±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

（山東職業學院，山東 濟南 250104）

1 概述

雙極系統接線方式是直流輸電工程通常采用的接線方式，我國正在規劃和已投運的長距離高壓直流輸電工程，均為雙極運行方式。雙極運行方式利用正負兩極導線，與兩端換流站的正負兩極相連，構成直流側的閉合回路。兩端接地極形成的大地回路，可作為輸電系統的備用回路［1-2］，雙極直流輸電系統接線如圖1所示。

接地極系統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）作為廉價和低損耗回路。然而，隨著經濟的發展，可線路走廊資源越來越稀缺。因此，為減少對土地資源的占用，在工程應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時，一般有3種方案，如圖2所示。

圖1 雙極直流輸電系統接線

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。這種布置方式的優點是利用了直流線和接地極線對地距離的差值，差值越大，增加的塔高越小，同時還提高了直流線掛點和對地距離，減小了地面場強。

2）方案Ⅱ，接地極引線布置在直流線上方。這種布置的優點是利用了直流線與接地極線懸垂串的長度差值，差值越大，增加的塔高越小，而且由于直流導線布置在下方，鐵塔的負荷重心偏低，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附近金屬和變壓器等設施的影響才對地絕緣的，但仍是一端接地的“絕緣地線”。設計規范要求：“在雷電日大于40天的地區，接地極引線路宜架設單根避雷線”。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，是否架設地線對防雷水平變化不大，其防雷保護主要考慮保護絕緣子盡量不受損傷，架設地線是抑制雷電流幅值保護絕緣子不遭破壞的有效方式之一。如果取消普通地線，加強接地極引線的絕緣強度，同樣可以達到保護絕緣子的目的。

對3種技術方案的經濟指標和運行的影響進行對比分析，選定直流線路與接地極引線的最佳共塔架設方案，為工程設計提供依據。

2 共塔架設方案的技術論證

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，必須考慮直流導線和接地極導線的最小電氣距離要求和兩者檔距中可能出現的最小距離，并在塔頭設計時拉開直流導線掛點和接地極導線掛點的垂直距離，以保證兩者檔距中可能出現的最小距離滿足規程最小電氣距離的要求［3-4］。

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

式中：h為掛點高差，m；λz為直流導線絕緣子串長，取10.5 m；λj為接地極導線絕緣子串長， 取1.8 m；Δf為直流導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）計算不同代表檔距及實際檔距要求的最小掛點高差，如表1所示，并根據表1確定鐵塔外形尺寸，如圖3所示。

表1 掛點高差計算表 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，隨著檔距的增大，因共塔引起的塔高增加量逐步加大。經計算，對于平地，塔高增加約為3 m；對于林區，由于跨樹的需要，塔高增加約為7～9 m；對于跨越電力線等，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，也必須考慮直流導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的最小距離，并在塔頭設計時拉開直流導線掛點和接地極引線掛點的垂直距離，以保證兩者檔距中可能出現的最小距離不小于最小電氣距離要求。

同樣，按照式（1）計算了要求的掛點高差，如表2所示，根據表2確定鐵塔尺寸，如圖4所示。

表2 掛點高差計算表 m

圖4 方案Ⅱ的鐵塔外形尺寸

經計算，接地極線布置在直流線上方時，對地距離由直流線路控制，當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，導地線布置方案的選擇主要考慮 4 個因素［4-6］：

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

2）線路檔距中央導線和地線間的空間距離應按雷擊檔距中央地線時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、檔距長度及導線和地線間的耦合系數等有關。

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

4）鐵塔兩地線之間的距離不應超過導地線間垂直距離的5倍。

對于一般檔距，由于檔距長度不很大，當雷擊檔距中央地線時，在雷電流未達到最大值之前，從桿塔接地裝置反射回來的負波已達到雷擊點，因而限制了雷擊點的電位升高。根據我國大量的運行經驗，DL/T 436—2005推薦了如下經驗公式

式中：S為導線與地線間的距離，m；L為檔距，m。

按照式（1）、式（2）計算，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

經計算，接地極引線兼做地線使用時，對地距離仍由直流線路控制，但地線頭比單獨架設升高了6.0 m，即塔高增加6.0 m。

3 3種方案比較

3.1 經濟指標

相對于單獨架設，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部分的投資，而鐵塔投資約占整個工程的30%，所以共塔后的工程量估算主要是對主力直線塔進行外負荷計算，估算單基塔重及基礎，最后得出各方案的單位長度的本體造價，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濟技術指標表

由表5可知，3種方案的本體造價比較相近，方案Ⅰ稍占優勢。

3.2 運行影響

與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ和方案Ⅲ均為低電壓等級線布置在高電壓等級線上方，一旦接地極引線發生故障，如遭遇惡劣氣候跳線時斷線或掉串，將引起直流線路連鎖反應，進而導致換流站單極閉鎖，孤島運行。這將對接地極線的檢修工作提出更高的要求，作業方式和作業時間受到更嚴格的限制。

因此，方案Ⅰ技術相對成熟、對運行的影響相對較小，加之方案Ⅰ本體造價稍占優勢，因此工程設計可采用方案Ⅰ。

4 結語

針對同塔并架線路的特點，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種架設方案，通過經濟指標及對運行的影響兩個方面的對比分析，得出接地極引線布置在直流線下方為最佳方案。