特高壓直流工程接地極線路導線選型及相關問題探討

郭賢珊

（國家電網公司特高壓建設部，北京市，100031）

0 引言

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

向家壩—上?！?00 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到4 kA的直流工程。在接地極線路初步設計中，最初建議方案是采用普通鋼芯鋁絞線；在優化設計過程中，提出并研究了采用鋼芯耐熱鋁合金導線的技術可行性和經濟性。采用鋼芯耐熱鋁合金導線，可以滿足特高壓直流工程接地極線路的運行要求，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線選型的過程，分析了鋼芯耐熱鋁合金導線用于接地極線路的技術可行性和優越性，計算了不同型式導線的載流量、荷載和弧垂，比較了不同型式導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線能夠滿足特高壓直流工程運行要求，能大幅降低工程造價，并且分析了接地極線路導線型號變化后對直流避雷器和直流高速開關等換流站中性母線設備的影響和解決措施。

1 接地極導線選型

1.1 接地極導線選型要求

輸電線路導線選型一般首先根據系統要求的載流量和外界條件給出備選導線型號。導線的截面根據經濟電流密度進行選擇，同時還應進行線路電暈特性參數校核，電暈特性參數包括電暈損失、無線電干擾、電視干擾、電場效應和可聽噪聲等環境影響參數；導線的分裂結構主要由導線的電暈特性和其對導線本身機械特性、金具及桿塔的影響來確定；然后，計算備選導線型號的荷載、弧垂，從而得到鐵塔設計參數；最后，綜合考慮導線成本、鐵塔成本等方面的因素，比較分析備選導線技術經濟性，從而選出技術經濟性最優的方案。

與直流輸電線路不同，直流工程接地極線路具有以下特點：

（1）運行電壓低。接地極線路電壓只是入地電流在導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，因而接地極線路運行電壓也小。

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

（3）電磁環境問題不用考慮。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。

綜合考慮運行要求和節省投資，接地極線路導線的截面選擇可不按常用的經濟電流密度來設計，不須校驗電暈條件，也不必將電能損耗作為選擇導線的控制條件，只須按線路可能出現的最嚴重運行方式來校驗熱穩定條件，這樣選擇的導線既滿足直流工程技術要求，又可節約投資。

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

1.2 技術分析

向上工程接地極工程包括共樂（復龍換流站）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參數基本一致，有關要求如下。

環境溫度：按照40℃考慮；覆冰厚度：按照10 mm考慮；導線最高允許溫度：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，長期過負荷時電流為4.497 kA，2 h過負荷電流為4.614 kA，3 s過負荷電流為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，長期過負荷電流為4.760 kA，2 h過負荷電流為4.970 kA。

表1給出了幾種導線結構方案在最高環境溫度為40℃的載流量情況。根據表1可以得出，如果按照每組 2 分裂、2 組對稱形式，630 mm2、720 mm2截面導線難以滿足錦蘇工程2 h過負荷電流的熱穩定載流量要求，而900 mm2截面導線載流量裕度太小。因此以上幾種導線均需要2組且每組3分裂方式，由于缺乏相關經驗和配套金具，不宜選用，而且對于大截面導線這種組合方式經濟性也較差。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根導線也方便設計和施工，因此初步方案優先推薦2×4×LGJ-400/35普通鋼芯鋁合金導線方案。

表1 環境溫度為40℃時不同導線載流量Tab.1 Carrying capacity of different conductor at environmental temperature 40℃

2×2×NRLH60G1A-500/45耐熱鋼芯鋁合金導線方案與2×4×LGJ-400/35普通鋼芯鋁合金導線方案相比，其截面更小，分裂數少，導線重量輕約44%，鐵塔荷載?。ㄒ姳?），張力小，但是導線弧垂較大（見表3）。綜合考慮各方面因素，采用2×2×NRLH60G1A-500/45耐熱鋼芯鋁合金導線方案，可以在較小的導線截面下，實現較大的傳輸電流，能大幅降低導線和鐵塔的投資。同時，由于是接地極線路，可不考慮耐熱鋁合金導線的線損相對較大的影響，不足之處是耐熱鋁合金導線運行經驗較少。根據分析，接地極線路在額定電流條件下的等效運行時間平均每年不到237 h，運行時間很短，因此，耐熱鋁合金導線相比普通鋼芯鋁合金導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 不同導線在代表檔距下弧垂Tab.3 Different conductor sag under representative spans m

耐熱鋁合金導線分為鋼芯耐熱鋁合金導線、鋁包鋼芯耐熱鋁合金導線、鋼芯高強度耐熱鋁合金導線。對于輕冰區，一般不考慮鋼芯高強度耐熱鋁合金導線。鋁包鋼芯耐熱鋁合金導線載流量比鋼芯耐熱鋁合金導線高，但其價格也高。在鋼芯耐熱鋁合金導線滿足要求的情況下，按照技術經濟性最優原則應優先選用，因此本文僅分析鋼芯耐熱鋁合金導線。

1.3 經濟比較

對于接地極線路，導線總截面減小后，導線使用量下降，鐵塔荷載也將降低，導線成本降低約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。采用不同導線的經濟性比較如表4所示。

表4 采用不同導線形式經濟比較Tab.4 Economic comparison with different conductor types

2 導線選型對直流場中性母線設備的影響

2.1 接地極導線電阻變化

在導線變化后，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的參數選擇，下面以向上工程為例進行分析。

表5 向上工程接地極導線電阻變化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行電壓為20 kV，因此接地極導線采用新方案不影響中性母線避雷器的保護性能。送端復龍換流站中性線電位取決于金屬回線運行方式時直流輸電線路的壓降，和接地極導線無關，因此采用新的接地極線對送端中性母線避雷器參數沒有影響。

2.3 對直流開關設備的影響

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

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

式中：IMRTBmax為MRTB的最大轉換電流；IGRTSmax為GRTS的最大轉換電流；Idmax為2 h過負荷電流；RPoleline(max)為接地極導線最大電阻；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線下MRTB和GRTS上的最大轉換電流以及設備技術規范中的容許最大電流，如表6所示。

表6 中性母線開關設備最大容許電流Tab.6 Maximum allowable current of neutral bus switches kA

由表6可以看出，導線變更后，流過MRTB的電流減小了，低于技術規范要求，對設備無影響。對于GRTS來說，接地極線路導線的變更導致了接地極線路電阻變大，當由金屬回路轉換到大地回路運行時，流過GRTS上的最大轉換電流變大，由1.114 kA增大為1.342 kA?，F在導線變更后GRTS的最大轉換電流為1.342 kA，高于設備技術規范書中的技術參數1.200 kA，GRTS開關的最大轉換電流能力將不能滿足新的電流轉換能力要求。

因此，在GRTS設備不改變的情況下，要滿足技術規范書中的要求，則需要研究新的解決方案，初步建議方案是在金屬回路轉換到大地回路運行操作時，采用類似MRTB轉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，降低直流系統電流。對應的直流系統電流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，最大連續輸送功率為7000 MW，因此，采用新的接地極線路導線后能滿足工程運行要求，對于后續工程，完全可以按照新的接地極導線方案校核中性母線有關設備的技術參數。

3 結論

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4 kA的直流工程，其接地極導線的優化選擇對今后各種電壓等級的直流工程接地極導線選擇有具有重要的參考意義。鋼芯耐熱鋁合金導線截面小、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、運行時間短，輸電損耗基本可忽略，線路運行費用無明顯增加。通過對接地極導線變化前后換流站中性母線相關設備的影響分析，得出接地極導線的變化對中性母線設備的影響較小，不影響工程的安全運行。采用耐熱導線替代常規鋼芯鋁絞線有較好的技術經濟優勢，可以在今后的高壓直流工程接地極線路中推廣使用。

[1]蒲利春.耐熱鋁合金和超導輸電技術[J].攀枝花學院學報，2004，21(1)∶75-77.

[2]水利電力部東北電力設計院.高壓送電線路設計手冊[M].長春∶吉林人民出版社，1975.

[3]尤傳永.耐熱鋁合金導線的耐熱機理及其在輸電線路中的應用[J].電線電纜，2004(4)∶3-8.

[4]劉振亞.特高壓直流輸電技術研究成果專輯(2008年)[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5]Ichiro Oogi.Conductor for Overhead Transmission Lines in Japan[Conductors-OPGW][C].CIGRE SC22，1997.

[6]岳保良.耐熱導線在線路增容中的應用[R].深圳供電規劃設計院，2001.

[7]西南電力設計院，中南電力設計院.向家壩-上海特高壓直流輸電示范工程復龍±800 kV換流站初步設計（第5卷）：接地極線路說明書及圖紙[R].2008.

[8]中南電力設計院，西南電力設計院.錦屏-蘇南特高壓直流輸電工程裕隆±800 kV換流站初步設計（第5卷）：接地極線路說明書及圖紙[R].2009.

[9]尤傳永.耐熱鋁合金導線的耐熱機理及其在輸電線路中的應用[J].電力建設，2003，24(8)∶4-8.

[10]尤傳永.架空輸電線路鋼芯軟鋁絞線的應用研究[J].電力建設，2006，27(5)∶1-4，30.