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?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

我國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)距離的特高壓輸電兩種。對(duì)于柔性輸電系統(tǒng)，兩端換流站相距10～1 000 km；對(duì)于長(zhǎng)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(duì)較高，因此對(duì)不同長(zhǎng)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(duì)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(duì)地距離，減小了地面場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)地占用費(fèi)上具有一定優(yōu)勢(shì)。對(duì)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(zhǎng)度及同塔并架段的長(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的同塔并架線路臨界長(zhǎng)度。計(jì)算方法為：臨界長(zhǎng)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(zhǎng)160 km為例，兩端換流站之間的線路長(zhǎng)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(shì)；兩端換流站之間的線路長(zhǎng)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(shì)。

同理可得：對(duì)于短距離（小于臨界長(zhǎng)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(shì)；對(duì)于較長(zhǎng)距離（大于臨界長(zhǎng)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(shì)。

目前我國(guó)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(guó)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(zhǎng)約49.6 km，康?！S寧線路長(zhǎng)度205.1km，豐寧—北京線路長(zhǎng)約186.5 km，張北—北京線路長(zhǎng)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(duì)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(duì)于短距離（小于臨界長(zhǎng)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(shì)。對(duì)于長(zhǎng)距離（大于臨界長(zhǎng)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(shì)。