特高压交直流线路同塔架设对交流线路电磁暂态特性的影响

孙 栩，董 鹏，朱艺颖，蒋卫平

（中国电力科学研究院系统所，北京 100192）

0 引言

国家电网公司正在大力推进特高压电网的建设，计划建设多条特高压直流输电线路，其中多条直流输电线路面临输电走廊紧张的局面，必须与超高压交流输电线路同塔建设。针对多回交流同塔架设的感应电压与感应电流[1-3]、潜供电流与恢复电压问题[4-6]，已经有比较多的研究成果，但是交直流线路同塔架设，会面临较为特殊的问题，本文仅对其中的交流线路感应电压、感应电流以及潜供电流、恢复电压，进行较为全面的研究，并给出了最终的研究结果以及相应的建议。

1 特高压直流与超高压交流线路同塔架设的仿真模型

1.1 直流系统参数

整流站和逆变站均采用双极、每极双12脉动换流器串联接线方式，采用增容后工况。额定容量为7600 MW；直流线路长度为2000 km；直流额定电压为±800kV；平波电抗器为240mH（极线2×60mH，中性线2×60 mH）；送端接地极电阻为0.217 Ω，受端接地极电阻为0.026 Ω；换流变压器漏抗为19%。

1.2 交流系统参数

500 kV交流系统短路电流为63 kA，连续运行电压范围为500～550 kV；220 kV交流系统短路电流为40 kA，连续运行电压范围为220～252 kV。双回500 kV交流线路输送容量为3600 MW，双回220 kV交流线路输送容量为1000 MW。

1.3 交直流线路参数及接线方式

1.3.1 直流非同塔部分的线路参数

非同塔部分直流线路长度为1900 km，直流线路采用 6×LGJ-900/40导线，弧垂18 m；接地极线路采用4×LGJ-500/35导线，弧垂10 m；架空地线采用GJ-80导线，弧垂10 m。本文中大地电阻率均为100 Ω·m，直流线路、交流线路和接地极线路均采用频率相关模型。

1.3.2 交流非同塔部分的线路参数

500 kV交流线路非同塔部分长度为40 km，采用4×LGJ-630/45导线，弧垂14.6 m；架空地线采用GJ-80导线，弧垂10.7 m；220 kV交流线路非同塔部分长度为40 km，采用2×LGJ-630/45导线，弧垂18 m；架空地线采用GJ-80导线，弧垂15 m。

1.3.3 交直流同塔部分的线路参数

交直流线路同塔部分长度为100km，双回500kV交流线路与单回±800 kV直流线路同塔（V串夹角90°）的杆塔结构见图 1：直流线路采用 6×JL/G3A-900/75导线，弧垂18m；交流线路采用4×LGJ-630/45导线，弧垂18 m；架空地线采用GJ-80导线，弧垂15 m。双回220 kV交流线路与单回±800 kV直流线路同塔（V串夹角90°）的杆塔结构如图2所示：直流线路采用 6×JL/G3A-900/75 导线，弧垂 18m；交流线路采用 2×LGJ-630/45导线，弧垂 18 m；架空地线采用GJ-80导线，弧垂15 m。

2 交直流线路同塔架设对交流线路感应电压和感应电流的影响

2.1 对500 kV交流线路感应电压和感应电流的影响

图1 500 kV交流与±800 kV直流线路同塔架设杆塔结构Fig.1 Structure of power transmission tower shared by 500 kV AC line and±800 kV DC line

图2 220 kV交流与±800 kV直流线路同塔架设杆塔结构Fig.2 Structure of power transmission tower shared by 220 kV AC line and±800 kV DC line

本文中交流双回线路采用逆相序排列；交流线路与直流线路同塔架设部分采用紧凑型输电线路，交流线路不与直流线路同塔架设部分采用鼓形输电线路；交流双回线路与特高压直流系统同塔架设时，因为架线过于复杂，研究中不考虑线路换位。

目前关于交流线路潜供电流和恢复电压的计算标准，有一些研究成果和近似准则，但是最为权威的还是DL/T615—1997标准，本文的所有计算根据此标准进行。

为了进一步说明直流系统与交流系统之间的感应耦合情况，同时也为今后交流系统投入运行和检修提供依据，本文就交流系统与直流系统的感应电压和感应电流进行了计算。IEC接地开关感应电流和电压标准值见表 1，其中，Iri、Uri和 Irc、Urc分别为额定感性电流、电压和额定容性电流、电压。

表1 IEC接地开关感应电流和电压标准值Tab.1 Induced current and standard voltage of earthing switch，stipulated by IEC

交流线路双回停运时，运行中的直流系统对双回交流系统的感应电压和感应电流（以双回线路中严重者为例）如表2、3所示。

表2 交流线路双回停运时的感应电压Tab.2 Induced voltage during dual-loop outageof AC transmission line

表3 交流线路双回停运时的感应电流Tab.3 Induced current during dual-loop outage of AC transmission line

从表2、3中可以看出，特高压直流线路对500 kV交流线路有一定的感应作用，电磁感应电流最大达到150.9 A，静电感应电压最大达到60 kV左右，超过了B类接地开关的要求。此时其线路首端和末端电磁感应电流和静电感应电压的波形如图3所示。

从图3中可以看出，首端和末端电磁感应电流和静电感应电压均为直流电流或电压，即如果直流系统在运行状态时，交流线路投入运行或退出到检修状态，交流线路的接地开关将开合直流线路耦合过来的直流电流或者电流没有过零点，这和仅双回交流线路同塔架设有所不同。因此需要考虑交流线路接地刀闸开断直流或没有过零点的正弦电流的能力。

图3 交流线路双回停运时，运行中的直流系统对交流线路的感应电流和感应电压波形Fig.3 Waveforms of voltage and current induced by operating DC line during dual-loop outage of AC transmission line

2.2 对220 kV交流线路感应电压和感应电流的影响

根据上面的计算结果，以最严重情况为例。交流线路单回运行时，运行中的交流线路与直流线路对另一回停运交流线路的感应电压和感应电流（以双回中严重者为例）如表4、5所示。

表4 交流线路单回停运时的感应电压Tab.4 Induced voltage during mono-loop outageof AC transmission line

表5 交流线路单回停运时的感应电流Tab.5 Induced current during mono-loop outage of AC transmission line

从表4、5中可以看出，特高压直流线路对220 kV交流线路的感应作用比对500 kV交流线路更大，电磁感应电流最大达到209.4 A，静电感应电压最大达到89.8 kV。

3 交直流线路同塔架设对交流线路潜供电流和恢复电压的影响

3.1 对500kV交流线路潜供电流和恢复电压的影响

3.1.1 不架设高抗时交直流线路同塔架设对潜供电流和恢复电压的影响

研究中考虑140、150、160 km 3种交流线路长度，针对其是否与直流线路同塔架设分别进行了计算（考虑极端情况，均按全线路同塔架设）。由于潜供电流值在交流线路两端最大，研究中考虑在同塔架设段首端和末端发生单相接地故障时的潜供电流并进行比较，结果如表6所示。

表6 不同线路长度下不同位置发生单相接地故障的潜供电流值Tab.6 Arc current during single-phase grounding fault for different line lengths and grounding locations

从表6可以看出，如果交流线路不架设高抗，在不同的交直流同塔架设的长度下，潜供电流的大小均相差不大。

下面以交流线路长度为140 km（其中同塔架设100 km）为例，考虑直流是否运行（直流传输功率不同，对交流的影响不同），计算交流线路不同位置潜供电流及恢复电压。特高压直流运行时，双回交流线路首末端发生单相接地时的潜供电流及恢复电压值如表7所示。

表7 交流线路首末端发生单相接地时的潜供电流及恢复电压值Tab.7 Arc current and recovery voltage during single-phase grounding fault at both ends of AC line

特高压直流运行时，Ⅰ回线路末端a相发生单相接地短路故障时潜供电流最大，其潜供电流及恢复电压的波形如图4所示。

通过计算对比可以看出，和仅双回交流线路同塔架设相比，特高压直流线路与交流线路同塔架设后，由于直流线路对交流线路的感应作用，交流线路发生单相接地短路故障后，其潜供电流与恢复电压仅略有增加，增加幅度分别为1.8 A和1.7 kV。

图4 Ⅰ回交流线路末端发生a相接地短路故障时潜供电流及恢复电压波形Fig.4 Arc current and recovery voltage during grounding fault of phase-a at end of AC transmission line I

3.1.2 架设高抗时交直流同塔架设对潜供电流和恢复电压的影响

双回交流线路架设高抗后，其电磁暂态过程与不架设高抗时有很大的不同，特别是和特高压直流线路同塔架设时，其电磁暂态过程更为复杂，需要对其进行较为深入的研究。本节研究的计算模型与第3.1.1节基本相同，只在每回交流线路末端加装高压并联电抗器（按80%的补偿度计算）。交流线路长度仍然为140 km（交直流同塔100 km），中性点小电抗取800 Ω（确保潜供电流最小），接地电阻按照10 Ω考虑。

由于特高压交直流线路同塔架设时，双回交流线路并没有考虑换位，如果加装高抗，其不平衡度会更加严重，本文对线路上不同位置的潜供电流以及恢复电压进行了校验，发现由于直流电流在交流线路上产生的感应，潜供电流始终不存在过零点，见图5。

图5 架设高抗时Ⅰ回交流线路首端发生a相接地短路故障时的潜供电流与恢复电压波形Fig.5 Arc current and recovery voltage during grounding fault of phase-a at end of AC transmission line I with high-voltage shunt-reactor

经过计算可知，将特高压直流线路停运（此时相当于交直流输电线路没有同塔架设），相同故障下潜供电流与恢复电压达到稳态后是不存在直流分量的，潜供电流为6.2 A。

为了进一步说明这个问题，将双回交流线路完全停运，只运行特高压直流。这时假设交流线路仍有某一相发生单相接地故障，即使交流系统两端的断路器已经拉开，但是通过直流系统的感应，接地点仍存在电流，其波形如图6所示。

图6 双回交流线路停运时直流线路对交流线路的感应波形Fig.6 Waveforms of voltage and current induced by operating DC line during dual-loop outage of AC transmission line

通过以上分析可以看出，潜供电流的直流分量是由同塔架设的直流线路耦合造成的。

3.1.3 相关的解决措施

在交流线路末端架设高抗后交直流同塔架设会造成潜供电流无过零点，从而对潜供电流的熄灭造成影响，需要采取措施使潜供电流过零。

3.1.3.1 高抗分置

将原先同塔双回交流线路末端的高抗分置在线路的首端和末端，那么Ⅰ回交流线路a相（以线路中点为例）的潜供电流波形如图7所示。

图7 高抗首末端分置后Ⅰ回交流线路a相中点的潜供电流波形Fig.7 Waveforms of phase-a arc current at middle of AC transmission lineIwith high-voltage shunt-reactors at both ends

研究结果表明，线路首端、末端的潜供电流波形与线路中点基本一致，b相和c相也基本相同。

3.1.3.2 交流线路全换位

本文还考虑交流线路进行一次全换位的方法来减小各点潜供电流的直流偏置。由于复杂性的原因，交直流线路同塔架设部分不允许再换位。本节仍选取100 km交流线路同塔架设，换位方法采用逆相序反向换位。采用交流线路进行一次全换位的方法以后，各点潜供电流直流偏置明显减少，Ⅰ回线路a相首端及末端单相接地短路故障时的潜供电流及恢复电压波形如图8所示。

图8 Ⅰ回交流线路a相潜供电流及恢复电压Fig.8 Phase-a arc current and recovery voltage of AC transmission lineⅠ

此时，Ⅰ回线路a相首端潜供电流及恢复电压分别为7.7 A和134.6 kV（有效值）；Ⅰ回线路a相末端潜供电流及恢复电压分别为7.3 A和125.2 kV（有效值）。将同塔架设线路长度降低为交流线路全长的1/3时，Ⅰ回线路a相首端潜供电流及恢复电压下降为5.6 A和99.3 kV（有效值）；Ⅰ回线路a相末端潜供电流及恢复电压分别为6.9A和119.0kV（有效值），恢复电压有所下降。研究结果表明，将交流线路进行全换位后，潜供电流直流分量明显减小，能够有过零点，可以满足熄弧要求。

3.2 对220 kV交流线路潜供电流和恢复电压的影响

220 kV交流线路通常不考虑装设线路高抗，计算结果表明，交直流线路同塔架设对220 kV不装设高抗的交流线路潜供电流和恢复电压均影响甚微。

4 结论

本文针对特高压直流输电线路与交流线路同塔架设时，直流线路对交流线路感应电压和感应电流的影响，以及对交流线路潜供电流和恢复电压的影响等方面进行了较为详细全面的计算分析。计算分析结果表明，特高压直流输电系统运行时会在与其同塔架设的双回交流线路上产生感应电压和电流，造成交流线路电压和电流中存在直流分量，从而使其均超出了IEC接地开关感应电流和电压标准值的范围；并且当与特高压直流输电线路同塔架设的双回500 kV交流线路不换位且末端架设高抗时，会出现潜供电流不存在过零点的现象，从而导致潜供电流无法正常熄弧，可以采用高抗分置或者全换位的方法加以解决。这些都对今后相关工程的设计与运行具有较高的参考价值。