接地极线路架设方式对单极接地故障下过电压沿线分布的影响

接地极线路架设方式对单极接地故障下过电压沿线分布的影响

杨碧清,徐荣龙

宁德市供电服务有限公司柘荣分公司，  福建 宁德  355300

摘要：在实际工程中，特高压输电线路往往面临通道紧张的情况，接地极线路与直流输电线路同塔架设的设计是技术经济性的必然选择。鉴于此，本文对接地极线路架设方式对单极接地故障下过电压沿线分布的影响进行了分析探讨，仅供参考。

关键词：特高压直流输电；接地极线路；影响

一、接地极线路

接地极是(特)高压直流输电系统的重要组成部分，发挥着为直流电流提供通路、钳制中性点电位的作用。为了减小接地极入地电流可能带来的负面效应，接地极址的选择必须满足一定的要求。随着高压直流输电(HVDC)工程的快速发展，接地极址的选择变得日益困难，一些直流工程的接地极与换流站的距离已经达到100km以上。随着距离的增长，接地极线路发生故障的概率大幅增加，针对接地极线路保护的研究也日益引起研究人员的重视。

接地极线路是直流系统不平衡电流入地的通道，它连接换流站和接地极址，在正常运行情况下流过接地极线路的电流很小，线路电压几乎为零。在单极大地回线运行情况下，虽然流过接地极线路的电流大，但是稳态电压通常不超过10kV，现有接地极线路外绝缘均参考35kV交流线路设计。实际运行中直流系统出现故障破坏平衡运行时，接地极线路上可能出现过电压，会导致线路外绝缘事故发生。目前，对接地极线路内部过电压的形成机理、暂态特性及影响因素研究尚不多见，给接地极线路的外绝缘设计、闪络事故分析及日常运行维护造成了较大的困扰，需要开展相关分析工作。

二、接地极线路的架设方式

接地极导线一般分为两束，水平对称地布置在杆塔两侧。接地极线路一般采用单独架空线路设计，如图1所示。对于走廊拥挤地段，接地极线路可与直流输电线路同塔架设，接地极线路宜位于直流输电线路导线下方，如图2所示。

三、架设方式对过电压分布影响的电路分析

1、内部过电压的产生

图3为特高压直流系统输电线路单极故障时的运行结构。故障电流通过直流侧换流器、直流滤波器、极线平波电抗器、直流线路故障点、送端接地极、接地极线路、中性母线电抗器形成回路。由于线路的电感效应，接地极线路在瞬变电流下将产生过电压。

为简化分析，可将接地极线路单独架设情况下的故障回路等效成图4。其中，Ls为交流系统等效电抗，Lp为平波电抗器，LH为直流输电线路电感，Le为接地极线路电感，Ln为中性母线平波电抗器电感，C为中性母线冲击电容，E为系统电源。直流输电线路某处发生接地故障后，相当于开关S闭合，系统电源E对整个回路充电，所有电感均会承受过电压。

接地极线路上的电压u(t)与流过接地极线路电流i(t)的关系可简化为

可见，接地极线路越靠近中性母线的地方，电感值越大，内部过电压越大。中性母线处的L即为整条接地极线路的电感Le，其过电压幅值最高。在直流控制保护动作前，中性母线处的电压为接地极线路电感Le与冲击电容并联的阻抗值对回路总阻抗的分压。Le一般远小于回路总电抗，不会影响回路电流幅值，所以接地极线路越长，中性母线处过电压幅值越大。

2、同塔架设对内部过电压的影响

直流接地极线路与直流输电线路同塔架设情况下的故障等效回路如图5所示。其中，ΔLH为同塔架设段内直流输电线路的电感单元，ΔLe为同塔架设段内接地极线路的电感单元，ΔC为同塔架设段内接地极线路与直流输电线路的电容单元，L’e为非同塔架设段的接地极线路电感，Ld为整个故障回路其余电感总和，E为系统电源。

四、接地极线路内部过电压分布的仿真分析

1、仿真模型

采用EMTP建立特高压直流系统接地极线路过电压分析模型。直流系统结构如图6所示。设备参数参考目前特高压直流输电系统，如表1所示。对于接地极线路单独架设的情况，导线平均高度为27m，左右导线间距为6m。对于接地极线路同塔架设的情况，接地极线路导线平均高度为27m，左右导线间距为11．5m，高压直流输电线路导线平均高度为38m，左右导线间距为25m。同塔架设段为整流站出口0～50km。

仿真模型中的故障点为极I直流输电线路上距离整流站50km的位置。将接地极线路均分为10段，每段设置一个观测点，如图7所示。

2、单独架设

单独架设的接地极线路内部过电压波形如图8所示。为让各观测点的波形易于分辨，图中仅给出了观察点2、4、6、8、10的电压波形，分别对应换流站出口10km、30km、50km、70km和90km的电气距离。各观测点过电压的波形特征较为一致，仅幅值存在差别。过电压的波前时间较长，约为4ms，与实际故障中的过电压特征一致。图9为接地极线路内部过电压分布情况。可见，接地极线路内部过电压的幅值从换流站中性母线到接地极址呈近似线性减少的趋势。

3、同塔架设

对于接地极线路与直流输电线路同塔架设的情况，观测点1、3、9的过电压波形如图10所示。观测点1的波形特征与单独架设时相似，波前时间约为4ms。同塔架设段内的观测点3和线路尾端的观测点9含有明显的高频振荡。其中观测点9的过电压最大值出现在故障发生后的高频振荡部分。图11为接地极线路内部过电压分布情况。接地极线路内部过电压的幅值分布呈非线性下降趋势，同塔架设段内的过电压幅值高于换流站出口处。

研究了直流接地极线路架设方式对内部过电压的影响，得出如下结论:1)对于单独架设的接地极线路，其内部过电压的幅值从换流站中性母线到接地极址呈近似线性减少的趋势，换流站出口处的幅值最高。2)对于与直流输电线路同塔架设的接地极线路，其内部过电压的沿线幅值分布为非线性，同塔架设段内的过电压可能高于换流站出口处。3)接地极线路的绝缘配合应考虑接地极线路的架设方式。对于单独架设的情况，站内的接地极引线避雷器可以保护整条线路。对于同塔架设的情况，应通过仿真计算确定过电压最高值，并以此为基础进行配合，以避免线路绝缘在内部过电压下击穿。

结束语

本文以±800kV直流输电工程作为分析对象，利用EMTP建立接地极线路内部过电压仿真模型，研究接地极线路架设方式对其内部过电压的影响。

参考文献

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