直流接地極線路與同塔或同走廊架設(shè)交流輸電線路相互影響

陳秀娟，夏潮，張翠霞，朱海宇，馬振國(guó)

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192; 2. 國(guó)網(wǎng)常州供電公司，江蘇省常州市 213004)

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直流接地極線路與同塔或同走廊架設(shè)交流輸電線路相互影響

陳秀娟1，夏潮1，張翠霞1，朱海宇2，馬振國(guó)2

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192; 2. 國(guó)網(wǎng)常州供電公司，江蘇省常州市 213004)

為節(jié)省線路走廊占地，直流接地極線路會(huì)部分與站外交流電源線路同塔共架或同走廊架設(shè)，2種架設(shè)方式均存在交流線路和直流接地極線路相互影響的問(wèn)題。采用電磁暫態(tài)計(jì)算程序，對(duì)接地極線路與35 kV交流線路同塔共架和接地極線路與330 kV交流線路同走廊架設(shè)條件下，交流線路和直流接地極線路的相互影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明：直流接地極線路與35 kV交流線路同桿共架時(shí)，35 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小，最高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小于2 kV，對(duì)直流系統(tǒng)不會(huì)造成影響；直流接地極線路在35 kV交流系統(tǒng)上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)小于35 kV交流設(shè)備的絕緣水平，對(duì)35 kV交流系統(tǒng)的安全運(yùn)行不會(huì)造成危害。直流接地極線路與330 kV交流線路同走廊架設(shè)時(shí)，330 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的最高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不大于18 kV，對(duì)直流接地極線路的安全運(yùn)行不會(huì)造成危害。研究結(jié)果對(duì)保障交流線路和直流接地極線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

接地極線路；交流輸電線路；同塔共架；線路走廊；電磁暫態(tài)計(jì)算程序

0 引 言

為解決我國(guó)能源資源分布和用電負(fù)荷分布的嚴(yán)重不平衡問(wèn)題，更好地實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化合理配置，實(shí)現(xiàn)東部和西部的雙贏發(fā)展，我國(guó)啟動(dòng)“西電東送”工程，把貴州、云南、廣西、內(nèi)蒙古等西部省區(qū)的電力資源輸送到電力緊缺的珠江三角洲、滬寧杭和京津唐工業(yè)基地。特高壓直流輸電擁有可用于遠(yuǎn)距離、大容量輸電等優(yōu)點(diǎn)，是“西電東送”工程的最佳輸電方式之一。

建設(shè)靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程，將寧東地區(qū)煤電資源送往浙江負(fù)荷中心地區(qū)，是落實(shí)西部大開發(fā)戰(zhàn)略，將西部煤炭資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的具體體現(xiàn)；符合國(guó)家電網(wǎng)“一特四大”的戰(zhàn)略規(guī)劃，是合理利用輸電走廊，節(jié)約投資，走可持續(xù)發(fā)展路線的體現(xiàn)；是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的一項(xiàng)戰(zhàn)略性舉措[1]。

直流接地極是高壓直流輸電工程中的重要設(shè)施，它在單極大地返回運(yùn)行方式和雙極運(yùn)行方式中分別擔(dān)負(fù)著導(dǎo)引入地電流和不平衡電流的重任。在正常雙極運(yùn)行時(shí)還起著牽制換流閥中性點(diǎn)電位的作用，保護(hù)換流閥的安全。因此，接地極的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)直流系統(tǒng)非常重要[2-8]。

靈州換流站—平?jīng)雠_(tái)接地極線路位于靈武市和鹽池縣境內(nèi)，沿線地形以平丘為主。接地極線路從靈州換流站出線接至平?jīng)雠_(tái)極址，線路總長(zhǎng)度約42.5 km。

隨著輸電走廊用地的日益緊張，部分接地極線路可能采用與交流站外電源線路同塔共架或同走廊架設(shè)的方式。在靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程中，從靈州換流站出線接至平?jīng)雠_(tái)極址間的接地極線路，部分采用與35 kV交流站外電源線路同桿共架的方式，部分接地極線路采用與330 kV交流站外電源線路同走廊架設(shè)的方式。不論是與35 kV線路同桿共架，還是與330 kV線路同走廊架設(shè)，都存在交流線路和直流接地極線路相互影響的問(wèn)題，必須對(duì)此進(jìn)行深入研究[9]。

本文運(yùn)用電磁暫態(tài)計(jì)算程序ATP-EMTP，對(duì)直流接地極線路與35 kV交流線路同塔共架時(shí)的相互影響，及其與330 kV交流線路同走廊架設(shè)時(shí)的相互影響均進(jìn)行仿真計(jì)算研究；計(jì)算出嚴(yán)重工況下的最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；對(duì)交流線路和直流接地極線路的運(yùn)行安全進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果對(duì)保障交流線路和直流接地極線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 直流接地極線路與交流線路同塔共架相互影響

1.1 研究條件

靈州換流站的接地極線路位于靈武市和鹽池縣境內(nèi)，從靈州換流站出線接至平?jīng)雠_(tái)極址，接地極線路總長(zhǎng)度約43 km。其中部分接地極線路采用與35 kV交流站外電源線路同塔共架的方式，圖1所示為一種代表性的設(shè)計(jì)方案。即靈州換流站出站至2.2 km段為接地極線路單回架設(shè)方式；從出站的 2.2 km至28.5 km段共有26.3 km為極線路與35 kV交流線路同塔共架的方式；然后又轉(zhuǎn)成接地極線路單回架設(shè)方式為14.5 km；35 kV交流線路再經(jīng)1.0 km的單回線路接入銀馬變電站。

圖1 接地極線路與35 kV線路同塔共架的代表性方案

1.2 35 kV交流線路對(duì)直流接地極線路的影響

1.2.1 定性分析

35 kV交流線路對(duì)直流接地極線路的影響包括2部分：(1)35 kV交流電壓在直流接地極線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。由于接地極線路的末端直接接入接地極電阻，使感應(yīng)電壓產(chǎn)生的電荷通過(guò)地極線電阻釋放，可以不考慮35 kV交流電壓在直流接地極線路產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。(2)35 kV交流線路的電流在直流接地極線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)大會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。

1.2.2 定量計(jì)算條件

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與同桿架設(shè)的長(zhǎng)度、電流幅值

和頻率有關(guān)。仿真計(jì)算中同塔共架線路的長(zhǎng)度取26.3 km，電流幅值考慮了正常運(yùn)行的額定工作電流610 A和發(fā)生兩相短路時(shí)的兩相短路電流7.41 kA。

1.2.3 直線塔定量計(jì)算結(jié)果

(1)AC正常運(yùn)行時(shí)，在DC接地極線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值約為138 V，從靈州換流站到接地極沿線各點(diǎn)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值分別為2、15、138、89、80、1 V，在同塔段感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，最大值為138 V，約為0.14 kV，波形如圖2所示，不會(huì)對(duì)±800 kV系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。

圖2 AC正常運(yùn)行時(shí)在DC接地極線路上產(chǎn)生的 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

(2)AC兩相短路時(shí)，在DC接地極線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值波形的變化趨勢(shì)如圖3(a)所示，從靈州換流站到接地極沿線各點(diǎn)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值分別為23，52，1 168，1 163，200，24 V，在同塔段感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，最大值為1 168 V，約為1.17 kV，不會(huì)對(duì)±800 kV系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。另外，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大點(diǎn)處，2根接地極線上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形如圖3(b)所示，2根接地極線路上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不同，一個(gè)大，一個(gè)小，這是由空間位置的不同造成的。

1.2.4 耐張塔定量計(jì)算結(jié)果

(1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值約為0.19 kV，大于直線塔同種工況下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)槟蛷埶?5 kV的AC線路與DC接地極線路之間的距離比直線塔小，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)更大，但仍然不會(huì)對(duì)±800 kV系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。

(2)AC兩相短路時(shí)，在DC接地極線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值約為1.56 kV。原因同上，該感應(yīng)電壓值不會(huì)對(duì)±800 kV系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。

圖3 AC二相短路時(shí)在DC接地極線路上產(chǎn)生的 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

1.2.5 定量計(jì)算結(jié)果分析

上述情況下總的計(jì)算結(jié)果見表1。由表1的仿真計(jì)算結(jié)果可知，35 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小，最高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小于2 kV。

表1 交流在直流接地極線路上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

Table 1 Induced voltage on DC grounding electrode line caused by AC transmission line

1.3 直流接地極線路對(duì)35 kV交流線路的影響

對(duì)于直流接地極線路，正常運(yùn)行時(shí)的電壓和電流為直流，在35 kV交流線路上不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；而靜電感應(yīng)電壓也因直流電壓幅值很低，可以忽略不計(jì)。因此直流接地極線路對(duì)35 kV交流系統(tǒng)的影響，只需考慮直流系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)過(guò)程時(shí)的工況。

對(duì)靈紹±800 kV直流系統(tǒng)暫態(tài)工況進(jìn)行仿真計(jì)算，運(yùn)行方式考慮單回大地運(yùn)行方式，暫態(tài)工況考慮系統(tǒng)緊急停運(yùn)和短路故障等嚴(yán)重的工況。接地極引線最大暫態(tài)電流計(jì)算值為8 963 A，波形見圖4。

圖4 接地極線路最大暫態(tài)電流波形

在仿真計(jì)算中，直流接地極線路上的暫態(tài)電流除采用了仿真計(jì)算結(jié)果外，還考慮了暫態(tài)電流幅值為10 kA和20 kA，以及頻率為100，200，500 Hz等情況。綜合計(jì)算結(jié)果見表2。DC在AC上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與相電壓疊加后的典型波形如圖5所示。

圖5 DC在AC上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與 相電壓疊加后的波形

從表2 的仿真計(jì)算結(jié)果可知，直流接地極線路在35 kV交流系統(tǒng)上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，交流系統(tǒng)每相上最大峰值為77.7 kV，變壓器中心點(diǎn)上最大峰值為41 kV。而35 kV交流設(shè)備工頻耐受電壓為80 kV(有效值)，雷電沖擊絕緣水平為180 kV?？梢姡绷鹘拥貥O線路在35 kV交流系統(tǒng)上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)小于35 kV交流設(shè)備的絕緣水平，對(duì)35 kV交流系統(tǒng)的安全運(yùn)行不會(huì)造成危害。

另外，我國(guó)已有35 kV交流輸電線路采用同塔多回共架的運(yùn)行方式，35 kV與35 kV交流線路同塔共架、35 kV與10 kV交流線路同塔共架和35 kV與110 kV交流線路同塔共架等方式，同塔共架線路長(zhǎng)度也有長(zhǎng)達(dá)20多km的，多年運(yùn)行情況良好。

表2 直流接地極線路在交流線路上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

Table 2 Induced voltage on AC transmission line caused by DC grounding electrode line

2 直流接地極線路與交流線路同走廊架設(shè)相互影響

2.1 研究條件

靈州換流站的接地極線路部分采用與330 kV交流站外電源線路同走廊架設(shè)的方式。同走廊距換流站的距離為6 km，同走廊長(zhǎng)度為17 km，330 kV與接地極線路的距離為50 m。

2.2 330 kV交流線路對(duì)直流接地極線路的影響

330 kV交流線路對(duì)直流接地極線路的影響包括2部分：

(1)330 kV交流電壓在直流接地極線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但由于接地極線路的末端直接接入接地極電阻，使感應(yīng)電壓產(chǎn)生的電荷通過(guò)地極線電阻釋放，因此，可以不考慮330 kV交流電壓在直流接地極線路產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。

(2)330 kV交流線路的電流在直流接地極線路上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)大會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與同走廊架設(shè)的長(zhǎng)度、電流幅值有關(guān)。仿真計(jì)算中同走廊架設(shè)線路的長(zhǎng)度取17 km，電流幅值考慮了正常運(yùn)行的額定工作電流690 A、發(fā)生單相短路時(shí)的短路電流29.92 kA、發(fā)生三相短路時(shí)的三相短路電流63 kA。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 交流在直流接地極線路上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

Table 3 Induced voltage on DC grounding electrode line caused by AC transmission line

從表3 的仿真計(jì)算結(jié)果可知，330 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的最高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不大于18 kV，發(fā)生在兩相短路時(shí)的暫態(tài)過(guò)程中。

3 結(jié) 論

(1)直流接地極線路與35 kV交流線路同桿共架布置時(shí)，35 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小，最高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小于2 kV，對(duì)直流系統(tǒng)不會(huì)造成影響；直流接地極線路在35 kV交流系統(tǒng)上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)小于35 kV交流設(shè)備的絕緣水平，對(duì)35 kV交流系統(tǒng)的安全運(yùn)行不會(huì)造成危害；我國(guó)已有多條35 kV交流輸電線路同塔多回共架的線路，運(yùn)行情況良好。

(2)直流接地極線路與330 kV交流線路同走廊架設(shè)時(shí)，330 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的最高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不大于18 kV，對(duì)直流接地極線路的安全運(yùn)行不會(huì)造成危害。

[2]GB/T 311.3—2007絕緣配合第3部分：高壓直流換流站絕緣配合程序[S].

[3]Q/GDW 144—2006800 kV特高壓直流換流站過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合導(dǎo)則[S].

[4]張翠霞，陳秀娟，葛棟，等.1 000 kV級(jí)直流輸電工程系統(tǒng)過(guò)電壓抑制和絕緣配合[J].高電壓技術(shù)，2013，39(3)：520-525. Zhang Cuixia，Chen Xiujuan，Ge Dong，et al.Overvoltage mitigation and insulation coordination of1 000 kV and above DC transmission project[J].High Voltage Engineering，2013，39(3)：520-525.

[5]鄭揚(yáng)亮，冉學(xué)彬，劉更生. 直流輸電接地極線路招弧角有關(guān)問(wèn)題的分析[J]. 高電壓技術(shù)，2008，34(7)：1513-1516. Zheng Yangliang, Ran Xuebin, Liu Gengsheng. Analysis on arc angle of HVDC grounding electrode line[J]. High Voltage Engineering, 2008, 34(7): 1513-1516.

[6]肖遙，牛保紅，尚春，等. 一種快速切除HVDC輸電系統(tǒng)接地極線路接地故障的方案[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(18)：107-109. Xiao Yao, Niu Baohong, Shang Chun, et al. A proposal for fast tripping grounding electrode line fault of HVDC[J]. Automation of Electric Power System，2009，33(18)：107-109.

[7]王彩芝，姜映輝，王俊江，等. 基于PSCAD/EMTDC的HVDC接地極線路故障仿真[J]. 中國(guó)電力，2014，47(2)：69-72. Wang Caizhi, Jiang Yinghui, Wang Junjiang, et al. PSCAD/EMTDC-based simulation research on HVDC grounding line fault[J]. Electric Power，2014，47(2)：69-72.

[8]楊光，朱韜析，魏麗君，等.直流輸電系統(tǒng)接地極線路故障研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(21)：45-49. Yang Guang, Zhu Taoxi, Wei Lijun, et al. Research on the faults of electrode line of HVDC transmission system in monopolar ground return operation[J]. Electric Power System Protection and Control，2009，37(21)：45-49.

[9]陳秀娟.接地極線路與站用電線路共桿設(shè)計(jì)可行性研究[R].北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2014.

(編輯：張媛媛)

Mutual Influence Research of DC Grounding Electrode Line and AC Transmission Line on Same Tower or Corridor

CHEN Xiujuan1, XIA Chao1, ZHANG Cuixia1,ZHU Haiyu2, MA Zhenguo2

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. State Grid Changzhou Power Supply Company, Changzhou 213004, Jiangsu Province, China)

To save the land occupation of line corridor, parts of DC grounding electrode lines may be set up with AC external power lines on the same tower or corridor. These two layouts both have the mutual influence problems of AC lines and DC grounding electrode lines. By using electromagnetic transient program (EMTP), the mutual influences of AC transmission lines and DC grounding electrode lines were studied on the condition that grounding electrode lines were set up with 35 kV AC transmission lines on same tower or with 330 kV AC transmission lines on same corridor. The results show that: when DC grounding electrode lines are set up with 35 kV AC transmission lines on same tower, the induced electromotive force caused by 35 kV AC lines on DC grounding electrode lines is little, its maximum value is less than 2 kV, which will not affect the DC system; the induced electromotive force caused by DC grounding electrode lines on 35 kV AC system is far less than the insulation level of 35 kV AC equipments, which will not cause harm to the safe operation of 35 kV AC system; when DC grounding electrode lines are set up with 330 kV AC transmission lines on same corridor, the maximum induced electromotive force caused by 330 kV AC line on DC grounding electrode lines is not more than 18 kV, which will not cause harm to the safe operation of DC grounding electrode lines. The research result has great significance for ensuring the safe and stable operation of AC lines and DC grounding electrode lines.

grounding electrode line; AC transmission line; on same tower; line corridor; electromagnetic transient program (EMTP)

TM 86

A

1000-7229(2015)09-0083-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.014

2015-06-18

2015-08-03

陳秀娟(1975)，女，博士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)防雷、過(guò)電壓與絕緣配合、避雷器方面的研究工作；

夏潮(1974)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面的研究工作；

張翠霞(1959)，女，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)防雷，過(guò)電壓與絕緣配合，避雷器方面的研究工作；

朱海宇(1975)，女，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)計(jì)劃管理方面的工作；

馬振國(guó)(1975)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)維方面的工作。