特高壓交直流線(xiàn)路同塔架設(shè)對(duì)交流線(xiàn)路電磁暫態(tài)特性的影響

孫 栩，董 鵬，朱藝穎，蔣衛(wèi)平

（中國(guó)電力科學(xué)研究院系統(tǒng)所，北京 100192）

0 引言

國(guó)家電網(wǎng)公司正在大力推進(jìn)特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，計(jì)劃建設(shè)多條特高壓直流輸電線(xiàn)路，其中多條直流輸電線(xiàn)路面臨輸電走廊緊張的局面，必須與超高壓交流輸電線(xiàn)路同塔建設(shè)。針對(duì)多回交流同塔架設(shè)的感應(yīng)電壓與感應(yīng)電流[1-3]、潛供電流與恢復(fù)電壓?jiǎn)栴}[4-6]，已經(jīng)有比較多的研究成果，但是交直流線(xiàn)路同塔架設(shè)，會(huì)面臨較為特殊的問(wèn)題，本文僅對(duì)其中的交流線(xiàn)路感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流以及潛供電流、恢復(fù)電壓，進(jìn)行較為全面的研究，并給出了最終的研究結(jié)果以及相應(yīng)的建議。

1 特高壓直流與超高壓交流線(xiàn)路同塔架設(shè)的仿真模型

1.1 直流系統(tǒng)參數(shù)

整流站和逆變站均采用雙極、每極雙12脈動(dòng)換流器串聯(lián)接線(xiàn)方式，采用增容后工況。額定容量為7600 MW；直流線(xiàn)路長(zhǎng)度為2000 km；直流額定電壓為±800kV；平波電抗器為240mH（極線(xiàn)2×60mH，中性線(xiàn)2×60 mH）；送端接地極電阻為0.217 Ω，受端接地極電阻為0.026 Ω；換流變壓器漏抗為19%。

1.2 交流系統(tǒng)參數(shù)

500 kV交流系統(tǒng)短路電流為63 kA，連續(xù)運(yùn)行電壓范圍為500～550 kV；220 kV交流系統(tǒng)短路電流為40 kA，連續(xù)運(yùn)行電壓范圍為220～252 kV。雙回500 kV交流線(xiàn)路輸送容量為3600 MW，雙回220 kV交流線(xiàn)路輸送容量為1000 MW。

1.3 交直流線(xiàn)路參數(shù)及接線(xiàn)方式

1.3.1 直流非同塔部分的線(xiàn)路參數(shù)

非同塔部分直流線(xiàn)路長(zhǎng)度為1900 km，直流線(xiàn)路采用 6×LGJ-900/40導(dǎo)線(xiàn)，弧垂18 m；接地極線(xiàn)路采用4×LGJ-500/35導(dǎo)線(xiàn)，弧垂10 m；架空地線(xiàn)采用GJ-80導(dǎo)線(xiàn)，弧垂10 m。本文中大地電阻率均為100 Ω·m，直流線(xiàn)路、交流線(xiàn)路和接地極線(xiàn)路均采用頻率相關(guān)模型。

1.3.2 交流非同塔部分的線(xiàn)路參數(shù)

500 kV交流線(xiàn)路非同塔部分長(zhǎng)度為40 km，采用4×LGJ-630/45導(dǎo)線(xiàn)，弧垂14.6 m；架空地線(xiàn)采用GJ-80導(dǎo)線(xiàn)，弧垂10.7 m；220 kV交流線(xiàn)路非同塔部分長(zhǎng)度為40 km，采用2×LGJ-630/45導(dǎo)線(xiàn)，弧垂18 m；架空地線(xiàn)采用GJ-80導(dǎo)線(xiàn)，弧垂15 m。

1.3.3 交直流同塔部分的線(xiàn)路參數(shù)

交直流線(xiàn)路同塔部分長(zhǎng)度為100km，雙回500kV交流線(xiàn)路與單回±800 kV直流線(xiàn)路同塔（V串夾角90°）的桿塔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1：直流線(xiàn)路采用 6×JL/G3A-900/75導(dǎo)線(xiàn)，弧垂18m；交流線(xiàn)路采用4×LGJ-630/45導(dǎo)線(xiàn)，弧垂18 m；架空地線(xiàn)采用GJ-80導(dǎo)線(xiàn)，弧垂15 m。雙回220 kV交流線(xiàn)路與單回±800 kV直流線(xiàn)路同塔（V串夾角90°）的桿塔結(jié)構(gòu)如圖2所示：直流線(xiàn)路采用 6×JL/G3A-900/75 導(dǎo)線(xiàn)，弧垂 18m；交流線(xiàn)路采用 2×LGJ-630/45導(dǎo)線(xiàn)，弧垂 18 m；架空地線(xiàn)采用GJ-80導(dǎo)線(xiàn)，弧垂15 m。

2 交直流線(xiàn)路同塔架設(shè)對(duì)交流線(xiàn)路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響

2.1 對(duì)500 kV交流線(xiàn)路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響

圖1 500 kV交流與±800 kV直流線(xiàn)路同塔架設(shè)桿塔結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of power transmission tower shared by 500 kV AC line and±800 kV DC line

圖2 220 kV交流與±800 kV直流線(xiàn)路同塔架設(shè)桿塔結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of power transmission tower shared by 220 kV AC line and±800 kV DC line

本文中交流雙回線(xiàn)路采用逆相序排列；交流線(xiàn)路與直流線(xiàn)路同塔架設(shè)部分采用緊湊型輸電線(xiàn)路，交流線(xiàn)路不與直流線(xiàn)路同塔架設(shè)部分采用鼓形輸電線(xiàn)路；交流雙回線(xiàn)路與特高壓直流系統(tǒng)同塔架設(shè)時(shí)，因?yàn)榧芫€(xiàn)過(guò)于復(fù)雜，研究中不考慮線(xiàn)路換位。

目前關(guān)于交流線(xiàn)路潛供電流和恢復(fù)電壓的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，有一些研究成果和近似準(zhǔn)則，但是最為權(quán)威的還是DL/T615—1997標(biāo)準(zhǔn)，本文的所有計(jì)算根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

為了進(jìn)一步說(shuō)明直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的感應(yīng)耦合情況，同時(shí)也為今后交流系統(tǒng)投入運(yùn)行和檢修提供依據(jù)，本文就交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流進(jìn)行了計(jì)算。IEC接地開(kāi)關(guān)感應(yīng)電流和電壓標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表 1，其中，Iri、Uri和 Irc、Urc分別為額定感性電流、電壓和額定容性電流、電壓。

表1 IEC接地開(kāi)關(guān)感應(yīng)電流和電壓標(biāo)準(zhǔn)值Tab.1 Induced current and standard voltage of earthing switch，stipulated by IEC

交流線(xiàn)路雙回停運(yùn)時(shí)，運(yùn)行中的直流系統(tǒng)對(duì)雙回交流系統(tǒng)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流（以雙回線(xiàn)路中嚴(yán)重者為例）如表2、3所示。

表2 交流線(xiàn)路雙回停運(yùn)時(shí)的感應(yīng)電壓Tab.2 Induced voltage during dual-loop outageof AC transmission line

表3 交流線(xiàn)路雙回停運(yùn)時(shí)的感應(yīng)電流Tab.3 Induced current during dual-loop outage of AC transmission line

從表2、3中可以看出，特高壓直流線(xiàn)路對(duì)500 kV交流線(xiàn)路有一定的感應(yīng)作用，電磁感應(yīng)電流最大達(dá)到150.9 A，靜電感應(yīng)電壓最大達(dá)到60 kV左右，超過(guò)了B類(lèi)接地開(kāi)關(guān)的要求。此時(shí)其線(xiàn)路首端和末端電磁感應(yīng)電流和靜電感應(yīng)電壓的波形如圖3所示。

從圖3中可以看出，首端和末端電磁感應(yīng)電流和靜電感應(yīng)電壓均為直流電流或電壓，即如果直流系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，交流線(xiàn)路投入運(yùn)行或退出到檢修狀態(tài)，交流線(xiàn)路的接地開(kāi)關(guān)將開(kāi)合直流線(xiàn)路耦合過(guò)來(lái)的直流電流或者電流沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)，這和僅雙回交流線(xiàn)路同塔架設(shè)有所不同。因此需要考慮交流線(xiàn)路接地刀閘開(kāi)斷直流或沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)的正弦電流的能力。

圖3 交流線(xiàn)路雙回停運(yùn)時(shí)，運(yùn)行中的直流系統(tǒng)對(duì)交流線(xiàn)路的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓波形Fig.3 Waveforms of voltage and current induced by operating DC line during dual-loop outage of AC transmission line

2.2 對(duì)220 kV交流線(xiàn)路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，以最嚴(yán)重情況為例。交流線(xiàn)路單回運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行中的交流線(xiàn)路與直流線(xiàn)路對(duì)另一回停運(yùn)交流線(xiàn)路的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流（以雙回中嚴(yán)重者為例）如表4、5所示。

表4 交流線(xiàn)路單回停運(yùn)時(shí)的感應(yīng)電壓Tab.4 Induced voltage during mono-loop outageof AC transmission line

表5 交流線(xiàn)路單回停運(yùn)時(shí)的感應(yīng)電流Tab.5 Induced current during mono-loop outage of AC transmission line

從表4、5中可以看出，特高壓直流線(xiàn)路對(duì)220 kV交流線(xiàn)路的感應(yīng)作用比對(duì)500 kV交流線(xiàn)路更大，電磁感應(yīng)電流最大達(dá)到209.4 A，靜電感應(yīng)電壓最大達(dá)到89.8 kV。

3 交直流線(xiàn)路同塔架設(shè)對(duì)交流線(xiàn)路潛供電流和恢復(fù)電壓的影響

3.1 對(duì)500kV交流線(xiàn)路潛供電流和恢復(fù)電壓的影響

3.1.1 不架設(shè)高抗時(shí)交直流線(xiàn)路同塔架設(shè)對(duì)潛供電流和恢復(fù)電壓的影響

研究中考慮140、150、160 km 3種交流線(xiàn)路長(zhǎng)度，針對(duì)其是否與直流線(xiàn)路同塔架設(shè)分別進(jìn)行了計(jì)算（考慮極端情況，均按全線(xiàn)路同塔架設(shè)）。由于潛供電流值在交流線(xiàn)路兩端最大，研究中考慮在同塔架設(shè)段首端和末端發(fā)生單相接地故障時(shí)的潛供電流并進(jìn)行比較，結(jié)果如表6所示。

表6 不同線(xiàn)路長(zhǎng)度下不同位置發(fā)生單相接地故障的潛供電流值Tab.6 Arc current during single-phase grounding fault for different line lengths and grounding locations

從表6可以看出，如果交流線(xiàn)路不架設(shè)高抗，在不同的交直流同塔架設(shè)的長(zhǎng)度下，潛供電流的大小均相差不大。

下面以交流線(xiàn)路長(zhǎng)度為140 km（其中同塔架設(shè)100 km）為例，考慮直流是否運(yùn)行（直流傳輸功率不同，對(duì)交流的影響不同），計(jì)算交流線(xiàn)路不同位置潛供電流及恢復(fù)電壓。特高壓直流運(yùn)行時(shí)，雙回交流線(xiàn)路首末端發(fā)生單相接地時(shí)的潛供電流及恢復(fù)電壓值如表7所示。

表7 交流線(xiàn)路首末端發(fā)生單相接地時(shí)的潛供電流及恢復(fù)電壓值Tab.7 Arc current and recovery voltage during single-phase grounding fault at both ends of AC line

特高壓直流運(yùn)行時(shí)，Ⅰ回線(xiàn)路末端a相發(fā)生單相接地短路故障時(shí)潛供電流最大，其潛供電流及恢復(fù)電壓的波形如圖4所示。

通過(guò)計(jì)算對(duì)比可以看出，和僅雙回交流線(xiàn)路同塔架設(shè)相比，特高壓直流線(xiàn)路與交流線(xiàn)路同塔架設(shè)后，由于直流線(xiàn)路對(duì)交流線(xiàn)路的感應(yīng)作用，交流線(xiàn)路發(fā)生單相接地短路故障后，其潛供電流與恢復(fù)電壓僅略有增加，增加幅度分別為1.8 A和1.7 kV。

圖4 Ⅰ回交流線(xiàn)路末端發(fā)生a相接地短路故障時(shí)潛供電流及恢復(fù)電壓波形Fig.4 Arc current and recovery voltage during grounding fault of phase-a at end of AC transmission line I

3.1.2 架設(shè)高抗時(shí)交直流同塔架設(shè)對(duì)潛供電流和恢復(fù)電壓的影響

雙回交流線(xiàn)路架設(shè)高抗后，其電磁暫態(tài)過(guò)程與不架設(shè)高抗時(shí)有很大的不同，特別是和特高壓直流線(xiàn)路同塔架設(shè)時(shí)，其電磁暫態(tài)過(guò)程更為復(fù)雜，需要對(duì)其進(jìn)行較為深入的研究。本節(jié)研究的計(jì)算模型與第3.1.1節(jié)基本相同，只在每回交流線(xiàn)路末端加裝高壓并聯(lián)電抗器（按80%的補(bǔ)償度計(jì)算）。交流線(xiàn)路長(zhǎng)度仍然為140 km（交直流同塔100 km），中性點(diǎn)小電抗取800 Ω（確保潛供電流最?。拥仉娮璋凑?0 Ω考慮。

由于特高壓交直流線(xiàn)路同塔架設(shè)時(shí)，雙回交流線(xiàn)路并沒(méi)有考慮換位，如果加裝高抗，其不平衡度會(huì)更加嚴(yán)重，本文對(duì)線(xiàn)路上不同位置的潛供電流以及恢復(fù)電壓進(jìn)行了校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于直流電流在交流線(xiàn)路上產(chǎn)生的感應(yīng)，潛供電流始終不存在過(guò)零點(diǎn)，見(jiàn)圖5。

圖5 架設(shè)高抗時(shí)Ⅰ回交流線(xiàn)路首端發(fā)生a相接地短路故障時(shí)的潛供電流與恢復(fù)電壓波形Fig.5 Arc current and recovery voltage during grounding fault of phase-a at end of AC transmission line I with high-voltage shunt-reactor

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，將特高壓直流線(xiàn)路停運(yùn)（此時(shí)相當(dāng)于交直流輸電線(xiàn)路沒(méi)有同塔架設(shè)），相同故障下潛供電流與恢復(fù)電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)后是不存在直流分量的，潛供電流為6.2 A。

為了進(jìn)一步說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，將雙回交流線(xiàn)路完全停運(yùn)，只運(yùn)行特高壓直流。這時(shí)假設(shè)交流線(xiàn)路仍有某一相發(fā)生單相接地故障，即使交流系統(tǒng)兩端的斷路器已經(jīng)拉開(kāi)，但是通過(guò)直流系統(tǒng)的感應(yīng)，接地點(diǎn)仍存在電流，其波形如圖6所示。

圖6 雙回交流線(xiàn)路停運(yùn)時(shí)直流線(xiàn)路對(duì)交流線(xiàn)路的感應(yīng)波形Fig.6 Waveforms of voltage and current induced by operating DC line during dual-loop outage of AC transmission line

通過(guò)以上分析可以看出，潛供電流的直流分量是由同塔架設(shè)的直流線(xiàn)路耦合造成的。

3.1.3 相關(guān)的解決措施

在交流線(xiàn)路末端架設(shè)高抗后交直流同塔架設(shè)會(huì)造成潛供電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)，從而對(duì)潛供電流的熄滅造成影響，需要采取措施使?jié)摴╇娏鬟^(guò)零。

3.1.3.1 高抗分置

將原先同塔雙回交流線(xiàn)路末端的高抗分置在線(xiàn)路的首端和末端，那么Ⅰ回交流線(xiàn)路a相（以線(xiàn)路中點(diǎn)為例）的潛供電流波形如圖7所示。

圖7 高抗首末端分置后Ⅰ回交流線(xiàn)路a相中點(diǎn)的潛供電流波形Fig.7 Waveforms of phase-a arc current at middle of AC transmission lineIwith high-voltage shunt-reactors at both ends

研究結(jié)果表明，線(xiàn)路首端、末端的潛供電流波形與線(xiàn)路中點(diǎn)基本一致，b相和c相也基本相同。

3.1.3.2 交流線(xiàn)路全換位

本文還考慮交流線(xiàn)路進(jìn)行一次全換位的方法來(lái)減小各點(diǎn)潛供電流的直流偏置。由于復(fù)雜性的原因，交直流線(xiàn)路同塔架設(shè)部分不允許再換位。本節(jié)仍選取100 km交流線(xiàn)路同塔架設(shè)，換位方法采用逆相序反向換位。采用交流線(xiàn)路進(jìn)行一次全換位的方法以后，各點(diǎn)潛供電流直流偏置明顯減少，Ⅰ回線(xiàn)路a相首端及末端單相接地短路故障時(shí)的潛供電流及恢復(fù)電壓波形如圖8所示。

圖8 Ⅰ回交流線(xiàn)路a相潛供電流及恢復(fù)電壓Fig.8 Phase-a arc current and recovery voltage of AC transmission lineⅠ

此時(shí)，Ⅰ回線(xiàn)路a相首端潛供電流及恢復(fù)電壓分別為7.7 A和134.6 kV（有效值）；Ⅰ回線(xiàn)路a相末端潛供電流及恢復(fù)電壓分別為7.3 A和125.2 kV（有效值）。將同塔架設(shè)線(xiàn)路長(zhǎng)度降低為交流線(xiàn)路全長(zhǎng)的1/3時(shí)，Ⅰ回線(xiàn)路a相首端潛供電流及恢復(fù)電壓下降為5.6 A和99.3 kV（有效值）；Ⅰ回線(xiàn)路a相末端潛供電流及恢復(fù)電壓分別為6.9A和119.0kV（有效值），恢復(fù)電壓有所下降。研究結(jié)果表明，將交流線(xiàn)路進(jìn)行全換位后，潛供電流直流分量明顯減小，能夠有過(guò)零點(diǎn)，可以滿(mǎn)足熄弧要求。

3.2 對(duì)220 kV交流線(xiàn)路潛供電流和恢復(fù)電壓的影響

220 kV交流線(xiàn)路通常不考慮裝設(shè)線(xiàn)路高抗，計(jì)算結(jié)果表明，交直流線(xiàn)路同塔架設(shè)對(duì)220 kV不裝設(shè)高抗的交流線(xiàn)路潛供電流和恢復(fù)電壓均影響甚微。

4 結(jié)論

本文針對(duì)特高壓直流輸電線(xiàn)路與交流線(xiàn)路同塔架設(shè)時(shí)，直流線(xiàn)路對(duì)交流線(xiàn)路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響，以及對(duì)交流線(xiàn)路潛供電流和恢復(fù)電壓的影響等方面進(jìn)行了較為詳細(xì)全面的計(jì)算分析。計(jì)算分析結(jié)果表明，特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)在與其同塔架設(shè)的雙回交流線(xiàn)路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流，造成交流線(xiàn)路電壓和電流中存在直流分量，從而使其均超出了IEC接地開(kāi)關(guān)感應(yīng)電流和電壓標(biāo)準(zhǔn)值的范圍；并且當(dāng)與特高壓直流輸電線(xiàn)路同塔架設(shè)的雙回500 kV交流線(xiàn)路不換位且末端架設(shè)高抗時(shí)，會(huì)出現(xiàn)潛供電流不存在過(guò)零點(diǎn)的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致潛供電流無(wú)法正常熄弧，可以采用高抗分置或者全換位的方法加以解決。這些都對(duì)今后相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行具有較高的參考價(jià)值。