特高压直流工程接地极线路导线选型及相关问题探讨

郭贤珊

（国家电网公司特高压建设部，北京市，100031）

0 引言

在直流输电系统接地极线路工程中，导线投资一般约占整个工程投资的30%，而且导线型式直接关系到铁塔和塔基设计，很大程度上决定了线路工程的建设投资。由于特高压直流工程接地极线路运行电流大、电压低且运行时间短，在导线选型原则上与一般直流输电线路有较大差别。

向家坝—上海±800 kV特高压直流输电示范工程（以下简称向上工程）是我国首个接地极线路额定电流达到4 kA的直流工程。在接地极线路初步设计中，最初建议方案是采用普通钢芯铝绞线；在优化设计过程中，提出并研究了采用钢芯耐热铝合金导线的技术可行性和经济性。采用钢芯耐热铝合金导线，可以满足特高压直流工程接地极线路的运行要求，并可大幅降低接地极线路工程的投资。这些研究成果对今后直流工程接地极线路导线选型具有重要的参考意义。

本文首先介绍了向上工程接地极线路导线选型的过程，分析了钢芯耐热铝合金导线用于接地极线路的技术可行性和优越性，计算了不同型式导线的载流量、荷载和弧垂，比较了不同型式导线型式对接地极线路投资的影响，得出使用钢芯耐热铝合金导线能够满足特高压直流工程运行要求，能大幅降低工程造价，并且分析了接地极线路导线型号变化后对直流避雷器和直流高速开关等换流站中性母线设备的影响和解决措施。

1 接地极导线选型

1.1 接地极导线选型要求

输电线路导线选型一般首先根据系统要求的载流量和外界条件给出备选导线型号。导线的截面根据经济电流密度进行选择，同时还应进行线路电晕特性参数校核，电晕特性参数包括电晕损失、无线电干扰、电视干扰、电场效应和可听噪声等环境影响参数；导线的分裂结构主要由导线的电晕特性和其对导线本身机械特性、金具及杆塔的影响来确定；然后，计算备选导线型号的荷载、弧垂，从而得到铁塔设计参数；最后，综合考虑导线成本、铁塔成本等方面的因素，比较分析备选导线技术经济性，从而选出技术经济性最优的方案。

与直流输电线路不同，直流工程接地极线路具有以下特点：

（1）运行电压低。接地极线路电压只是入地电流在导线电阻及接地极电阻上引起的压降，而且接地极线路一般长度较短，电阻小，因而接地极线路运行电压也小。

（2）单极运行时间短。接地极只是在工程初期，以及双极投运后某极发生故障或检修时才投入单极运行。由于特高压直流工程采用双极且每极2个换流器串联接线方式，运行方式更加灵活，单极运行时间更短。在双极对称运行等多数情况下，接地极及线路仅起钳制中性点电位作用，流过接地极线路的电流很小，据分析计算，向上工程最大不平衡电流不超过40A。

（3）电磁环境问题不用考虑。由于一般直流工程接地极线路利用率低，工作电压低，因此不须考虑电晕引起的能量损耗、无线电干扰、可听噪声等问题。

综合考虑运行要求和节省投资，接地极线路导线的截面选择可不按常用的经济电流密度来设计，不须校验电晕条件，也不必将电能损耗作为选择导线的控制条件，只须按线路可能出现的最严重运行方式来校验热稳定条件，这样选择的导线既满足直流工程技术要求，又可节约投资。

由于接地极线路导线为一极导线，各子导线等电位，在工程设计中，为简化铁塔受力、减小铁塔重量，一般按对称布置设计，即将子导线分为2组对称布置在铁塔的两侧。另外，接地极线路导线组合宜选择总截面较小、分裂数少、便于对称布置、可靠性高的组合方式。

1.2 技术分析

向上工程接地极工程包括共乐（复龙换流站）接地极和廊下（奉贤换流站）接地极，其中，共乐接地极的线路长度为85 km，廊下接地极的线路工程长度为94 km。共乐接地极和廊下接地极线路的外界条件和系统参数基本一致，有关要求如下。

环境温度：按照40℃考虑；覆冰厚度：按照10 mm考虑；导线最高允许温度：钢芯铝绞线为80℃，钢芯耐热铝合金绞线为110～120℃；

载流量：向上工程额定电流为4 kA，长期过负荷时电流为4.497 kA，2 h过负荷电流为4.614 kA，3 s过负荷电流为4.970 kA。锦屏—苏南±800 kV特高压直流输电工程（以下简称“锦苏工程”），额定电流为4.500 kA，长期过负荷电流为4.760 kA，2 h过负荷电流为4.970 kA。

表1给出了几种导线结构方案在最高环境温度为40℃的载流量情况。根据表1可以得出，如果按照每组 2 分裂、2 组对称形式，630 mm2、720 mm2截面导线难以满足锦苏工程2 h过负荷电流的热稳定载流量要求，而900 mm2截面导线载流量裕度太小。因此以上几种导线均需要2组且每组3分裂方式，由于缺乏相关经验和配套金具，不宜选用，而且对于大截面导线这种组合方式经济性也较差。2×4×400 mm2两种组合方式总截面较小，但是能满足载流量要求，另外采用每组4根导线也方便设计和施工，因此初步方案优先推荐2×4×LGJ-400/35普通钢芯铝合金导线方案。

表1 环境温度为40℃时不同导线载流量Tab.1 Carrying capacity of different conductor at environmental temperature 40℃

2×2×NRLH60G1A-500/45耐热钢芯铝合金导线方案与2×4×LGJ-400/35普通钢芯铝合金导线方案相比，其截面更小，分裂数少，导线重量轻约44%，铁塔荷载小（见表2），张力小，但是导线弧垂较大（见表3）。综合考虑各方面因素，采用2×2×NRLH60G1A-500/45耐热钢芯铝合金导线方案，可以在较小的导线截面下，实现较大的传输电流，能大幅降低导线和铁塔的投资。同时，由于是接地极线路，可不考虑耐热铝合金导线的线损相对较大的影响，不足之处是耐热铝合金导线运行经验较少。根据分析，接地极线路在额定电流条件下的等效运行时间平均每年不到237 h，运行时间很短，因此，耐热铝合金导线相比普通钢芯铝合金导线更适合用于接地极线路。

表2 杆塔外载荷比较Tab.2 Pole-tower external load comparison

表3 不同导线在代表档距下弧垂Tab.3 Different conductor sag under representative spans m

耐热铝合金导线分为钢芯耐热铝合金导线、铝包钢芯耐热铝合金导线、钢芯高强度耐热铝合金导线。对于轻冰区，一般不考虑钢芯高强度耐热铝合金导线。铝包钢芯耐热铝合金导线载流量比钢芯耐热铝合金导线高，但其价格也高。在钢芯耐热铝合金导线满足要求的情况下，按照技术经济性最优原则应优先选用，因此本文仅分析钢芯耐热铝合金导线。

1.3 经济比较

对于接地极线路，导线总截面减小后，导线使用量下降，铁塔荷载也将降低，导线成本降低约4.42万元/km，线路金具绝缘子成本降低约0.21万元/km，铁塔成本降低约6.15万元/km，塔基材料成本降低约0.12万元/km，线路投资成本降低约10.9万元/km。采用不同导线的经济性比较如表4所示。

表4 采用不同导线形式经济比较Tab.4 Economic comparison with different conductor types

2 导线选型对直流场中性母线设备的影响

2.1 接地极导线电阻变化

在导线变化后，接地极线路电阻随之变化（如表5所示），将有可能影响中性母线避雷器和直流高速开关的参数选择，下面以向上工程为例进行分析。

表5 向上工程接地极导线电阻变化Tab.5 Ground pole conductor resistance variation of Xiang-Shang project

2.2 对直流避雷器的影响

向上工程最大过负荷电流为4.970 kA，受端奉贤换流站原接地极线路采用2×4×LGL－400/35导线时，接地线回路电阻0.88 Ω，接地极本体电阻约为0.5 Ω，接地极电位为 6.8586 kV。采用 2×2×NRLH60/G1A－500/45导线方案时，接地线路回路电阻为1.43 Ω，接地极电位为9.5921 kV，比改造前升高2.7335 kV。

奉贤站中性母线避雷器最大运行电压为20 kV，因此接地极导线采用新方案不影响中性母线避雷器的保护性能。送端复龙换流站中性线电位取决于金属回线运行方式时直流输电线路的压降，和接地极导线无关，因此采用新的接地极线对送端中性母线避雷器参数没有影响。

2.3 对直流开关设备的影响

直流系统的高速直流开关包括金属回路转换开关（MRTB）、大地回路转换开关（GRTS）、中性母线开关（NBS）和中性线接地开关（NBGS），由于接地极线路电阻的改变，会导致直流系统在金属回线、大地回线运行方式转换时流过MRTB和GRTS上的电流发生变化，需要对金属开关和大地开关的转换电流能力进行校核。

以向上工程为例，考虑在直流系统2 h过负荷运行状况下（20℃时）进行转换操作，2 h过负荷电流为4.614 kA，在接地极线路导线采用2×4×LGL－400/35方案时，MRTB与GRTS上的最大转换电流可由式1、2得出：

式中：IMRTBmax为MRTB的最大转换电流；IGRTSmax为GRTS的最大转换电流；Idmax为2 h过负荷电流；RPoleline(max)为接地极导线最大电阻；RElectrodeline1(min)为接地极线路电阻；RElectrodeline2(min)为接地极线路电阻。

由式（1）、（2） 可以得出不同接地极导线下MRTB和GRTS上的最大转换电流以及设备技术规范中的容许最大电流，如表6所示。

表6 中性母线开关设备最大容许电流Tab.6 Maximum allowable current of neutral bus switches kA

由表6可以看出，导线变更后，流过MRTB的电流减小了，低于技术规范要求，对设备无影响。对于GRTS来说，接地极线路导线的变更导致了接地极线路电阻变大，当由金属回路转换到大地回路运行时，流过GRTS上的最大转换电流变大，由1.114 kA增大为1.342 kA。现在导线变更后GRTS的最大转换电流为1.342 kA，高于设备技术规范书中的技术参数1.200 kA，GRTS开关的最大转换电流能力将不能满足新的电流转换能力要求。

因此，在GRTS设备不改变的情况下，要满足技术规范书中的要求，则需要研究新的解决方案，初步建议方案是在金属回路转换到大地回路运行操作时，采用类似MRTB转换时相似的窗口方式，即维持GRTS的最大电流能力保持1.200 kA不变，降低直流系统电流。对应的直流系统电流Idmax可由式（2）计算出来，为4.130 kA，此时的工程输送功率为6600 MW，而向上工程额定输送功率为6400 MW，最大连续输送功率为7000 MW，因此，采用新的接地极线路导线后能满足工程运行要求，对于后续工程，完全可以按照新的接地极导线方案校核中性母线有关设备的技术参数。

3 结论

向家坝—上海±800 kV特高压直流示范工程是我国首个接地极电流高达4 kA的直流工程，其接地极导线的优化选择对今后各种电压等级的直流工程接地极导线选择有具有重要的参考意义。钢芯耐热铝合金导线截面小、传输容量大，工程造价较普通钢芯铝绞线大大降低，同时由于接地极线路电压等级低、运行时间短，输电损耗基本可忽略，线路运行费用无明显增加。通过对接地极导线变化前后换流站中性母线相关设备的影响分析，得出接地极导线的变化对中性母线设备的影响较小，不影响工程的安全运行。采用耐热导线替代常规钢芯铝绞线有较好的技术经济优势，可以在今后的高压直流工程接地极线路中推广使用。

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