直流線路中性線回流方式研究

竇婷婷 ，陳 鵬，蘆 燈

（1.山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104；2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

我國在建和已投運(yùn)的高壓直流輸電工程，均為雙極運(yùn)行方式，雙極運(yùn)行方式的中性線回流方案一般有兩種方式。

接地極返回方式。利用接地極引線、接地極、大地作為回流導(dǎo)體，即：建設(shè)接地極及接地極引線，接地極引線聯(lián)結(jié)換流站直流電壓中性點(diǎn)和接地極，利用單極導(dǎo)線與大地構(gòu)成電流回路。接地極引線一般長數(shù)十公里，多采用架空線路。

金屬回流線返回方式。在換流站之間架設(shè)金屬回流線作為回流導(dǎo)體，即：在兩換流站之間建設(shè)架空金屬回流線，金屬回流線聯(lián)結(jié)兩端換流站電壓中性點(diǎn)，利用單極導(dǎo)線與金屬回流線構(gòu)成電流回路[1-3]。金屬回流線與直流線路的起止點(diǎn)一致，采用與直流線路同塔架設(shè)是最經(jīng)濟(jì)合理可行的方式。

按輸電距離區(qū)分，直流輸電線路可分為短距離的柔性輸電與長距離的特高壓輸電兩種。對于柔性輸電系統(tǒng)，兩端換流站相距10～1 000 km；對于長距離特高壓直流輸電系統(tǒng)，兩端換流站距離可達(dá)數(shù)千公里。因此，應(yīng)根據(jù)輸電距離選擇經(jīng)濟(jì)合理的返回方式。

無論是接地極引線還是金屬回流線，其線路電壓只是流過的電流在導(dǎo)線電阻上引起的壓降。單極運(yùn)行時(shí)間短，接地極引線或金屬回流線只是在線路投運(yùn)初期單極運(yùn)行，或者雙極投運(yùn)后某極發(fā)生故障或檢修時(shí)才投入運(yùn)行。多數(shù)情況，接地極引線或金屬回流線上流過線路電流很小，最大不平衡電流約50 A。因此，導(dǎo)線的截面選擇可不按常用的經(jīng)濟(jì)電流密度來考慮，不必校驗(yàn)電暈條件，也不必將電能損耗作為選擇導(dǎo)線的控制條件，只需按線路最嚴(yán)重的運(yùn)行方式來校驗(yàn)熱穩(wěn)定條件。這樣選擇的導(dǎo)線既節(jié)約了投資，又能滿足要求。

由于并架金屬回流線后，線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線路造價(jià)也相對較高，因此對不同長度的并架金屬回流線建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析是非常有必要的[4-5]。分析兩種返回方式的造價(jià)指標(biāo)，提出兩種方式投資的臨界點(diǎn)，為不同輸電距離的直流輸電工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 兩種返回方式的技術(shù)方案

1.1 接地極返回方式

接地極引線的導(dǎo)線截面按線路流過最大電流來校驗(yàn)熱穩(wěn)定條件，工程中可采用耐熱鋁合金導(dǎo)線，導(dǎo)線布置在鐵塔兩側(cè)，每側(cè)雙分裂。地線可采用1根鋁包鋼絞線，布置在鐵塔頂部，接地極引線鐵塔外形見圖1。

圖1 接地極引線鐵塔外形示意

接地極一般由散流（饋電）材料和活性填充材料組成，前者的作用是將電流導(dǎo)入大地，后者的主要作用是保護(hù)饋電材料，提高接地極使用壽命，改善接地極發(fā)熱特性。接地極電極一般采用同心兩圓環(huán)布置。

1.2 金屬回流線方式

直流線路和金屬回流線同塔架設(shè)時(shí)，一般將金屬回流線布置在直流線路下方。這種布置方式的好處是利用了直流線路和接地極引線對地距離的差值，差值越大，增加的塔高越小，同時(shí)還提高了直流線掛點(diǎn)和對地距離，減小了地面場強(qiáng)。同接地極引線一樣，金屬回流線按照流過的最大電流校核熱穩(wěn)定條件，可采用耐熱鋁合金絞線，金屬回流線布置在鐵塔兩側(cè)，如圖2所示。

圖2 同塔并架鐵塔示意

2 兩種返回方式的造價(jià)分析

2.1 接地極返回方式的造價(jià)

2.1.1 常規(guī)±800 kV直流線路的造價(jià)

直流架空輸電線路靜態(tài)投資一般由5部分組成：輸電線路本體投資、輔助設(shè)施工程和費(fèi)用、建設(shè)場地占用費(fèi)、基本預(yù)備費(fèi)、材料價(jià)格。其中輸電線路本體投資和材料價(jià)格兩項(xiàng)在靜態(tài)投資中占比高達(dá)85%。

參照±800 kV扎魯特—青州線路設(shè)計(jì)資料，常規(guī)±800 kV 線路采用 8×JL1／G3A-1250／70 導(dǎo)線，鐵塔為“干”字型角鋼塔，耐張串采用550 kN瓷絕緣子，懸垂串采用棒形合成絕緣子。常規(guī)±800 kV線路典型造價(jià)詳見表1。

表1 常規(guī)±800 kV線路典型造價(jià) 萬元／km

由表1可見，本體投資費(fèi)用為468.84萬元／km，占靜態(tài)投資的76.4%。

2.1.2 接地極及接地極引線的造價(jià)

以雙圓環(huán)形接地極為例，圓環(huán)外徑為250 m，內(nèi)徑為140 m，圓環(huán)埋深3 m，接地極的造價(jià)詳見表2。

表2 接地極的造價(jià) 萬元

按環(huán)境溫度40℃，導(dǎo)線溫度70℃的導(dǎo)線載流量計(jì)算，接地極引線線路采用2分裂JNRLH60G1A-630／45耐熱鋁合金絞線。鐵塔可采用導(dǎo)地線正常張力的角鋼塔和導(dǎo)地線放松張力的鋼管桿。接地極引線的造價(jià)指標(biāo)詳見表3。

表3 接地極引線典型造價(jià) 萬元／km

2.2 同塔并架金屬回流線返回方式的造價(jià)

相對于單獨(dú)架設(shè)的線路，同塔并架的線路主要增加了鐵塔和基礎(chǔ)部分的投資，而取消了接地極及接地極引線的投資。結(jié)合工程實(shí)際情況，對同塔并架方案估算單基塔重和每公里塔材指標(biāo)，參考已建直流線路初設(shè)概算，推算出同塔并架方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，指標(biāo)詳見表4。

表4 同塔并架段典型造價(jià) 萬元／km

通過比較表4及表1、表3可知：同塔并架后的本體投資指標(biāo)（508.1萬元／km），仍低于分別單獨(dú)架設(shè)時(shí)的指標(biāo)（532.8萬元／km）；同塔并架段建設(shè)場地占用費(fèi)（75.05萬元／km）低于分別單獨(dú)架設(shè)時(shí)的相應(yīng)指標(biāo)（83.01 萬元／km）。

綜合以上兩個(gè)方面，同塔并架在本體投資和建設(shè)場地占用費(fèi)上具有一定優(yōu)勢。對整個(gè)直流輸變電工程而言，還需把接地極的造價(jià)考慮在內(nèi)，根據(jù)接地極引線長度及同塔并架段的長度，分析比較兩種方案的經(jīng)濟(jì)性。

3 兩種返回方式的經(jīng)濟(jì)性比較

直流線和金屬回線同塔并架，在經(jīng)濟(jì)上主要引起本體投資的變化和線路走廊各種賠償費(fèi)用的降低。以±800 kV扎魯特—青州特高壓受端換流站接地極為例，兩端接地極的總投資約為11 682萬元，接地極引線線路單獨(dú)架設(shè)時(shí)的單公里投資約為96.39萬元／km，直流線路單獨(dú)架設(shè)時(shí)的單公里投資約為625.11萬元／km，同塔并架線路的單公里投資約為645.25萬元／km。為比較兩種返回方式的投資差異臨界點(diǎn)，計(jì)算不同接地極引線長度對應(yīng)的同塔并架線路臨界長度。計(jì)算方法為：臨界長度=（接地極總投資+接地極引線總投資）／同塔并架線路單公里投資，計(jì)算結(jié)果詳見表5。

表5 兩種方案投資的臨界點(diǎn)

由表5可知，以兩端接地極引線總長160 km為例，兩端換流站之間的線路長度小于356.6 km時(shí)，采用同塔并架金屬回流線方式具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；兩端換流站之間的線路長度大于356.6 km時(shí)，采用接地極返回方式具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

同理可得：對于短距離（小于臨界長度）的柔性直流輸電系統(tǒng)，采用全線并架金屬回線的返回方案具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；對于較長距離（大于臨界長度）的特高壓直流輸電系統(tǒng)，采用接地極返回方式具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

目前我國已有數(shù)十項(xiàng)電壓等級(jí)為±800 kV的直流輸電工程相繼投運(yùn)，如表6所示。因輸電距離均較大，因此表6所列的工程均采用接地極返回方式。

表6 國內(nèi)±800 kV直流輸電線路工程

在建張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)示范工程由4座柔性直流換流站和4條±500 kV直流架空線路組成。其中，張北—康保線路長約49.6 km，康保—豐寧線路長度205.1km，豐寧—北京線路長約186.5 km，張北—北京線路長約205.8 km。因各段線路輸電距離較小，采用同塔并架金屬回線方式。

4 結(jié)語

分別指出了±800 kV直流線路、接地極及接地極引線，以及直流線路與金屬回線同塔并架線路的造價(jià)指標(biāo)，對接地極及金屬回線兩種返回方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，找到兩種返回方式投資的臨界點(diǎn)。對于短距離（小于臨界長度）的柔性直流輸電系統(tǒng)，采用同塔并架金屬回流線返回方式具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。對于長距離（大于臨界長度）的特高壓直流輸電系統(tǒng)，采用接地極返回方式具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。