高壓直流輸電線路的非對稱設計

高 森

（國網江蘇省電力有限公司揚州供電分公司，江蘇 揚州 225000）

高壓直流輸電線路非對稱設計是為了滿足系統運行要求，通過考慮線路參數、線路結構和輸電設備等方面的非對稱性，提高線路的輸電能力和可靠性。設計高壓直流輸電線路時，需要考慮線路的參數非對稱性，如線路電阻、電抗和電容等的差異。合理的設計可以降低線路阻抗的非對稱性，提高線路的輸電能力。還需要考慮輸電設備的非對稱性，如換流變壓器和換流器組等。合理的設計可以降低輸電設備的非對稱性，提高輸電系統的穩定性和可靠性[1-2]。

1 高壓直流輸電線路設計限制條件

從可接受的對稱HVDC 架空線路設計和工作電壓開始，最大負電壓增加即保持正梯度恒定，可以通過如下方面進行確定。1）基于對異常閃絡的考慮，為負導體梯度設置任意限制。2）地面電場感知。3）絕緣和間隙問題。限制條件取決于基本情況下的電壓、配置和導體尺寸。由于直流絕緣在很大程度上取決于耐污染強度[3-5]，因此由中等程度的不對稱性導致的雷電性能變化對設計影響較小。

根據不同的應用，同軸電纜可設計為不同的阻抗、不同的材料和帶寬，其特性阻抗（Z0）通過公式（1）近似得到。

式中：μ和ε分別是介電磁導率和介電常數；R2是外電極半徑；R1是中心半徑。

在公式（1）中，同軸電纜電極半徑的變化決定其特性阻抗。由于大多數局部放電測量實驗臺是通過平板連接到數據采集系統的，因此，應用同軸熱釋光法測量局部放電脈沖有一定難度。在該情況下，如果將同軸輸電線路（TL）的中心電極視為平地電極，那么局部放電實驗臺的TL 尺寸將顯著大于連接電纜的尺寸，并提供了終端問題解決方法。

本文推薦了一種替代方法，在局部放電測量裝置的底部增加一個圓錐形TL，以便為接地電極提供更大的接地面積，并為測量電纜提供更好的終端。此外，在本文設計中，高壓代表激勵點，R是限流電阻，CC 是耦合電容，TO 是局部放電源。錐形TL 的特性阻抗計算如公式（2）所示。

式中：θ1和θ2分別是TL 的中心和外電極角度。

高壓直流輸電過程中換流器消耗的無功功率如公式（3）、公式（4）所示。

式中：P為換流器直流側功率，MW；φ為換流器的功率因數角；μ為換相角；α為整流器觸發角。

當換流器以逆變方式運行時，公式（4）中的α用γ代替，γ為逆變側關斷角。

2 高壓直流輸電線路構建

導體梯度極限增益如圖1所示。不對稱優勢的第一個近似值可以通過圖1 的簡單、恒定高度雙極配置來證明，其中+/-200kV 的平衡直流電壓（橫坐標上的左、右點）導致出現大約20kV/cm 的導體表面梯度。地面水平電場和AN水平非常低。在該橫坐標值處，負電壓可以增加。降低正電壓以保持恒定的正梯度。在負梯度達到27kV/cm 前，可以增至大約294kV，該情況下需要設置極限值。由于正電壓調整，AN保持不變，并在平衡電壓下比功率的額定功率增約22%。

圖1 導體梯度極限增益

假設原始平衡電壓增加，在橫坐標上向右移動，則起點AN增加，并且根據上述規則，負電壓的百分比增加較小，功率增加也遵循此規則。假設原始平衡電壓在兩極（橫坐標上最右邊的點）產生等于本文最大設定值（27kV/cm）的起始點梯度時，負電壓不再增加。如果圖1 增加極間距和負導體高度以適應更高的負電壓，進而可實現更高的總電壓，暫時忽略地面場感知可能施加的任何限制，因此，圖1 中的增益是保守的。

假設正極在頂部進行垂直配置且正極在底部具有更大優勢，則會產生類似的電壓優勢。使用如圖2所示的三導體束并僅將最大導體梯度作為約束來重復圖1 的水平情況，則可以維持較高電壓，但在該例中，地面電場感知效果會減弱。

圖2 受場感知限制的增益

感知水平s是輸電線路工作站建議的等級，其中等級1是“剛剛可感知的”，2 是“絕對可感知的”，3 是“超出感知極限”。在該情況下，感知可能會成為不對稱性的限制，并取決于起點電壓。類似圖2 的結果也適用于垂直陣列。將s作為假定的感知指數，或地面電場E、離子電流密度J這2 個影響感知的因素進行計算較復雜，一般通過相關專業軟件來實現。雖然模型的結果并不總是一致的，并且取決于配置，但一份研究結果顯示，負極的E和J都大于正極，感知s可能比圖2 和圖4所示的更嚴重，其中s被描述為極限。

上述基本兩極情況可以擴展到分裂雙極和三極陣列，這2 種陣列對平均或小導體尺寸都將顯示出受表面梯度限制的相似優勢模式，并將感知水平作為較大導體尺寸或束限制的前提條件。

3 實例驗證

3.1 線路設計參數

基于上述結果，本文對250kV、400kV、500kV 和600kV水平配置的HVDC 線路示例進行了詳細建模，每個示例都借鑒目前使用的線路標準尺寸，并運用不對稱設計、建造了一條性質相同、性能更優的高壓直流輸電線路。

表1 線路參數

圖3 500kV 配置

圖4 非對稱結果500kV 示例

圖4 中的500kV 示例假設有18 個6.5 盤式絕緣子，每個具有508mm 的絕緣距離，特定絕緣距離約為23mm/kV，總串長為117。假設電極電壓相等，該絕緣串如圖5（a）所示，正極長度的10%調整如圖5（b）所示。該極性具有更好的污閃性能。圖5（c）對負極進行了2 次修正，增加了絕緣體的數量，以適應負電壓10%的增加值，并略微提高了懸掛點，上述增益將提高電氣部件安全規范間隙要求。圖5（d）將這些調整擴展到負電壓增加20%的幅度。

圖5 500kV 絕緣和高度調整示例

圖5（d）中20%的不對稱情況要求負極導線的懸掛點增加約“36”，對新結構來說較合理，但對分配給負極負載的交流相位而言會出現新的問題。如果在20%不對稱的情況下將負極的橫向保持固定，導線懸掛點升高“10”（25.4cm）以滿足規范要求，那么絕緣空間的垂直分量會減少約10/117=8.5%，而剩余垂直距離的承受要求會增加20%。此改進順序可能較難通過“轉換為長棒絕緣體”選項來實現，但顯然可以通過“轉換為浮動端配置”來實現，其中額外的爬升距離主要在水平面內實現。

3.2 仿真結果

在上文的實例中，對所實現的MW 增加來說，絕緣體數量凈增加的成本非常小。但是負導線的懸掛點越高，塔架的橫向力矩越大，并通過略微降低正懸掛點而部分影響偏移。根據圖5所示，對于10%的不對稱性，力矩增加約為0.7%，對于20%的不對稱性，則增加1.7%。作為一階近似，塔架成本約隨水平力矩的平方根而增加，因此，對于上述2 個不對稱水平，塔架成本分別增加了約0.4%和0.8%。

使用示例塔架質量，假設鋼構件的成本為26 元/kg，采用2 ∶1 的乘數進行架設時，在不對稱性為10%的情況下，增加400kV 輸電線路容量的成本約為67.5 元/MW·km，在不對稱度為20%的情況下約為150 元/MW·km，兩者比新建實現的容量成本低一個數量級以上。

換流站不對稱的成本需要與輸電線路的成本相加，該成本因不同的電力公司會有所不同。盡管有線性整流器（LCC）轉換器，但其適用于電壓源（VSC）轉換器的第一近似值，每千瓦的成本會隨額定值的增加而下降，并接近更高額定值的水平值?？紤]對相同的額定電流老說，增加直流電壓主要是靠更多的開關和更高的變壓器電壓，其他變電站成本不受影響，因此，與輸電線路本身相同，不對稱換流站容量的增量成本可以小于原始站容量的成本。

4 結論

HVDC 線路的不對稱設計或電壓分配具有較大優勢，具體如下：1）載雙極電壓受導體梯度效應限制的情況下，將負極電壓增加約20%，同時略微降低正極電壓，可獲得10%的MW 額定增益。對已經在低導體表面梯度下操作的線路來說，該增益是最高的。2）在主要關注地場效應的情況下，不對稱性的優勢更明顯，并取決于對正電場與負電場的相對大小和離子電流密度的假設。3）通過不對稱性增加輸電塔MW額定值的增量成本比新建工程的每MW公里成本低一個數量級。4）本文分析未考慮損失。然而，出于對異常閃絡的考慮而制定的導體表面梯度限制，可以將損耗限制在合理水平。5）在每MW 公里輸電線路容量增量成本較高的前提條件下，高壓直流線路非對稱性設計是最具優勢的。