陳秀娟，夏潮，張翠霞，朱海宇，馬振國

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192; 2. 國網(wǎng)常州供電公司，江蘇省常州市 213004)

?

直流接地極線路與同塔或同走廊架設交流輸電線路相互影響

陳秀娟1，夏潮1，張翠霞1，朱海宇2，馬振國2

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192; 2. 國網(wǎng)常州供電公司，江蘇省常州市 213004)

為節(jié)省線路走廊占地，直流接地極線路會部分與站外交流電源線路同塔共架或同走廊架設，2種架設方式均存在交流線路和直流接地極線路相互影響的問題。采用電磁暫態(tài)計算程序，對接地極線路與35 kV交流線路同塔共架和接地極線路與330 kV交流線路同走廊架設條件下，交流線路和直流接地極線路的相互影響進行研究。結(jié)果表明：直流接地極線路與35 kV交流線路同桿共架時，35 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的感應電動勢很小，最高感應電動勢小于2 kV，對直流系統(tǒng)不會造成影響；直流接地極線路在35 kV交流系統(tǒng)上產(chǎn)生的感應電動勢遠小于35 kV交流設備的絕緣水平，對35 kV交流系統(tǒng)的安全運行不會造成危害。直流接地極線路與330 kV交流線路同走廊架設時，330 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的最高感應電動勢不大于18 kV，對直流接地極線路的安全運行不會造成危害。研究結(jié)果對保障交流線路和直流接地極線路的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

接地極線路；交流輸電線路；同塔共架；線路走廊；電磁暫態(tài)計算程序

0 引 言

為解決我國能源資源分布和用電負荷分布的嚴重不平衡問題，更好地實現(xiàn)資源的優(yōu)化合理配置，實現(xiàn)東部和西部的雙贏發(fā)展，我國啟動“西電東送”工程，把貴州、云南、廣西、內(nèi)蒙古等西部省區(qū)的電力資源輸送到電力緊缺的珠江三角洲、滬寧杭和京津唐工業(yè)基地。特高壓直流輸電擁有可用于遠距離、大容量輸電等優(yōu)點，是“西電東送”工程的最佳輸電方式之一。

建設靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程，將寧東地區(qū)煤電資源送往浙江負荷中心地區(qū)，是落實西部大開發(fā)戰(zhàn)略，將西部煤炭資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟優(yōu)勢的具體體現(xiàn)；符合國家電網(wǎng)“一特四大”的戰(zhàn)略規(guī)劃，是合理利用輸電走廊，節(jié)約投資，走可持續(xù)發(fā)展路線的體現(xiàn)；是落實科學發(fā)展觀的一項戰(zhàn)略性舉措[1]。

直流接地極是高壓直流輸電工程中的重要設施，它在單極大地返回運行方式和雙極運行方式中分別擔負著導引入地電流和不平衡電流的重任。在正常雙極運行時還起著牽制換流閥中性點電位的作用，保護換流閥的安全。因此，接地極的安全穩(wěn)定運行對直流系統(tǒng)非常重要[2-8]。

靈州換流站—平?jīng)雠_接地極線路位于靈武市和鹽池縣境內(nèi)，沿線地形以平丘為主。接地極線路從靈州換流站出線接至平?jīng)雠_極址，線路總長度約42.5 km。

隨著輸電走廊用地的日益緊張，部分接地極線路可能采用與交流站外電源線路同塔共架或同走廊架設的方式。在靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程中，從靈州換流站出線接至平?jīng)雠_極址間的接地極線路，部分采用與35 kV交流站外電源線路同桿共架的方式，部分接地極線路采用與330 kV交流站外電源線路同走廊架設的方式。不論是與35 kV線路同桿共架，還是與330 kV線路同走廊架設，都存在交流線路和直流接地極線路相互影響的問題，必須對此進行深入研究[9]。

本文運用電磁暫態(tài)計算程序ATP-EMTP，對直流接地極線路與35 kV交流線路同塔共架時的相互影響，及其與330 kV交流線路同走廊架設時的相互影響均進行仿真計算研究；計算出嚴重工況下的最大感應電動勢；對交流線路和直流接地極線路的運行安全進行評估。研究結(jié)果對保障交流線路和直流接地極線路的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 直流接地極線路與交流線路同塔共架相互影響

1.1 研究條件

靈州換流站的接地極線路位于靈武市和鹽池縣境內(nèi)，從靈州換流站出線接至平?jīng)雠_極址，接地極線路總長度約43 km。其中部分接地極線路采用與35 kV交流站外電源線路同塔共架的方式，圖1所示為一種代表性的設計方案。即靈州換流站出站至2.2 km段為接地極線路單回架設方式；從出站的 2.2 km至28.5 km段共有26.3 km為極線路與35 kV交流線路同塔共架的方式；然后又轉(zhuǎn)成接地極線路單回架設方式為14.5 km；35 kV交流線路再經(jīng)1.0 km的單回線路接入銀馬變電站。

圖1 接地極線路與35 kV線路同塔共架的代表性方案

1.2 35 kV交流線路對直流接地極線路的影響

1.2.1 定性分析

35 kV交流線路對直流接地極線路的影響包括2部分：(1)35 kV交流電壓在直流接地極線路上產(chǎn)生的感應電壓。由于接地極線路的末端直接接入接地極電阻，使感應電壓產(chǎn)生的電荷通過地極線電阻釋放，可以不考慮35 kV交流電壓在直流接地極線路產(chǎn)生的感應電壓。(2)35 kV交流線路的電流在直流接地極線路上產(chǎn)生的感應電動勢，感應電動勢過大會對直流系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。

1.2.2 定量計算條件

感應電動勢的大小與同桿架設的長度、電流幅值

和頻率有關(guān)。仿真計算中同塔共架線路的長度取26.3 km，電流幅值考慮了正常運行的額定工作電流610 A和發(fā)生兩相短路時的兩相短路電流7.41 kA。

1.2.3 直線塔定量計算結(jié)果

(1)AC正常運行時，在DC接地極線路上產(chǎn)生的感應電動勢的最大值約為138 V，從靈州換流站到接地極沿線各點的感應電動勢的最大值分別為2、15、138、89、80、1 V，在同塔段感應電動勢最大，最大值為138 V，約為0.14 kV，波形如圖2所示，不會對±800 kV系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生任何影響。

圖2 AC正常運行時在DC接地極線路上產(chǎn)生的 感應電動勢波形

(2)AC兩相短路時，在DC接地極線路上產(chǎn)生的感應電動勢的最大值波形的變化趨勢如圖3(a)所示，從靈州換流站到接地極沿線各點的感應電動勢的最大值分別為23，52，1 168，1 163，200，24 V，在同塔段感應電動勢最大，最大值為1 168 V，約為1.17 kV，不會對±800 kV系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生任何影響。另外，在感應電動勢最大點處，2根接地極線上的感應電動勢波形如圖3(b)所示，2根接地極線路上的感應電動勢不同，一個大，一個小，這是由空間位置的不同造成的。

1.2.4 耐張塔定量計算結(jié)果

(1)感應電動勢的最大值約為0.19 kV，大于直線塔同種工況下的感應電動勢，因為耐張塔上35 kV的AC線路與DC接地極線路之間的距離比直線塔小，所以感應電動勢更大，但仍然不會對±800 kV系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生任何影響。

(2)AC兩相短路時，在DC接地極線路上產(chǎn)生的感應電動勢的最大值約為1.56 kV。原因同上，該感應電壓值不會對±800 kV系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生任何影響。

圖3 AC二相短路時在DC接地極線路上產(chǎn)生的 感應電動勢波形

1.2.5 定量計算結(jié)果分析

上述情況下總的計算結(jié)果見表1。由表1的仿真計算結(jié)果可知，35 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的感應電動勢很小，最高感應電動勢小于2 kV。

表1 交流在直流接地極線路上產(chǎn)生感應電動勢

Table 1 Induced voltage on DC grounding electrode line caused by AC transmission line

1.3 直流接地極線路對35 kV交流線路的影響

對于直流接地極線路，正常運行時的電壓和電流為直流，在35 kV交流線路上不產(chǎn)生感應電動勢；而靜電感應電壓也因直流電壓幅值很低，可以忽略不計。因此直流接地極線路對35 kV交流系統(tǒng)的影響，只需考慮直流系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)過程時的工況。

對靈紹±800 kV直流系統(tǒng)暫態(tài)工況進行仿真計算，運行方式考慮單回大地運行方式，暫態(tài)工況考慮系統(tǒng)緊急停運和短路故障等嚴重的工況。接地極引線最大暫態(tài)電流計算值為8 963 A，波形見圖4。

圖4 接地極線路最大暫態(tài)電流波形

在仿真計算中，直流接地極線路上的暫態(tài)電流除采用了仿真計算結(jié)果外，還考慮了暫態(tài)電流幅值為10 kA和20 kA，以及頻率為100，200，500 Hz等情況。綜合計算結(jié)果見表2。DC在AC上產(chǎn)生的感應電動勢與相電壓疊加后的典型波形如圖5所示。

圖5 DC在AC上產(chǎn)生的感應電動勢與 相電壓疊加后的波形

從表2 的仿真計算結(jié)果可知，直流接地極線路在35 kV交流系統(tǒng)上產(chǎn)生的感應電動勢，交流系統(tǒng)每相上最大峰值為77.7 kV，變壓器中心點上最大峰值為41 kV。而35 kV交流設備工頻耐受電壓為80 kV(有效值)，雷電沖擊絕緣水平為180 kV?？梢?，直流接地極線路在35 kV交流系統(tǒng)上產(chǎn)生的感應電動勢遠小于35 kV交流設備的絕緣水平，對35 kV交流系統(tǒng)的安全運行不會造成危害。

另外，我國已有35 kV交流輸電線路采用同塔多回共架的運行方式，35 kV與35 kV交流線路同塔共架、35 kV與10 kV交流線路同塔共架和35 kV與110 kV交流線路同塔共架等方式，同塔共架線路長度也有長達20多km的，多年運行情況良好。

表2 直流接地極線路在交流線路上產(chǎn)生感應電動勢

Table 2 Induced voltage on AC transmission line caused by DC grounding electrode line

2 直流接地極線路與交流線路同走廊架設相互影響

2.1 研究條件

靈州換流站的接地極線路部分采用與330 kV交流站外電源線路同走廊架設的方式。同走廊距換流站的距離為6 km，同走廊長度為17 km，330 kV與接地極線路的距離為50 m。

2.2 330 kV交流線路對直流接地極線路的影響

330 kV交流線路對直流接地極線路的影響包括2部分：

(1)330 kV交流電壓在直流接地極線路上產(chǎn)生感應電壓，但由于接地極線路的末端直接接入接地極電阻，使感應電壓產(chǎn)生的電荷通過地極線電阻釋放，因此，可以不考慮330 kV交流電壓在直流接地極線路產(chǎn)生的感應電壓。

(2)330 kV交流線路的電流在直流接地極線路上產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢過大會對直流系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。

感應電動勢的大小與同走廊架設的長度、電流幅值有關(guān)。仿真計算中同走廊架設線路的長度取17 km，電流幅值考慮了正常運行的額定工作電流690 A、發(fā)生單相短路時的短路電流29.92 kA、發(fā)生三相短路時的三相短路電流63 kA。計算結(jié)果見表3。

表3 交流在直流接地極線路上產(chǎn)生感應電動勢

Table 3 Induced voltage on DC grounding electrode line caused by AC transmission line

從表3 的仿真計算結(jié)果可知，330 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的最高感應電動勢不大于18 kV，發(fā)生在兩相短路時的暫態(tài)過程中。

3 結(jié) 論

(1)直流接地極線路與35 kV交流線路同桿共架布置時，35 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的感應電動勢很小，最高感應電動勢小于2 kV，對直流系統(tǒng)不會造成影響；直流接地極線路在35 kV交流系統(tǒng)上產(chǎn)生的感應電動勢遠小于35 kV交流設備的絕緣水平，對35 kV交流系統(tǒng)的安全運行不會造成危害；我國已有多條35 kV交流輸電線路同塔多回共架的線路，運行情況良好。

(2)直流接地極線路與330 kV交流線路同走廊架設時，330 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的最高感應電動勢不大于18 kV，對直流接地極線路的安全運行不會造成危害。

[2]GB/T 311.3—2007絕緣配合第3部分：高壓直流換流站絕緣配合程序[S].

[3]Q/GDW 144—2006800 kV特高壓直流換流站過電壓保護和絕緣配合導則[S].

[4]張翠霞，陳秀娟，葛棟，等.1 000 kV級直流輸電工程系統(tǒng)過電壓抑制和絕緣配合[J].高電壓技術(shù)，2013，39(3)：520-525. Zhang Cuixia，Chen Xiujuan，Ge Dong，et al.Overvoltage mitigation and insulation coordination of1 000 kV and above DC transmission project[J].High Voltage Engineering，2013，39(3)：520-525.

[5]鄭揚亮，冉學彬，劉更生. 直流輸電接地極線路招弧角有關(guān)問題的分析[J]. 高電壓技術(shù)，2008，34(7)：1513-1516. Zheng Yangliang, Ran Xuebin, Liu Gengsheng. Analysis on arc angle of HVDC grounding electrode line[J]. High Voltage Engineering, 2008, 34(7): 1513-1516.

[6]肖遙，牛保紅，尚春，等. 一種快速切除HVDC輸電系統(tǒng)接地極線路接地故障的方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2009，33(18)：107-109. Xiao Yao, Niu Baohong, Shang Chun, et al. A proposal for fast tripping grounding electrode line fault of HVDC[J]. Automation of Electric Power System，2009，33(18)：107-109.

[7]王彩芝，姜映輝，王俊江，等. 基于PSCAD/EMTDC的HVDC接地極線路故障仿真[J]. 中國電力，2014，47(2)：69-72. Wang Caizhi, Jiang Yinghui, Wang Junjiang, et al. PSCAD/EMTDC-based simulation research on HVDC grounding line fault[J]. Electric Power，2014，47(2)：69-72.

[8]楊光，朱韜析，魏麗君，等.直流輸電系統(tǒng)接地極線路故障研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(21)：45-49. Yang Guang, Zhu Taoxi, Wei Lijun, et al. Research on the faults of electrode line of HVDC transmission system in monopolar ground return operation[J]. Electric Power System Protection and Control，2009，37(21)：45-49.

[9]陳秀娟.接地極線路與站用電線路共桿設計可行性研究[R].北京：中國電力科學研究院，2014.

(編輯：張媛媛)

Mutual Influence Research of DC Grounding Electrode Line and AC Transmission Line on Same Tower or Corridor

CHEN Xiujuan1, XIA Chao1, ZHANG Cuixia1,ZHU Haiyu2, MA Zhenguo2

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. State Grid Changzhou Power Supply Company, Changzhou 213004, Jiangsu Province, China)

To save the land occupation of line corridor, parts of DC grounding electrode lines may be set up with AC external power lines on the same tower or corridor. These two layouts both have the mutual influence problems of AC lines and DC grounding electrode lines. By using electromagnetic transient program (EMTP), the mutual influences of AC transmission lines and DC grounding electrode lines were studied on the condition that grounding electrode lines were set up with 35 kV AC transmission lines on same tower or with 330 kV AC transmission lines on same corridor. The results show that: when DC grounding electrode lines are set up with 35 kV AC transmission lines on same tower, the induced electromotive force caused by 35 kV AC lines on DC grounding electrode lines is little, its maximum value is less than 2 kV, which will not affect the DC system; the induced electromotive force caused by DC grounding electrode lines on 35 kV AC system is far less than the insulation level of 35 kV AC equipments, which will not cause harm to the safe operation of 35 kV AC system; when DC grounding electrode lines are set up with 330 kV AC transmission lines on same corridor, the maximum induced electromotive force caused by 330 kV AC line on DC grounding electrode lines is not more than 18 kV, which will not cause harm to the safe operation of DC grounding electrode lines. The research result has great significance for ensuring the safe and stable operation of AC lines and DC grounding electrode lines.

grounding electrode line; AC transmission line; on same tower; line corridor; electromagnetic transient program (EMTP)

TM 86

A

1000-7229(2015)09-0083-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.014

2015-06-18

2015-08-03

陳秀娟(1975)，女，博士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)防雷、過電壓與絕緣配合、避雷器方面的研究工作；

夏潮(1974)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面的研究工作；

張翠霞(1959)，女，教授級高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)防雷，過電壓與絕緣配合，避雷器方面的研究工作；

朱海宇(1975)，女，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)計劃管理方面的工作；

馬振國(1975)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)運維方面的工作。