)包括金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MRTB）、大地回路轉(zhuǎn)換開關(guān)（GRTS）、中性母線開關(guān)（NBS）和中性線接地開關(guān)（NBGS），由于接地極線路電阻的改變，會導(dǎo)致直流系統(tǒng)在金屬回線、大地回線運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換時流過MRTB和GRTS上的電流發(fā)生變化，需要對金屬開關(guān)和大地開關(guān)的轉(zhuǎn)換電流能力進(jìn)行校核。

以向上工程為例，考慮在直流系統(tǒng)2 h過負(fù)荷運(yùn)行狀況下（20℃時）進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，2 h過負(fù)荷電流為4.614 kA，在接地極線路導(dǎo)線采用2×4×LGL－400/35方案時，MRTB與GRTS上的最大轉(zhuǎn)換電流可由式1、2得出：

式中：IMRTBmax為MRTB的最大轉(zhuǎn)換電流；IGRTSmax為GRTS的最大轉(zhuǎn)換電流；Idmax為2 h過負(fù)荷電流；RPoleline(max)為接地極導(dǎo)線最大電阻；RElectrodeline1(min)為接地極線路電阻；RElectrodeline2(min)為接地極線路電阻。

由式（1）、（2） 可以得出不同接地極導(dǎo)線下MRTB和GRTS上的最大轉(zhuǎn)換電流以及設(shè)備技術(shù)規(guī)范中的容許最大電流，如表6所示。

表6 中性母線開關(guān)設(shè)備最大容許電流Tab.6 Maximum allowable current of neutral bus switches kA

由表6可以看出，導(dǎo)線變更后，流過MRTB的電流減小了，低于技術(shù)規(guī)范要求，對設(shè)備無影響。對于GRTS來說，接地極線路導(dǎo)線的變更導(dǎo)致了接地極線路電阻變大，當(dāng)由金屬回路轉(zhuǎn)換到大地回路運(yùn)行時，流過GRTS上的最大轉(zhuǎn)換電流變大，由1.114 kA增大為1.342 kA。現(xiàn)在導(dǎo)線變更后GRTS的最大轉(zhuǎn)換電流為1.342 kA，高于設(shè)備技術(shù)規(guī)范書中的技術(shù)參數(shù)1.200 kA，GRTS開關(guān)的最大轉(zhuǎn)換電流能力將不能滿足新的電流轉(zhuǎn)換能力要求。

因此，在GRTS設(shè)備不改變的情況下，要滿足技術(shù)規(guī)范書中的要求，則需要研究新的解決方案，初步建議方案是在金屬回路轉(zhuǎn)換到大地回路運(yùn)行操作時，采用類似MRTB轉(zhuǎn)換時相似的窗口方式，即維持GRTS的最大電流能力保持1.200 kA不變，降低直流系統(tǒng)電流。對應(yīng)的直流系統(tǒng)電流Idmax可由式（2）計算出來，為4.130 kA，此時的工程輸送功率為6600 MW，而向上工程額定輸送功率為6400 MW，最大連續(xù)輸送功率為7000 MW，因此，采用新的接地極線路導(dǎo)線后能滿足工程運(yùn)行要求，對于后續(xù)工程，完全可以按照新的接地極導(dǎo)線方案校核中性母線有關(guān)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。

3 結(jié)論

向家壩—上?！?00 kV特高壓直流示范工程是我國首個接地極電流高達(dá)4 kA的直流工程，其接地極導(dǎo)線的優(yōu)化選擇對今后各種電壓等級的直流工程接地極導(dǎo)線選擇有具有重要的參考意義。鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線截面小、傳輸容量大，工程造價較普通鋼芯鋁絞線大大降低，同時由于接地極線路電壓等級低、運(yùn)行時間短，輸電損耗基本可忽略，線路運(yùn)行費(fèi)用無明顯增加。通過對接地極導(dǎo)線變化前后換流站中性母線相關(guān)設(shè)備的影響分析，得出接地極導(dǎo)線的變化對中性母線設(shè)備的影響較小，不影響工程的安全運(yùn)行。采用耐熱導(dǎo)線替代常規(guī)鋼芯鋁絞線有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，可以在今后的高壓直流工程接地極線路中推廣使用。

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