±800 kV 特高壓直流線路與接地極引線同塔并架布置方案研究

竇婷婷

（山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104）

1 概述

雙極系統(tǒng)接線方式是直流輸電工程通常采用的接線方式，我國(guó)正在規(guī)劃和已投運(yùn)的長(zhǎng)距離高壓直流輸電工程，均為雙極運(yùn)行方式。雙極運(yùn)行方式利用正負(fù)兩極導(dǎo)線，與兩端換流站的正負(fù)兩極相連，構(gòu)成直流側(cè)的閉合回路。兩端接地極形成的大地回路，可作為輸電系統(tǒng)的備用回路［1-2］，雙極直流輸電系統(tǒng)接線如圖1所示。

接地極系統(tǒng)由接地極及接地極引線兩部分組成。接地極引線是把直流電流引入大地的線路，利用大地（或海水）作為廉價(jià)和低損耗回路。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，可線路走廊資源越來越稀缺。因此，為減少對(duì)土地資源的占用，在工程應(yīng)用中也不斷探索采用直流輸電線路與接地極引線同塔并架的方案［3-6］。直流線路和接地極引線共塔架設(shè)時(shí)，一般有3種方案，如圖2所示。

圖1 雙極直流輸電系統(tǒng)接線

圖2 3種同塔并架布置方案鐵塔示意

1）方案Ⅰ，接地極引線布置在直流線下方。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是利用了直流線和接地極線對(duì)地距離的差值，差值越大，增加的塔高越小，同時(shí)還提高了直流線掛點(diǎn)和對(duì)地距離，減小了地面場(chǎng)強(qiáng)。

2）方案Ⅱ，接地極引線布置在直流線上方。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是利用了直流線與接地極線懸垂串的長(zhǎng)度差值，差值越大，增加的塔高越小，而且由于直流導(dǎo)線布置在下方，鐵塔的負(fù)荷重心偏低，荷載分布合理。

3）方案Ⅲ，接地極引線兼做地線使用。由于接地極線本身就是地線，只是為避免地電流對(duì)附近金屬和變壓器等設(shè)施的影響才對(duì)地絕緣的，但仍是一端接地的“絕緣地線”。設(shè)計(jì)規(guī)范要求：“在雷電日大于40天的地區(qū)，接地極引線路宜架設(shè)單根避雷線”。接地極引線路絕緣水平低，外過電壓條件下一般絕緣間隙均被擊穿，是否架設(shè)地線對(duì)防雷水平變化不大，其防雷保護(hù)主要考慮保護(hù)絕緣子盡量不受損傷，架設(shè)地線是抑制雷電流幅值保護(hù)絕緣子不遭破壞的有效方式之一。如果取消普通地線，加強(qiáng)接地極引線的絕緣強(qiáng)度，同樣可以達(dá)到保護(hù)絕緣子的目的。

對(duì)3種技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行的影響進(jìn)行對(duì)比分析，選定直流線路與接地極引線的最佳共塔架設(shè)方案，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 共塔架設(shè)方案的技術(shù)論證

2.1 接地極線布置在直流線下方（方案Ⅰ）

接地極引線布置在直流線下方時(shí)，必須考慮直流導(dǎo)線和接地極導(dǎo)線的最小電氣距離要求和兩者檔距中可能出現(xiàn)的最小距離，并在塔頭設(shè)計(jì)時(shí)拉開直流導(dǎo)線掛點(diǎn)和接地極導(dǎo)線掛點(diǎn)的垂直距離，以保證兩者檔距中可能出現(xiàn)的最小距離滿足規(guī)程最小電氣距離的要求［3-4］。

按環(huán)境溫度20℃、直流導(dǎo)線溫度40℃、接地極導(dǎo)線溫度20℃來計(jì)算直流導(dǎo)線和接地極導(dǎo)線兩者檔距中可能出現(xiàn)的最小距離，并選擇合適的掛點(diǎn)高差，使得兩者檔距中可能出現(xiàn)的最小距離滿足規(guī)程要求的最小電氣距離，并依此確定直流導(dǎo)線與接地極線掛點(diǎn)之間的高差，計(jì)算公式［3］為

式中：h為掛點(diǎn)高差，m；λz為直流導(dǎo)線絕緣子串長(zhǎng)，取10.5 m；λj為接地極導(dǎo)線絕緣子串長(zhǎng)， 取1.8 m；Δf為直流導(dǎo)線與接地極線的弧垂差值，m；s為水平距離，取6.5 m；D為最小電氣距離要求，取13.5 m。

按照式（1）計(jì)算不同代表檔距及實(shí)際檔距要求的最小掛點(diǎn)高差，如表1所示，并根據(jù)表1確定鐵塔外形尺寸，如圖3所示。

表1 掛點(diǎn)高差計(jì)算表 m

圖3 方案Ⅰ的鐵塔外形尺寸

接地極線布置在直流線下方時(shí)，隨著檔距的增大，因共塔引起的塔高增加量逐步加大。經(jīng)計(jì)算，對(duì)于平地，塔高增加約為3 m；對(duì)于林區(qū)，由于跨樹的需要，塔高增加約為7～9 m；對(duì)于跨越電力線等，塔高增加約11 m。

2.2 接地極線布置在直流線上方（方案Ⅱ）

同樣，接地極引線布置在直流線上方時(shí)，也必須考慮直流導(dǎo)線和接地極引線的最小電氣距離要求和兩者檔距中可能出現(xiàn)的最小距離，并在塔頭設(shè)計(jì)時(shí)拉開直流導(dǎo)線掛點(diǎn)和接地極引線掛點(diǎn)的垂直距離，以保證兩者檔距中可能出現(xiàn)的最小距離不小于最小電氣距離要求。

同樣，按照式（1）計(jì)算了要求的掛點(diǎn)高差，如表2所示，根據(jù)表2確定鐵塔尺寸，如圖4所示。

表2 掛點(diǎn)高差計(jì)算表 m

圖4 方案Ⅱ的鐵塔外形尺寸

經(jīng)計(jì)算，接地極線布置在直流線上方時(shí)，對(duì)地距離由直流線路控制，當(dāng)接地極線布置在直流線和地線中間，塔高共增加約6.5 m。

2.3 接地極引線兼做地線使用（方案Ⅲ）

接地引極線兼做地線使用時(shí)，導(dǎo)地線布置方案的選擇主要考慮 4 個(gè)因素［4-6］：

1）保證直流線與接地極線兩者檔距中可能出現(xiàn)的最小距離不小于最小電氣距離要求。

2）線路檔距中央導(dǎo)線和地線間的空間距離應(yīng)按雷擊檔距中央地線時(shí)不致使二者間的空氣間隙擊穿來確定，其最小安全距離與雷電流陡度、檔距長(zhǎng)度及導(dǎo)線和地線間的耦合系數(shù)等有關(guān)。

3）架空線路設(shè)置地線，主要為了保護(hù)檔距中部的導(dǎo)線避免遭受雷電繞擊，一般規(guī)范都以塔頭保護(hù)角來衡量地線的保護(hù)效果，保護(hù)角取-5°。

4）鐵塔兩地線之間的距離不應(yīng)超過導(dǎo)地線間垂直距離的5倍。

對(duì)于一般檔距，由于檔距長(zhǎng)度不很大，當(dāng)雷擊檔距中央地線時(shí)，在雷電流未達(dá)到最大值之前，從桿塔接地裝置反射回來的負(fù)波已達(dá)到雷擊點(diǎn)，因而限制了雷擊點(diǎn)的電位升高。根據(jù)我國(guó)大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，DL/T 436—2005推薦了如下經(jīng)驗(yàn)公式

式中：S為導(dǎo)線與地線間的距離，m；L為檔距，m。

按照式（1）、式（2）計(jì)算，接地極引線兼做地線使用塔頭尺寸特征值如表3所示，并根據(jù)表3確定鐵塔外形尺寸，如圖5所示。

表3 塔頭尺寸特征值

圖5 方案Ⅲ的鐵塔外形尺寸

經(jīng)計(jì)算，接地極引線兼做地線使用時(shí)，對(duì)地距離仍由直流線路控制，但地線頭比單獨(dú)架設(shè)升高了6.0 m，即塔高增加6.0 m。

3 3種方案比較

3.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

相對(duì)于單獨(dú)架設(shè)，并架段的鐵塔主要是增加了鐵塔高度，各方案增加的塔高如表4所示。鐵塔高度的增加，必然提高鐵塔和基礎(chǔ)部分的投資，而鐵塔投資約占整個(gè)工程的30%，所以共塔后的工程量估算主要是對(duì)主力直線塔進(jìn)行外負(fù)荷計(jì)算，估算單基塔重及基礎(chǔ)，最后得出各方案的單位長(zhǎng)度的本體造價(jià)，如表5所示。

表4 各方案的塔頭高度及塔高增加量

表5 典型直線塔的單基經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)表

由表5可知，3種方案的本體造價(jià)比較相近，方案Ⅰ稍占優(yōu)勢(shì)。

3.2 運(yùn)行影響

與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ和方案Ⅲ均為低電壓等級(jí)線布置在高電壓等級(jí)線上方，一旦接地極引線發(fā)生故障，如遭遇惡劣氣候跳線時(shí)斷線或掉串，將引起直流線路連鎖反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q流站單極閉鎖，孤島運(yùn)行。這將對(duì)接地極線的檢修工作提出更高的要求，作業(yè)方式和作業(yè)時(shí)間受到更嚴(yán)格的限制。

因此，方案Ⅰ技術(shù)相對(duì)成熟、對(duì)運(yùn)行的影響相對(duì)較小，加之方案Ⅰ本體造價(jià)稍占優(yōu)勢(shì)，因此工程設(shè)計(jì)可采用方案Ⅰ。

4 結(jié)語

針對(duì)同塔并架線路的特點(diǎn)，提出了接地極線布置在直流線下方、接地極線布置在直流線上方及接地極線兼做地線使用3種架設(shè)方案，通過經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及對(duì)運(yùn)行的影響兩個(gè)方面的對(duì)比分析，得出接地極引線布置在直流線下方為最佳方案。