已建線路架空地線短路熱穩(wěn)容量校核計算

竇 飛，喬黎偉

(江蘇省電力公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，江蘇南京210024)

江蘇電網(wǎng)接線復(fù)雜，且與華東電網(wǎng)主網(wǎng)緊密相聯(lián)，隨著系統(tǒng)容量的不斷增大，當(dāng)前江蘇220 kV電網(wǎng)單相接地短路電流水平不斷提升，220 kV樞紐站一般為35～50 kA，與其相鄰的一、二級220 kV站為20～40 kA，其余普通220 kV站為15～30 kA。江蘇電網(wǎng)早期建設(shè)的220 kV輸電線路，架空地線多采用GJ-50、GJ-70等短路容量較小的地線，雖然滿足了當(dāng)時電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的要求，但隨著系統(tǒng)容量的增大和線路π接、改接，部分已建線路的地線已不能滿足短路熱穩(wěn)要求，此問題在近期江蘇220 kV輸變電工程的建設(shè)中較為突出。如架空地線的短路熱穩(wěn)容量不足，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，將引起地線損傷斷股，斷股修復(fù)需要停電，如果股線松絞伸向帶電的相線，將造成單相或多相接地短路。因此已建線路架空地線熱穩(wěn)容量的校核，應(yīng)在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計階段中予以足夠重視，以免給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來隱患。文中提出了單相接地短路電流分布以及地線短路熱穩(wěn)容量的工程計算簡化方法；并計算出已建線路常用地線的短路熱穩(wěn)容量，作為地線是否需要開展短路熱穩(wěn)增容改造的評判依據(jù)；并提出了地線短路熱穩(wěn)的增容改造方案。

江蘇電網(wǎng)接線復(fù)雜，且與華東電網(wǎng)主網(wǎng)緊密相聯(lián)，隨著系統(tǒng)容量的不斷增大，當(dāng)前江蘇220 kV電網(wǎng)單相接地短路電流水平不斷提升，220 kV樞紐站一般為35～50 kA，與其相鄰的一、二級220 kV站為20～40 kA，其余普通220 kV站為15～30 kA。江蘇電網(wǎng)早期建設(shè)的220 kV輸電線路，架空地線多采用GJ-50、GJ-70等短路容量較小的地線，雖然滿足了當(dāng)時電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的要求，但隨著系統(tǒng)容量的增大和線路π接、改接，部分已建線路的地線已不能滿足短路熱穩(wěn)要求，此問題在近期江蘇220 kV輸變電工程的建設(shè)中較為突出。如架空地線的短路熱穩(wěn)容量不足，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，將引起地線損傷斷股，斷股修復(fù)需要停電，如果股線松絞伸向帶電的相線，將造成單相或多相接地短路。因此已建線路架空地線熱穩(wěn)容量的校核，應(yīng)在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計階段中予以足夠重視，以免給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來隱患。文中提出了單相接地短路電流分布以及地線短路熱穩(wěn)容量的工程計算簡化方法；并計算出已建線路常用地線的短路熱穩(wěn)容量，作為地線是否需要開展短路熱穩(wěn)增容改造的評判依據(jù)；并提出了地線短路熱穩(wěn)的增容改造方案。

1短路電流在架空地線中的分布計算

1.1計算模型

當(dāng)輸電線路發(fā)生單相接地故障時，短路電流從故障點沿架空地線向兩側(cè)擴(kuò)散；從故障點往線路的方向看，桿塔接地電阻和地線的阻抗形成了鏈形網(wǎng)絡(luò)[1]。在工程計算中，一般采用圖1所示的等值電路，其中Rti為桿塔接地電阻，Zgi為地線的阻抗。

圖1鏈形網(wǎng)絡(luò)等效電路

假設(shè)圖1鏈形網(wǎng)絡(luò)無限長、桿塔之間的檔距和接地電阻全部相等，即Rti=Rt，Zgi=Zg，則圖 1等效阻抗Z可用（1）式表達(dá)。

輸電線路的兩端，特別是進(jìn)變電站的終端塔發(fā)生單相接地故障時，進(jìn)線檔地線承受的短路電流分量最大，因此將故障點選取在終端塔上進(jìn)行分析。假設(shè)連接L站和R站的輸電線路在L站的終端塔k處發(fā)生單相接地故障，故障電流的分布如圖2所示，等值電路如圖3所示。

圖3短路電流計算的等值電路

其中：IL，IR為自 L，R 站的單相接地短路電流；IL1，IL2為自地線1，2返回故障點左側(cè)的電流；IR1，IR2為自地線1，2返回故障點右側(cè)的電流；IL'為經(jīng)L站變壓器中性點返回故障點的短路電流；Ik，Ig為經(jīng)桿塔接地體和L站接地網(wǎng)的入地電流；Rtk為終端塔k接地電阻；ZL為終端塔和變電站間的進(jìn)線檔架空地線阻抗；ZR為短路點右側(cè)鏈形網(wǎng)絡(luò)等效阻抗，按式（1）計算；Rg為L站的接地電阻；Re為L站的等效接地電阻，Re=β×Rg（0＜ β＜1），工程計算中取 β=0。

短路電流自k點注入后，大部分經(jīng)L站變壓器中性點返回故障點，只有少部分返回R站或經(jīng)L站接地網(wǎng)和終端桿塔 k 的接地體入地。 （IL1＋I(xiàn)L2）與（IL＋I(xiàn)R）的比值，即注入的短路電流由進(jìn)線檔地線承擔(dān)的比例，主要由線路長度決定，文獻(xiàn)[2]曾以典型參數(shù)對不同長度的輸電線路進(jìn)行計算，線路路徑長度25 km時約為70%，線路路徑長度189 km為87%。對于220 kV的工程計算，可以偏保守采取90%進(jìn)行校核。

1.2 2根地線中的短路電流分布

兩根地線中短路電流分配的等值電路如圖4所示，其各自分配到的短路電流按式（2）計算[3]。

圖4短路電流在2根地線中的分布等效電路

式中：I為2根地線承受的總短路電流，A；I1，I2為地線 1，2 承受的短路電流，A；Z11，Z22為地線 1，2 的自阻抗，Ω/km；Z12為地線1和2之間的互阻抗，Ω/km，工程計算中，一般不考慮導(dǎo)線和地線間的互感，僅考慮2根地線間的互感。

地線的自阻抗和互阻抗分別按式（3）和式（4）進(jìn)行計算[4]。

式中：Zii為地線的自阻抗，Ω/km；Zij為地線的互阻抗，Ω/km；R為地線的直流電阻，Ω/km；De為地中電流等效深度，m；re為地線的有效半徑，m；Dij為地線i，j之間距離，m。

2架空地線短路熱穩(wěn)容量計算

2.1截面校驗公式

（1）鋼絞線和鋼芯鋁絞線的簡化計算。由DL/T 621－1997、DL/T 5222－2005提出的接地線截面校驗公式，推導(dǎo)出地線熱穩(wěn)容量表達(dá)式（5）[5，6]，鋼絞線和鋼芯鋁絞線可采用該式計算。

式中：Q為地線的短路熱穩(wěn)容量，kA2·s；S為載流部的截面，mm2；C為熱穩(wěn)定系數(shù)，可自上述兩標(biāo)準(zhǔn)直接查?。汗ぷ鳒囟?0℃、短路允許溫度400℃[7]時，鋼的熱穩(wěn)定系數(shù)C=70；工作溫度40℃、短路允許溫度200℃[7]時，鋁的熱穩(wěn)定系數(shù)C=99。

鋼絞線采用單一金屬材質(zhì)絞合而成，故其全部鋼截面均可視作載流部。當(dāng)?shù)鼐€由不同金屬線絞合而成，由于金屬絞線之間接觸不緊密，短路電流的持續(xù)時間很短，因此電流在外層金屬線中產(chǎn)生的熱量，來不及擴(kuò)散到內(nèi)層不同金屬材質(zhì)的單線中，因此一般只考慮將外層同材質(zhì)的金屬作為載流部。鋼芯鋁絞線短路容量計算時，不考慮鋼芯的熱容量，僅以鋁作為載流部。據(jù)此計算出常用型號地線短路熱穩(wěn)容量，如表1所示。

表1鋼絞線和鋼芯鋁絞線短路熱穩(wěn)容量

（2）鋁包鋼絞線和鋁包鋼芯鋁絞線。鋁包鋼單線是在鋼的表面均勻包覆一定厚度的鋁，通過連續(xù)強(qiáng)制拉拔形成的高效雙金屬材料，具有電流集膚效應(yīng)較小、鋁鋼接觸緊密的特點。鋁包鋼絞線全部由鋁包鋼單線絞合而成，熱穩(wěn)容量計算時，可將其視作單一材質(zhì)地線，即短路過程中鋁、鋼等溫，并計入鋼的熱容量。 鋁包鋼芯鋁絞線，外層鋁單線的結(jié)構(gòu)同于鋼芯鋁絞線；其內(nèi)層為鋁包鋼單線，熱穩(wěn)計算時，不考慮鋼的熱穩(wěn)容量，但需計入表面鋁的熱容量。

前述兩型地線短路熱穩(wěn)容量采用式（6）計算[7]。

式中：Q為地線的短路熱穩(wěn)容量，kA2·s；C為絞線的熱容量，J/（℃·km）；α0為絞線 20 ℃時的電阻溫度系數(shù)，℃-1；R0為絞線 20 ℃時的電阻，Ω/km；t1為地線初始溫度，℃，一般取40℃；t2為地線短路熱穩(wěn)定允許溫度，℃，鋁包鋼絞線的短路最高允許溫度取300℃，鋁包鋼芯鋁絞線取200℃。

整根絞線的綜合熱容量C按式（7）計算。

式中：Mi為材料 i的單位質(zhì)量，g/cm3，鋁取 2.7，鋼取7.8；Ci為材料 i的熱容量，J/（g·℃），鋁取 0.888，鋼取0.46；Si為材料i的截面，mm2。據(jù)此計算出常用型號地線短路熱穩(wěn)容量如表2所示。

2.2短路電流的持續(xù)時間

架空地線的短路容量確定后，其最大允許短路電流按式（8）計算。

表2鋁包鋼絞線和鋁包鋼芯鋁絞線短路熱穩(wěn)容量參考值

式中：Q為地線的短路熱穩(wěn)容量，kA2·s；t為短路電流持續(xù)時間，s；Imax為與短路電流持續(xù)時間相對應(yīng)的最大允許短路電流，kA。t主要由繼電保護(hù)及斷路器動作時間決定[8，9]。

當(dāng)前220 kV線路工程計算主要有0.12 s，0.15 s，0.20 s，0.25 s等 4 種取值。 0.12 s：主保護(hù)動作及斷路器單相開斷時間一般在0.12 s以內(nèi)，該值用于極端情況下的驗算；0.15 s：在前述0.12 s基礎(chǔ)上考慮一定裕度，用作普通地線驗算；0.20 s：已建線路的普通地線更換為復(fù)合光纜地線（OPGW）時，再考慮一定裕度所采取的驗算時間；0.25 s：考慮主保護(hù)動作-短路切除-重合閘-重合閘不成功（故障未消除）-主保護(hù)再次動作等步驟，由保護(hù)動作時間、通道時間、斷路器動作時間、重合閘及保護(hù)再次動作時間、短路電流非周期分量等組成的持續(xù)等效時間，其值約為0.25 s，近期新建工程一般取用，該值驗算。

普通地線和OPGW的短路電流持續(xù)時間應(yīng)區(qū)別對待，OPGW除用作普通地線外，還用于系統(tǒng)通信，故須保證內(nèi)部纖芯的溫升在容許范圍內(nèi)，以防光纖過快老化或過熱損壞；而普通地線，僅需避免機(jī)械強(qiáng)度的明顯下降及不可回復(fù)的塑性變形，這種情況往往是在長期的效應(yīng)積累后才可能發(fā)生，所以瞬間的高溫不會對分流地線造成大的影響。

根據(jù)以上分析，建議已建線路架空地線熱穩(wěn)容量校核時短路電流的持續(xù)時間，普通地線取0.15 s、OPGW取0.20 s。

3地線熱穩(wěn)增容改造方案

3.1某實際220 kV工程舉例

江蘇電網(wǎng)2011年220 kV H輸變電工程，需將已建的220 kV J變電站至D變電站的單回線路（以下簡稱J-D線）π入新建的H變電站。J-D線建設(shè)年代較早，兩根地線均為GJ-50型鋼絞線；H變電站投運(yùn)后的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)容量，較J-D線當(dāng)初設(shè)計時所考慮的邊界條件發(fā)生了較大變化，H站、D站短路電流接近30kA，J站短路電流接近50 kA，GJ-50地線已明顯不能滿足短路熱穩(wěn)要求，必須采取一定的增容措施。

3.2可采取的措施

3.2.1更換地線

地線短路熱穩(wěn)增容，最有效的方法是將其更換為較高熱穩(wěn)容量的良導(dǎo)體地線，如將鋼絞線更換為鋁包鋼絞線或結(jié)合通信網(wǎng)的規(guī)劃，更換為OPGW。地線更換時，需注意鐵塔及基礎(chǔ)強(qiáng)度校驗、檔距中央導(dǎo)地線電氣距離校驗（特別是大檔距）。鐵塔和基礎(chǔ)的強(qiáng)度校驗，仍沿用已建線路的原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如不滿足強(qiáng)度要求，原則上不更換鐵塔主材，僅更換地線支架和部分塔身斜材。根據(jù)工程經(jīng)驗，對于水泥桿，由于服役期較長、桿體狀況差等原因，往往不具備單獨更換地線支架和塔身斜材的條件，只能整體改造為角鋼塔。需要指出的是，前述更換地線支架和塔身斜材的方案，由于鐵塔受力后的形變以及鐵塔施工圖與放樣圖的差異，其工程實施相對較為困難，不宜大范圍應(yīng)用。

3.2.2降低桿塔接地電阻

降低桿塔的接地電阻可以增加短路電流的入地分量，從而減少流經(jīng)架空地線的短路電流。江蘇省220 kV桿塔的接地電阻一般按不高于5～10 Ω設(shè)計；根據(jù)工程經(jīng)驗，采取一定措施后可以將接地電阻控制在3 Ω，但需采用特殊接地裝置，且對場地布置要求高，很難實現(xiàn)。因此如已建線路架空地線的短路容量偏緊，可對變電站進(jìn)出口段的數(shù)基桿塔進(jìn)行接地裝置改造，將桿塔的接地電阻控制在3 Ω以內(nèi)。

此外，由于變電站的接地電阻一般要求在0.5 Ω以內(nèi)，因此對于承受最大短路電流的終端塔，可將其接地體與變電站的接地網(wǎng)相連，以降低桿塔接地電阻，增加短路電流的入地分流。

3.2.3保證地線與塔身的可靠連接

地線引流線可保證地線與桿塔的可靠連接，普通地線設(shè)計時，一般僅通過金具與塔身相連，其可靠性不高；如已建線路架空地線的短路容量偏緊，可考慮在塔身上增加接地孔，加裝地線接地引流線。

3.2.4采用地下分流線

在線路比較平坦的地區(qū)，如具備場地條件，可通過敷設(shè)接地帶，將變電站出口段1～2 km范圍內(nèi)的桿塔接地裝置聯(lián)結(jié)起來，其作用原理相當(dāng)于架設(shè)了第三根地線，當(dāng)桿塔發(fā)生導(dǎo)線單相接地故障時，可對地線起分流作用，同時又可作為桿塔的接地裝置。

3.2.5多回路地線并聯(lián)

將變電站出口不同出線回路的數(shù)個終端塔接地體連接起來，則短路電流可沿多個出線回路的地線流進(jìn)變電站，這樣回路電流可大幅減小。但如連接的終端塔過多，則須注意過流零序保護(hù)問題[10]。

4結(jié)束語

短路電流在架空地線和桿塔接地體間的分布，如精確計算，需求解由線路各檔構(gòu)成的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，計算煩瑣。本文提出的工程計算方法，簡化了計算過程，滿足工程計算精度要求。計算出的已建線路常用架空地線的熱穩(wěn)容量值，可以作為地線是否需要開展短路熱穩(wěn)增容改造的評判依據(jù)。已建線路架空地線不滿足熱穩(wěn)容量要求時，可采用更換地線、降低桿塔接地電阻、保證地線與塔身的可靠連接、建設(shè)地下分流線、多回路地線并聯(lián)等措施。

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