窦婷婷

（山东职业学院，山东 济南 250104）

1 概述

双极系统接线方式是直流输电工程通常采用的接线方式，我国正在规划和已投运的长距离高压直流输电工程，均为双极运行方式。双极运行方式利用正负两极导线，与两端换流站的正负两极相连，构成直流侧的闭合回路。两端接地极形成的大地回路，可作为输电系统的备用回路［1-2］，双极直流输电系统接线如图1所示。

接地极系统由接地极及接地极引线两部分组成。接地极引线是把直流电流引入大地的线路，利用大地（或海水）作为廉价和低损耗回路。然而，随着经济的发展，可线路走廊资源越来越稀缺。因此，为减少对土地资源的占用，在工程应用中也不断探索采用直流输电线路与接地极引线同塔并架的方案［3-6］。直流线路和接地极引线共塔架设时，一般有3种方案，如图2所示。

图1 双极直流输电系统接线

图2 3种同塔并架布置方案铁塔示意

1）方案Ⅰ，接地极引线布置在直流线下方。这种布置方式的优点是利用了直流线和接地极线对地距离的差值，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。

2）方案Ⅱ，接地极引线布置在直流线上方。这种布置的优点是利用了直流线与接地极线悬垂串的长度差值，差值越大，增加的塔高越小，而且由于直流导线布置在下方，铁塔的负荷重心偏低，荷载分布合理。

3）方案Ⅲ，接地极引线兼做地线使用。由于接地极线本身就是地线，只是为避免地电流对附近金属和变压器等设施的影响才对地绝缘的，但仍是一端接地的“绝缘地线”。设计规范要求：“在雷电日大于40天的地区，接地极引线路宜架设单根避雷线”。接地极引线路绝缘水平低，外过电压条件下一般绝缘间隙均被击穿，是否架设地线对防雷水平变化不大，其防雷保护主要考虑保护绝缘子尽量不受损伤，架设地线是抑制雷电流幅值保护绝缘子不遭破坏的有效方式之一。如果取消普通地线，加强接地极引线的绝缘强度，同样可以达到保护绝缘子的目的。

对3种技术方案的经济指标和运行的影响进行对比分析，选定直流线路与接地极引线的最佳共塔架设方案，为工程设计提供依据。

2 共塔架设方案的技术论证

2.1 接地极线布置在直流线下方（方案Ⅰ）

接地极引线布置在直流线下方时，必须考虑直流导线和接地极导线的最小电气距离要求和两者档距中可能出现的最小距离，并在塔头设计时拉开直流导线挂点和接地极导线挂点的垂直距离，以保证两者档距中可能出现的最小距离满足规程最小电气距离的要求［3-4］。

按环境温度20℃、直流导线温度40℃、接地极导线温度20℃来计算直流导线和接地极导线两者档距中可能出现的最小距离，并选择合适的挂点高差，使得两者档距中可能出现的最小距离满足规程要求的最小电气距离，并依此确定直流导线与接地极线挂点之间的高差，计算公式［3］为

式中：h为挂点高差，m；λz为直流导线绝缘子串长，取10.5 m；λj为接地极导线绝缘子串长， 取1.8 m；Δf为直流导线与接地极线的弧垂差值，m；s为水平距离，取6.5 m；D为最小电气距离要求，取13.5 m。

按照式（1）计算不同代表档距及实际档距要求的最小挂点高差，如表1所示，并根据表1确定铁塔外形尺寸，如图3所示。

表1 挂点高差计算表 m

图3 方案Ⅰ的铁塔外形尺寸

接地极线布置在直流线下方时，随着档距的增大，因共塔引起的塔高增加量逐步加大。经计算，对于平地，塔高增加约为3 m；对于林区，由于跨树的需要，塔高增加约为7～9 m；对于跨越电力线等，塔高增加约11 m。

2.2 接地极线布置在直流线上方（方案Ⅱ）

同样，接地极引线布置在直流线上方时，也必须考虑直流导线和接地极引线的最小电气距离要求和两者档距中可能出现的最小距离，并在塔头设计时拉开直流导线挂点和接地极引线挂点的垂直距离，以保证两者档距中可能出现的最小距离不小于最小电气距离要求。

同样，按照式（1）计算了要求的挂点高差，如表2所示，根据表2确定铁塔尺寸，如图4所示。

表2 挂点高差计算表 m

图4 方案Ⅱ的铁塔外形尺寸

经计算，接地极线布置在直流线上方时，对地距离由直流线路控制，当接地极线布置在直流线和地线中间，塔高共增加约6.5 m。

2.3 接地极引线兼做地线使用（方案Ⅲ）

接地引极线兼做地线使用时，导地线布置方案的选择主要考虑 4 个因素［4-6］：

1）保证直流线与接地极线两者档距中可能出现的最小距离不小于最小电气距离要求。

2）线路档距中央导线和地线间的空间距离应按雷击档距中央地线时不致使二者间的空气间隙击穿来确定，其最小安全距离与雷电流陡度、档距长度及导线和地线间的耦合系数等有关。

3）架空线路设置地线，主要为了保护档距中部的导线避免遭受雷电绕击，一般规范都以塔头保护角来衡量地线的保护效果，保护角取-5°。

4）铁塔两地线之间的距离不应超过导地线间垂直距离的5倍。

对于一般档距，由于档距长度不很大，当雷击档距中央地线时，在雷电流未达到最大值之前，从杆塔接地装置反射回来的负波已达到雷击点，因而限制了雷击点的电位升高。根据我国大量的运行经验，DL/T 436—2005推荐了如下经验公式

式中：S为导线与地线间的距离，m；L为档距，m。

按照式（1）、式（2）计算，接地极引线兼做地线使用塔头尺寸特征值如表3所示，并根据表3确定铁塔外形尺寸，如图5所示。

表3 塔头尺寸特征值

图5 方案Ⅲ的铁塔外形尺寸

经计算，接地极引线兼做地线使用时，对地距离仍由直流线路控制，但地线头比单独架设升高了6.0 m，即塔高增加6.0 m。

3 3种方案比较

3.1 经济指标

相对于单独架设，并架段的铁塔主要是增加了铁塔高度，各方案增加的塔高如表4所示。铁塔高度的增加，必然提高铁塔和基础部分的投资，而铁塔投资约占整个工程的30%，所以共塔后的工程量估算主要是对主力直线塔进行外负荷计算，估算单基塔重及基础，最后得出各方案的单位长度的本体造价，如表5所示。

表4 各方案的塔头高度及塔高增加量

表5 典型直线塔的单基经济技术指标表

由表5可知，3种方案的本体造价比较相近，方案Ⅰ稍占优势。

3.2 运行影响

与方案Ⅰ相比，方案Ⅱ和方案Ⅲ均为低电压等级线布置在高电压等级线上方，一旦接地极引线发生故障，如遭遇恶劣气候跳线时断线或掉串，将引起直流线路连锁反应，进而导致换流站单极闭锁，孤岛运行。这将对接地极线的检修工作提出更高的要求，作业方式和作业时间受到更严格的限制。

因此，方案Ⅰ技术相对成熟、对运行的影响相对较小，加之方案Ⅰ本体造价稍占优势，因此工程设计可采用方案Ⅰ。

4 结语

针对同塔并架线路的特点，提出了接地极线布置在直流线下方、接地极线布置在直流线上方及接地极线兼做地线使用3种架设方案，通过经济指标及对运行的影响两个方面的对比分析，得出接地极引线布置在直流线下方为最佳方案。