高 森

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)州供電分公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

高壓直流輸電線路非對(duì)稱設(shè)計(jì)是為了滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，通過考慮線路參數(shù)、線路結(jié)構(gòu)和輸電設(shè)備等方面的非對(duì)稱性，提高線路的輸電能力和可靠性。設(shè)計(jì)高壓直流輸電線路時(shí)，需要考慮線路的參數(shù)非對(duì)稱性，如線路電阻、電抗和電容等的差異。合理的設(shè)計(jì)可以降低線路阻抗的非對(duì)稱性，提高線路的輸電能力。還需要考慮輸電設(shè)備的非對(duì)稱性，如換流變壓器和換流器組等。合理的設(shè)計(jì)可以降低輸電設(shè)備的非對(duì)稱性，提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[1-2]。

1 高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)限制條件

從可接受的對(duì)稱HVDC 架空線路設(shè)計(jì)和工作電壓開始，最大負(fù)電壓增加即保持正梯度恒定，可以通過如下方面進(jìn)行確定。1）基于對(duì)異常閃絡(luò)的考慮，為負(fù)導(dǎo)體梯度設(shè)置任意限制。2）地面電場感知。3）絕緣和間隙問題。限制條件取決于基本情況下的電壓、配置和導(dǎo)體尺寸。由于直流絕緣在很大程度上取決于耐污染強(qiáng)度[3-5]，因此由中等程度的不對(duì)稱性導(dǎo)致的雷電性能變化對(duì)設(shè)計(jì)影響較小。

根據(jù)不同的應(yīng)用，同軸電纜可設(shè)計(jì)為不同的阻抗、不同的材料和帶寬，其特性阻抗（Z0）通過公式（1）近似得到。

式中：μ和ε分別是介電磁導(dǎo)率和介電常數(shù)；R2是外電極半徑；R1是中心半徑。

在公式（1）中，同軸電纜電極半徑的變化決定其特性阻抗。由于大多數(shù)局部放電測量實(shí)驗(yàn)臺(tái)是通過平板連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的，因此，應(yīng)用同軸熱釋光法測量局部放電脈沖有一定難度。在該情況下，如果將同軸輸電線路（TL）的中心電極視為平地電極，那么局部放電實(shí)驗(yàn)臺(tái)的TL 尺寸將顯著大于連接電纜的尺寸，并提供了終端問題解決方法。

本文推薦了一種替代方法，在局部放電測量裝置的底部增加一個(gè)圓錐形TL，以便為接地電極提供更大的接地面積，并為測量電纜提供更好的終端。此外，在本文設(shè)計(jì)中，高壓代表激勵(lì)點(diǎn)，R是限流電阻，CC 是耦合電容，TO 是局部放電源。錐形TL 的特性阻抗計(jì)算如公式（2）所示。

式中：θ1和θ2分別是TL 的中心和外電極角度。

高壓直流輸電過程中換流器消耗的無功功率如公式（3）、公式（4）所示。

式中：P為換流器直流側(cè)功率，MW；φ為換流器的功率因數(shù)角；μ為換相角；α為整流器觸發(fā)角。

當(dāng)換流器以逆變方式運(yùn)行時(shí)，公式（4）中的α用γ代替，γ為逆變側(cè)關(guān)斷角。

2 高壓直流輸電線路構(gòu)建

導(dǎo)體梯度極限增益如圖1所示。不對(duì)稱優(yōu)勢的第一個(gè)近似值可以通過圖1 的簡單、恒定高度雙極配置來證明，其中+/-200kV 的平衡直流電壓（橫坐標(biāo)上的左、右點(diǎn)）導(dǎo)致出現(xiàn)大約20kV/cm 的導(dǎo)體表面梯度。地面水平電場和AN水平非常低。在該橫坐標(biāo)值處，負(fù)電壓可以增加。降低正電壓以保持恒定的正梯度。在負(fù)梯度達(dá)到27kV/cm 前，可以增至大約294kV，該情況下需要設(shè)置極限值。由于正電壓調(diào)整，AN保持不變，并在平衡電壓下比功率的額定功率增約22%。

圖1 導(dǎo)體梯度極限增益

假設(shè)原始平衡電壓增加，在橫坐標(biāo)上向右移動(dòng)，則起點(diǎn)AN增加，并且根據(jù)上述規(guī)則，負(fù)電壓的百分比增加較小，功率增加也遵循此規(guī)則。假設(shè)原始平衡電壓在兩極（橫坐標(biāo)上最右邊的點(diǎn)）產(chǎn)生等于本文最大設(shè)定值（27kV/cm）的起始點(diǎn)梯度時(shí)，負(fù)電壓不再增加。如果圖1 增加極間距和負(fù)導(dǎo)體高度以適應(yīng)更高的負(fù)電壓，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)更高的總電壓，暫時(shí)忽略地面場感知可能施加的任何限制，因此，圖1 中的增益是保守的。

假設(shè)正極在頂部進(jìn)行垂直配置且正極在底部具有更大優(yōu)勢，則會(huì)產(chǎn)生類似的電壓優(yōu)勢。使用如圖2所示的三導(dǎo)體束并僅將最大導(dǎo)體梯度作為約束來重復(fù)圖1 的水平情況，則可以維持較高電壓，但在該例中，地面電場感知效果會(huì)減弱。

圖2 受場感知限制的增益

感知水平s是輸電線路工作站建議的等級(jí)，其中等級(jí)1是“剛剛可感知的”，2 是“絕對(duì)可感知的”，3 是“超出感知極限”。在該情況下，感知可能會(huì)成為不對(duì)稱性的限制，并取決于起點(diǎn)電壓。類似圖2 的結(jié)果也適用于垂直陣列。將s作為假定的感知指數(shù)，或地面電場E、離子電流密度J這2 個(gè)影響感知的因素進(jìn)行計(jì)算較復(fù)雜，一般通過相關(guān)專業(yè)軟件來實(shí)現(xiàn)。雖然模型的結(jié)果并不總是一致的，并且取決于配置，但一份研究結(jié)果顯示，負(fù)極的E和J都大于正極，感知s可能比圖2 和圖4所示的更嚴(yán)重，其中s被描述為極限。

上述基本兩極情況可以擴(kuò)展到分裂雙極和三極陣列，這2 種陣列對(duì)平均或小導(dǎo)體尺寸都將顯示出受表面梯度限制的相似優(yōu)勢模式，并將感知水平作為較大導(dǎo)體尺寸或束限制的前提條件。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 線路設(shè)計(jì)參數(shù)

基于上述結(jié)果，本文對(duì)250kV、400kV、500kV 和600kV水平配置的HVDC 線路示例進(jìn)行了詳細(xì)建模，每個(gè)示例都借鑒目前使用的線路標(biāo)準(zhǔn)尺寸，并運(yùn)用不對(duì)稱設(shè)計(jì)、建造了一條性質(zhì)相同、性能更優(yōu)的高壓直流輸電線路。

表1 線路參數(shù)

圖3 500kV 配置

圖4 非對(duì)稱結(jié)果500kV 示例

圖4 中的500kV 示例假設(shè)有18 個(gè)6.5 盤式絕緣子，每個(gè)具有508mm 的絕緣距離，特定絕緣距離約為23mm/kV，總串長為117。假設(shè)電極電壓相等，該絕緣串如圖5（a）所示，正極長度的10%調(diào)整如圖5（b）所示。該極性具有更好的污閃性能。圖5（c）對(duì)負(fù)極進(jìn)行了2 次修正，增加了絕緣體的數(shù)量，以適應(yīng)負(fù)電壓10%的增加值，并略微提高了懸掛點(diǎn)，上述增益將提高電氣部件安全規(guī)范間隙要求。圖5（d）將這些調(diào)整擴(kuò)展到負(fù)電壓增加20%的幅度。

圖5 500kV 絕緣和高度調(diào)整示例

圖5（d）中20%的不對(duì)稱情況要求負(fù)極導(dǎo)線的懸掛點(diǎn)增加約“36”，對(duì)新結(jié)構(gòu)來說較合理，但對(duì)分配給負(fù)極負(fù)載的交流相位而言會(huì)出現(xiàn)新的問題。如果在20%不對(duì)稱的情況下將負(fù)極的橫向保持固定，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)升高“10”（25.4cm）以滿足規(guī)范要求，那么絕緣空間的垂直分量會(huì)減少約10/117=8.5%，而剩余垂直距離的承受要求會(huì)增加20%。此改進(jìn)順序可能較難通過“轉(zhuǎn)換為長棒絕緣體”選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)，但顯然可以通過“轉(zhuǎn)換為浮動(dòng)端配置”來實(shí)現(xiàn)，其中額外的爬升距離主要在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

3.2 仿真結(jié)果

在上文的實(shí)例中，對(duì)所實(shí)現(xiàn)的MW 增加來說，絕緣體數(shù)量凈增加的成本非常小。但是負(fù)導(dǎo)線的懸掛點(diǎn)越高，塔架的橫向力矩越大，并通過略微降低正懸掛點(diǎn)而部分影響偏移。根據(jù)圖5所示，對(duì)于10%的不對(duì)稱性，力矩增加約為0.7%，對(duì)于20%的不對(duì)稱性，則增加1.7%。作為一階近似，塔架成本約隨水平力矩的平方根而增加，因此，對(duì)于上述2 個(gè)不對(duì)稱水平，塔架成本分別增加了約0.4%和0.8%。

使用示例塔架質(zhì)量，假設(shè)鋼構(gòu)件的成本為26 元/kg，采用2 ∶1 的乘數(shù)進(jìn)行架設(shè)時(shí)，在不對(duì)稱性為10%的情況下，增加400kV 輸電線路容量的成本約為67.5 元/MW·km，在不對(duì)稱度為20%的情況下約為150 元/MW·km，兩者比新建實(shí)現(xiàn)的容量成本低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

換流站不對(duì)稱的成本需要與輸電線路的成本相加，該成本因不同的電力公司會(huì)有所不同。盡管有線性整流器（LCC）轉(zhuǎn)換器，但其適用于電壓源（VSC）轉(zhuǎn)換器的第一近似值，每千瓦的成本會(huì)隨額定值的增加而下降，并接近更高額定值的水平值?？紤]對(duì)相同的額定電流老說，增加直流電壓主要是靠更多的開關(guān)和更高的變壓器電壓，其他變電站成本不受影響，因此，與輸電線路本身相同，不對(duì)稱換流站容量的增量成本可以小于原始站容量的成本。

4 結(jié)論

HVDC 線路的不對(duì)稱設(shè)計(jì)或電壓分配具有較大優(yōu)勢，具體如下：1）載雙極電壓受導(dǎo)體梯度效應(yīng)限制的情況下，將負(fù)極電壓增加約20%，同時(shí)略微降低正極電壓，可獲得10%的MW 額定增益。對(duì)已經(jīng)在低導(dǎo)體表面梯度下操作的線路來說，該增益是最高的。2）在主要關(guān)注地場效應(yīng)的情況下，不對(duì)稱性的優(yōu)勢更明顯，并取決于對(duì)正電場與負(fù)電場的相對(duì)大小和離子電流密度的假設(shè)。3）通過不對(duì)稱性增加輸電塔MW額定值的增量成本比新建工程的每MW公里成本低一個(gè)數(shù)量級(jí)。4）本文分析未考慮損失。然而，出于對(duì)異常閃絡(luò)的考慮而制定的導(dǎo)體表面梯度限制，可以將損耗限制在合理水平。5）在每MW 公里輸電線路容量增量成本較高的前提條件下，高壓直流線路非對(duì)稱性設(shè)計(jì)是最具優(yōu)勢的。