直流线路中性线回流方式研究

窦婷婷 ，陈 鹏，芦 灯

（1.山东职业学院，山东 济南 250104；2.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

我国在建和已投运的高压直流输电工程，均为双极运行方式，双极运行方式的中性线回流方案一般有两种方式。

接地极返回方式。利用接地极引线、接地极、大地作为回流导体，即：建设接地极及接地极引线，接地极引线联结换流站直流电压中性点和接地极，利用单极导线与大地构成电流回路。接地极引线一般长数十公里，多采用架空线路。

金属回流线返回方式。在换流站之间架设金属回流线作为回流导体，即：在两换流站之间建设架空金属回流线，金属回流线联结两端换流站电压中性点，利用单极导线与金属回流线构成电流回路[1-3]。金属回流线与直流线路的起止点一致，采用与直流线路同塔架设是最经济合理可行的方式。

按输电距离区分，直流输电线路可分为短距离的柔性输电与长距离的特高压输电两种。对于柔性输电系统，两端换流站相距10～1 000 km；对于长距离特高压直流输电系统，两端换流站距离可达数千公里。因此，应根据输电距离选择经济合理的返回方式。

无论是接地极引线还是金属回流线，其线路电压只是流过的电流在导线电阻上引起的压降。单极运行时间短，接地极引线或金属回流线只是在线路投运初期单极运行，或者双极投运后某极发生故障或检修时才投入运行。多数情况，接地极引线或金属回流线上流过线路电流很小，最大不平衡电流约50 A。因此，导线的截面选择可不按常用的经济电流密度来考虑，不必校验电晕条件，也不必将电能损耗作为选择导线的控制条件，只需按线路最严重的运行方式来校验热稳定条件。这样选择的导线既节约了投资，又能满足要求。

由于并架金属回流线后，线路结构复杂，线路造价也相对较高，因此对不同长度的并架金属回流线建设的经济性进行分析是非常有必要的[4-5]。分析两种返回方式的造价指标，提出两种方式投资的临界点，为不同输电距离的直流输电工程设计提供依据。

1 两种返回方式的技术方案

1.1 接地极返回方式

接地极引线的导线截面按线路流过最大电流来校验热稳定条件，工程中可采用耐热铝合金导线，导线布置在铁塔两侧，每侧双分裂。地线可采用1根铝包钢绞线，布置在铁塔顶部，接地极引线铁塔外形见图1。

图1 接地极引线铁塔外形示意

接地极一般由散流（馈电）材料和活性填充材料组成，前者的作用是将电流导入大地，后者的主要作用是保护馈电材料，提高接地极使用寿命，改善接地极发热特性。接地极电极一般采用同心两圆环布置。

1.2 金属回流线方式

直流线路和金属回流线同塔架设时，一般将金属回流线布置在直流线路下方。这种布置方式的好处是利用了直流线路和接地极引线对地距离的差值，差值越大，增加的塔高越小，同时还提高了直流线挂点和对地距离，减小了地面场强。同接地极引线一样，金属回流线按照流过的最大电流校核热稳定条件，可采用耐热铝合金绞线，金属回流线布置在铁塔两侧，如图2所示。

图2 同塔并架铁塔示意

2 两种返回方式的造价分析

2.1 接地极返回方式的造价

2.1.1 常规±800 kV直流线路的造价

直流架空输电线路静态投资一般由5部分组成：输电线路本体投资、辅助设施工程和费用、建设场地占用费、基本预备费、材料价格。其中输电线路本体投资和材料价格两项在静态投资中占比高达85%。

参照±800 kV扎鲁特—青州线路设计资料，常规±800 kV 线路采用 8×JL1／G3A-1250／70 导线，铁塔为“干”字型角钢塔，耐张串采用550 kN瓷绝缘子，悬垂串采用棒形合成绝缘子。常规±800 kV线路典型造价详见表1。

表1 常规±800 kV线路典型造价 万元／km

由表1可见，本体投资费用为468.84万元／km，占静态投资的76.4%。

2.1.2 接地极及接地极引线的造价

以双圆环形接地极为例，圆环外径为250 m，内径为140 m，圆环埋深3 m，接地极的造价详见表2。

表2 接地极的造价 万元

按环境温度40℃，导线温度70℃的导线载流量计算，接地极引线线路采用2分裂JNRLH60G1A-630／45耐热铝合金绞线。铁塔可采用导地线正常张力的角钢塔和导地线放松张力的钢管杆。接地极引线的造价指标详见表3。

表3 接地极引线典型造价 万元／km

2.2 同塔并架金属回流线返回方式的造价

相对于单独架设的线路，同塔并架的线路主要增加了铁塔和基础部分的投资，而取消了接地极及接地极引线的投资。结合工程实际情况，对同塔并架方案估算单基塔重和每公里塔材指标，参考已建直流线路初设概算，推算出同塔并架方案的经济指标，指标详见表4。

表4 同塔并架段典型造价 万元／km

通过比较表4及表1、表3可知：同塔并架后的本体投资指标（508.1万元／km），仍低于分别单独架设时的指标（532.8万元／km）；同塔并架段建设场地占用费（75.05万元／km）低于分别单独架设时的相应指标（83.01 万元／km）。

综合以上两个方面，同塔并架在本体投资和建设场地占用费上具有一定优势。对整个直流输变电工程而言，还需把接地极的造价考虑在内，根据接地极引线长度及同塔并架段的长度，分析比较两种方案的经济性。

3 两种返回方式的经济性比较

直流线和金属回线同塔并架，在经济上主要引起本体投资的变化和线路走廊各种赔偿费用的降低。以±800 kV扎鲁特—青州特高压受端换流站接地极为例，两端接地极的总投资约为11 682万元，接地极引线线路单独架设时的单公里投资约为96.39万元／km，直流线路单独架设时的单公里投资约为625.11万元／km，同塔并架线路的单公里投资约为645.25万元／km。为比较两种返回方式的投资差异临界点，计算不同接地极引线长度对应的同塔并架线路临界长度。计算方法为：临界长度=（接地极总投资+接地极引线总投资）／同塔并架线路单公里投资，计算结果详见表5。

表5 两种方案投资的临界点

由表5可知，以两端接地极引线总长160 km为例，两端换流站之间的线路长度小于356.6 km时，采用同塔并架金属回流线方式具有经济优势；两端换流站之间的线路长度大于356.6 km时，采用接地极返回方式具有经济优势。

同理可得：对于短距离（小于临界长度）的柔性直流输电系统，采用全线并架金属回线的返回方案具有经济优势；对于较长距离（大于临界长度）的特高压直流输电系统，采用接地极返回方式具有经济优势。

目前我国已有数十项电压等级为±800 kV的直流输电工程相继投运，如表6所示。因输电距离均较大，因此表6所列的工程均采用接地极返回方式。

表6 国内±800 kV直流输电线路工程

在建张北可再生能源柔性直流电网示范工程由4座柔性直流换流站和4条±500 kV直流架空线路组成。其中，张北—康保线路长约49.6 km，康保—丰宁线路长度205.1km，丰宁—北京线路长约186.5 km，张北—北京线路长约205.8 km。因各段线路输电距离较小，采用同塔并架金属回线方式。

4 结语

分别指出了±800 kV直流线路、接地极及接地极引线，以及直流线路与金属回线同塔并架线路的造价指标，对接地极及金属回线两种返回方式的经济性进行比较，找到两种返回方式投资的临界点。对于短距离（小于临界长度）的柔性直流输电系统，采用同塔并架金属回流线返回方式具有经济优势。对于长距离（大于临界长度）的特高压直流输电系统，采用接地极返回方式具有经济优势。