輸電線路架空地線節(jié)能接地技術(shù)

彭向陽(yáng)，毛先胤，胡衛(wèi)，王宇，王建國(guó)

(1.廣東電力科學(xué)研究院，廣州市510080;2.重慶電力公司江津供電分公司，重慶市400026;3.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市430072)

0 引言

我國(guó)110kV及以上輸電線路架空地線主要有普通地線(common overhead ground wire，CGW)和光纖復(fù)合地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)2種，基于防雷和通信考慮，架空地線大多采取逐基接地方式，由于架空地線與導(dǎo)線間存在電磁感應(yīng)，架空地線中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流。對(duì)廣東電網(wǎng)部分交流線路架空地線感應(yīng)電流實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，500kV線路2條地線逐基接地時(shí)，典型感應(yīng)電流達(dá)70 A，電能損耗達(dá)2.84×104kW·h/(a·km)?？梢姡芸盏鼐€電能損耗不容忽視，但傳統(tǒng)輸配電線損計(jì)算只考慮導(dǎo)線電能損耗，其大小基于負(fù)荷電流和導(dǎo)線電阻，對(duì)架空地線電能損耗未足夠重視。

為減小架空地線逐基接地或多點(diǎn)接地引起的電磁感應(yīng)電流及電能損耗，實(shí)現(xiàn)架空地線節(jié)能，并綜合考慮架空地線防雷、通信性能，架空地線可采用絕緣單點(diǎn)接地方式，且地線端部電磁感應(yīng)電壓宜限制在500～1 000 V以下，以保證架空地線帶電作業(yè)安全。

當(dāng)輸電線路長(zhǎng)度較短，如不超過5 km時(shí)，若架空地線全線電磁感應(yīng)電壓未超過1 000 V，架空地線應(yīng)采用絕緣單點(diǎn)接地方式，接地點(diǎn)可設(shè)置在絕緣架空地線端部或中部;當(dāng)輸電線路較長(zhǎng)時(shí)，若架空地線全線電磁感應(yīng)電壓超過1 000 V，可采取地線分段、地線換位、導(dǎo)線換位、導(dǎo)地線配合換位等措施降低絕緣架空地線單點(diǎn)接地時(shí)端部電磁感應(yīng)電壓［1-3］。

單回線路和同塔多回(或雙回)線路架空地線感應(yīng)電壓沿線分布規(guī)律是不同的，可根據(jù)其不同特性總結(jié)出單回線路、多回線路架空地線典型接地方式，既能實(shí)現(xiàn)架空地線的節(jié)能降損，又能限制架空地線感應(yīng)電壓低于1 000 V。

本文對(duì)輸電線路架空地線節(jié)能工程實(shí)施過程中的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，相關(guān)技術(shù)已在廣東電網(wǎng)5個(gè)供電局20余回110kV及以上冰區(qū)、非冰區(qū)線路中實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

1 單回線路架空地線接地方式

1.1 單根地線

我國(guó)單根架空地線一般用于35kV及以下電壓等級(jí)，部分110kV線路有時(shí)也會(huì)采用單根地線。單回線路只有1根地線時(shí)，為控制絕緣架空地線單點(diǎn)接地時(shí)地線端部的感應(yīng)電壓，可采取地線分段配合地線接地點(diǎn)選擇位置的措施，使地線端部感應(yīng)電壓控制在500～1 000 V以下。

1.1.1 接地點(diǎn)在各分段端部

架空地線接地點(diǎn)設(shè)置在各分段地線的端部時(shí)，接地方式如圖1所示，架空地線的最大感應(yīng)電壓U0出現(xiàn)在各分段地線的另一端部。地線分段節(jié)距l(xiāng)0按式(1)計(jì)算確定。

圖1 接地點(diǎn)在各分段地線端部Fig.1 Ground point at the end of each part ground wire

根據(jù)架空地線感應(yīng)電壓計(jì)算公式，地線感應(yīng)電壓與導(dǎo)、地線互感成正比，與導(dǎo)線電流成正比，這與式(1)結(jié)果是一致的。

1.1.2 接地點(diǎn)在各分段中部

架空地線接地點(diǎn)設(shè)置在各分段地線的中部時(shí)，接地方式如圖2所示，架空地線的最大感應(yīng)電壓U0出現(xiàn)在各分段地線的2個(gè)端部。

地線分段節(jié)距l(xiāng)0按式(2)計(jì)算確定。

圖2 接地點(diǎn)在各分段地線中部Fig.2 Ground point at the middle of each part ground wire

式(1)～(2)中:l0為地線分段節(jié)距，km;U0為地線感應(yīng)電壓限值(建議取500～1 000 V)，下同，V;I為輸電線路運(yùn)行電流，A;k為電壓等級(jí)系數(shù)，110kV取12～15，35kV 及以下電壓等級(jí)取15～18。

1.2 2根地線

單回線路采用2根架空地線時(shí)，為控制絕緣地線單點(diǎn)接地時(shí)端部感應(yīng)電壓，可采取地線分段的措施［4］，并配合接地點(diǎn)位置選擇，使地線端部電磁感應(yīng)電壓控制在500～1 000 V以下。

接地點(diǎn)設(shè)置在各分段地線端部時(shí)，接地方式如圖3所示。地線分段節(jié)距l(xiāng)1按式(3)計(jì)算確定。

圖3 接地點(diǎn)在各分段地線端部Fig.3 Ground point at the end of each part ground wire

接地點(diǎn)設(shè)置在各分段地線中部時(shí)，接地方式如圖4所示。地線分段節(jié)距l(xiāng)2按式(4)計(jì)算確定。

式(3)～(4)中:l1、l2為地線分段節(jié)距，km;U0為地線感應(yīng)電壓限值，V;I為輸電線路運(yùn)行電流，A;k為電壓等級(jí)系數(shù)，500kV取8～10，220kV取10～12，110kV 取12～15。

圖4 接地點(diǎn)在各分段地線中部Fig.4 Ground point at the middle of each part ground wire

2 同塔多回線路架空地線接地方式

同塔多回(含雙回)線路絕緣架空地線單點(diǎn)接地時(shí)宜采用地線分段單點(diǎn)接地方式降低感應(yīng)電壓，并配合接地點(diǎn)位置選擇。

2.1 分段地線端部接地

架空地線接地點(diǎn)設(shè)置在各分段地線端部時(shí)，接地方式如圖5所示。地線分段節(jié)距l(xiāng)3按式(5)計(jì)算確定。

圖5 接地點(diǎn)在各分段地線端部Fig.5 Ground point at the end of each part ground wire

2.2 分段地線中部接地

圖6 接地點(diǎn)在各分段地線中部Fig.6 Ground point at the middle of each part ground wire

架空地線接地點(diǎn)設(shè)置在各分段地線中部時(shí)，接地方式如圖6所示。地線分段節(jié)距l(xiāng)4按式(6)計(jì)算確定。式(5)～(6)中:l3、l4為地線分段節(jié)距，km;U0為地線感應(yīng)電壓限值，V;I為輸電線路運(yùn)行電流，A;k為電壓等級(jí)系數(shù)，500kV取5～7，220kV取7～9，110kV取9～12。

3 非冰區(qū)地線絕緣子及其間隙選擇

非冰區(qū)地線絕緣子選型需綜合考慮架空地線機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能，目前廣泛使用的地線絕緣子有懸垂、耐張絕緣子2類，主要有XDP-70C、XDP-70CN、XDP-100C、XDP-100CN等多種型號(hào)。耐張絕緣子間隙宜向上布置，懸垂絕緣子間隙宜向線路外側(cè)布置，以減少工頻及雷電電弧對(duì)絕緣子的灼傷。

節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)非冰區(qū)地線絕緣子間隙距離選擇應(yīng)滿足以下要求:

(1)地線絕緣子間隙工頻(干或濕)放電電壓應(yīng)高于正常運(yùn)行時(shí)架空地線最大感應(yīng)電壓;

(2)地線絕緣子間隙工頻(干或濕)放電電壓不應(yīng)高于地線絕緣子工頻放電電壓;

(3)地線絕緣子間隙雷電放電電壓不應(yīng)高于地線絕緣子雷電放電電壓。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下間隙距離

架空地線感應(yīng)電壓可通過地線換位或者地線分段控制在較低水平，如不超過1 000 V。選擇地線絕緣子可承受工頻過電壓倍數(shù)一般為3倍。

因地線絕緣子間隙濕工頻放電電壓小于干工頻放電電壓，故確定間隙距離時(shí)以濕工頻放電電壓為準(zhǔn)。為防止地線絕緣子間隙被鳥糞等短接，考慮地線絕緣子間隙距離最小值為15 mm。

針對(duì)絕緣架空地線不同的感應(yīng)電壓，選擇地線絕緣子間隙距離如表1。最大感應(yīng)電壓不超過3kV時(shí)，間隙距離可選擇為15 mm;最大感應(yīng)電壓在3～5kV時(shí)，間隙距離可選擇為25 mm;最大感應(yīng)電壓在5～7kV時(shí)，間隙距離可選擇為35 mm。

按照以上原則，既能保證正常運(yùn)行時(shí)地線絕緣子可靠承受絕緣地線感應(yīng)電壓，又能保證過電壓時(shí)絕緣子間隙放電，有效保護(hù)地線絕緣子。

表1 標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下間隙距離Tab.1 Gap distance under standard atmospheric condition mm

3.2 不同海拔下間隙距離

折算標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下地線絕緣子工頻放電電壓值到不同海拔高度時(shí)，可確定海拔高度分別為2 000，3 000，4 000m處，絕緣地線不同感應(yīng)電壓應(yīng)選擇的間隙距離，如表2所示。

絕緣架空地線最大感應(yīng)電壓不超過1kV時(shí)，海拔不高于4 000m地區(qū)間隙距離可取15 mm;絕緣架空地線最大感應(yīng)電壓不超過3kV時(shí)，海拔不高于3 000m地區(qū)間隙距離可取15 mm，海拔3 000～4 000m地區(qū)間隙距離可取20 mm;最大感應(yīng)電壓不大于5kV時(shí)，海拔不高于2 000m地區(qū)間隙距離可取30 mm，海拔2 000～3 000m地區(qū)間隙距離可取35 mm，海拔3 000～4 000m地區(qū)間隙距離可取40 mm;最大感應(yīng)電壓不大于7kV時(shí)，海拔分別低于2 000，3 000，4 000m地區(qū)，間隙距離可分別取45，50，55 mm。

3.3 不同溫度下間隙距離

表2 不同海拔高度下間隙距離Tab.2 Gap distance at different altitude mm

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的工頻放電電壓Up，可折算到不同環(huán)境溫度下的工頻放電電壓。針對(duì)絕緣地線不同的感應(yīng)電壓，選擇環(huán)境溫度分別為－40、－20、0、20、40℃時(shí)間隙距離如表3所示。

表3 不同溫度下間隙距離Tab.3 Gap distance at different temperature mm

最大感應(yīng)電壓不超過3kV時(shí)，環(huán)境溫度－40～40℃地區(qū)間隙距離可取15 mm;最大感應(yīng)電壓不超過5kV時(shí)，環(huán)境溫度－40～0℃地區(qū)間隙距離可取20 mm，環(huán)境溫度0～40℃地區(qū)間隙距離可取25 mm;最大感應(yīng)電壓不超過7kV時(shí)，環(huán)境溫度－40～－20℃地區(qū)間隙距離可取30 mm，環(huán)境溫度－20～0℃地區(qū)間隙距離可取35 mm，環(huán)境溫度0～40℃ 地區(qū)間隙距離可取40 mm。

3.4 嚴(yán)重濕度下間隙距離

地線絕緣子間隙電場(chǎng)屬于不均勻電場(chǎng)，不能忽略空氣濕度影響。

為確保不同空氣濕度下地線絕緣子能可靠承受架空地線的感應(yīng)電壓，地線絕緣子保護(hù)間隙的距離應(yīng)按最苛刻濕度條件。取相對(duì)濕度為80%，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下工頻放電電壓Up可計(jì)算相對(duì)濕度為80%時(shí)的工頻放電電壓。

針對(duì)絕緣地線不同的感應(yīng)電壓，可按表4確定地線絕緣子間隙距離。最大感應(yīng)電壓不大于3kV時(shí)，地線絕緣子保護(hù)間隙可選擇15 mm;最大感應(yīng)電壓不大于5kV時(shí)，間隙可選擇30 mm;最大感應(yīng)電壓不大于7kV時(shí)，間隙可選擇45 mm。

表4 嚴(yán)重濕度下(相對(duì)濕度80%)間隙距離Tab.4 Gap distance in high humidity

4 冰區(qū)地線絕緣子及其間隙選擇

冰區(qū)架空地線進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，還必須同時(shí)考慮地線直流融冰問題［5-6］，因此，地線絕緣子除需滿足上述非冰區(qū)地線絕緣子技術(shù)要求，還需同時(shí)滿足覆冰條件及直流融冰技術(shù)要求:

(1)地線絕緣子間隙直流覆冰耐受電壓應(yīng)高于最高直流融冰電壓;

(2)地線絕緣子間隙直流覆冰耐受電壓不應(yīng)高于地線絕緣子直流覆冰耐受電壓。

4.1 普通地線絕緣子

傳統(tǒng)地線絕緣子覆冰情況下間隙距離30 mm時(shí)直流放電電壓為7～9kV，間隙距離40 mm時(shí)直流放電電壓為10kV，間隙距離50 mm時(shí)直流放電電壓為12kV，間隙距離60 mm時(shí)地線絕緣子可能閃絡(luò)，即絕緣子間隙失去保護(hù)作用［7-8］。在滿足冰區(qū)地線絕緣子及間隙電氣性能要求的前提下，地線直流融冰電壓小于10kV時(shí)間隙距離可取40 mm，直流融冰電壓小于12kV時(shí)間隙距離可取50 mm。

4.2 融冰地線絕緣子

地線長(zhǎng)度大于40 km時(shí)直流融冰電壓可達(dá)15kV甚至更高，而直流融冰裝置輸出電壓主要有15、20kV，因此，可開發(fā)新型能兼顧直流融冰的地線絕緣子，以滿足架空地線節(jié)能與融冰需要，如圖7所示。

圖7 兼顧融冰的地線復(fù)合絕緣子Fig.7 Ground wire composite insulator with taking account of melting ice

兼顧直流融冰的地線絕緣子包括地線復(fù)合絕緣子、角狀電極和帽式保護(hù)罩。地線復(fù)合絕緣子覆冰情況下覆冰直流耐壓不小于30kV，其采用一大兩小或一大一小的傘形結(jié)構(gòu)，大傘裙間插小傘裙，結(jié)構(gòu)高度取300～600 mm，爬電距離為900～1 800 mm，以滿足覆冰情況下直流耐壓不小于30kV。

角狀電極和帽式保護(hù)罩構(gòu)成并聯(lián)間隙，覆冰時(shí)直流放電電壓不小于15kV，其角狀電極采用等效直徑為8～14 mm的鍍鋅圓鋼或扁鋼，通過抱箍固定在地線復(fù)合絕緣子下端部金具上。角狀電極與帽式保護(hù)罩位置相對(duì)，構(gòu)成復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙，間隙距離為50～80 mm。

帽式保護(hù)罩兼有間隙電極、防鳥糞污染及減小覆冰累積作用。保護(hù)罩頂部采用鋁合金壓延封閉構(gòu)成，帽沿采用鋁合金管，底部鋁合金厚度為0.25～1 mm，鋁合金管等效直徑為8～20 mm，頂部與帽沿采用嵌入式壓接或焊接，帽式保護(hù)罩外徑為200～400 mm。

5 OPGW絕緣接續(xù)

OPGW作為架空地線，其出廠長(zhǎng)度一般為4～6 km，故無(wú)論采用地線全線絕緣單點(diǎn)接地還是分段絕緣單點(diǎn)接地的方式，為保證OPGW光路連續(xù)性，都存在OPGW光纖接續(xù)問題［9-10］。

改變OPGW接地方式為單點(diǎn)接地之后，在非接地點(diǎn)的OPGW接續(xù)處，需要將OPGW接續(xù)盒做絕緣化處理，目前尚無(wú)廠家生產(chǎn)這類專用產(chǎn)品。但在35～110kV光纖復(fù)合架空相線(optical phase conductor，OPPC)工程中已開發(fā)出類似產(chǎn)品作為光纜終端接續(xù)盒。為實(shí)現(xiàn)OPGW全線絕緣單點(diǎn)接地方式或分段絕緣單點(diǎn)接地方式［11-15］，可使用以下3種不同型式的光纖接續(xù)盒。

5.1 終端絕緣接續(xù)

當(dāng)要求光纖接續(xù)盒一側(cè)OPGW金屬接地而另一側(cè)OPGW對(duì)地絕緣時(shí)，兩側(cè)的OPGW需要電氣隔離。在終端時(shí)或當(dāng)OPGW分段絕緣且接地點(diǎn)在各分段地線端部的分段點(diǎn)處，均需要此類光纖接續(xù)盒。

該類型OPGW接續(xù)盒結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括OPGW接續(xù)上盒、OPGW 接續(xù)下盒、隔離絕緣子、絕緣子內(nèi)置光纖和OPGW固定夾具。絕緣子內(nèi)置光纖可使用全介質(zhì)自承式(all dielectric self-supporting，ADSS)光纜進(jìn)行光路連通。在需要對(duì)地絕緣的OPGW接續(xù)上盒(或者下盒)，使用ZS6－12/4戶外棒式瓷絕緣子將OPGW光纖接續(xù)盒對(duì)鐵塔絕緣。

圖8 隔離型OPGW光纖接續(xù)盒Fig.8 Isolated OPGW fiber splice box

該類OPGW接地方式還可使用ADSS光纜進(jìn)行光路連接，從而實(shí)現(xiàn)兩側(cè)OPGW電氣隔離。如條件所限，也可使用35kV OPPC接續(xù)盒代替，如圖9所示。

圖9 35kV OPPC接續(xù)盒Fig.9 35kV OPPC fiber splice box

5.2 中間絕緣接續(xù)

5.2.1 隔離型OPGW絕緣接續(xù)

該類型光纖接續(xù)盒兩側(cè)OPGW均對(duì)地絕緣，但需兩側(cè)OPGW金屬部分電氣隔離。當(dāng)OPGW分段絕緣，且接地點(diǎn)在各分段地線中部時(shí)，OPGW分段處要求光纖接續(xù)盒兩端的OPGW電氣隔離。

該類型OPGW接續(xù)盒結(jié)構(gòu)如圖10所示，包括OPGW接續(xù)上盒、OPGW 接續(xù)下盒、隔離絕緣子、絕緣子內(nèi)置光纖、絕緣底座和OPGW固定夾具。絕緣子內(nèi)置光纖可使用ADSS光纜進(jìn)行光路連通。使用ZS6－12/4戶外棒式瓷絕緣子將OPGW光纖接續(xù)盒對(duì)鐵塔絕緣。如條件所限，也可使用35kV OPPC接續(xù)盒代替。該類OPGW還可使用ADSS光纜進(jìn)行光路連接，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)OPGW電氣隔離。

圖10 隔離型絕緣光纖接續(xù)盒Fig.10 Isolated insulation fiber splice box

5.2.2 連續(xù)型OPGW絕緣接續(xù)

該類型光纖接續(xù)盒兩側(cè)OPGW均對(duì)地絕緣，兩側(cè)OPGW金屬部分不需電氣隔離，適用于OPGW盤長(zhǎng)較短、僅需單純完成OPGW光路和電路連通性的情況。使用ZS6－12/4戶外棒式瓷絕緣子將OPGW光纖接續(xù)盒對(duì)鐵塔絕緣，如圖11所示。

6 OPGW金具

圖11 光纖絕緣接續(xù)盒Fig.11 Fiber insulation splice box

OPGW金具可沿用目前成熟技術(shù)，包括產(chǎn)品、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行維護(hù)各方面，一般采用以下配套金具安裝OPGW。為實(shí)現(xiàn)OPGW單點(diǎn)接地，可在逐基接地的OPGW金具上進(jìn)行改進(jìn)。

6.1 懸垂金具

改預(yù)絞式懸垂線夾為雙聯(lián)結(jié)構(gòu)預(yù)絞式懸垂線夾，并在其中串入帶放電間隙的絕緣子，如圖12所示。

圖12 懸垂線夾Fig.12 Suspension clamp

6.2 耐張金具

改預(yù)絞式耐張線夾為雙聯(lián)結(jié)構(gòu)預(yù)絞式耐張線夾，并在其中串入帶放電間隙的絕緣子，如圖13所示。

圖13 耐張線夾Fig.13 Strain clamp

6.3 防振金具

采用預(yù)絞絲式防振錘，如圖14所示。

圖14 預(yù)絞式防振錘Fig.14 Preformed damper

7 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)架空地線節(jié)能運(yùn)行，并兼顧架空地線直流融冰以及基本防雷、通信功能，傳統(tǒng)的逐基接地方式不能滿足運(yùn)行要求，架空地線需要采取單點(diǎn)接地、分段、換位、導(dǎo)地線配合換位等節(jié)能接地技術(shù)，地線端部感應(yīng)電壓宜控制在500～1 000 V以下，以保證帶電作業(yè)安全。

地線絕緣子及其并聯(lián)間隙的選型參數(shù)應(yīng)綜合考慮機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能要求，選擇間隙距離需考慮不同海拔高度、不同環(huán)境溫度和濕度的影響，冰區(qū)地線絕緣子還應(yīng)同時(shí)滿足覆冰條件以及直流融冰技術(shù)要求，絕緣子間隙直流覆冰耐受電壓應(yīng)高于直流融冰電壓。

OPGW節(jié)能接地方式下，為保證光路連續(xù)性，必須解決OPGW光纖接續(xù)問題。提出了終端絕緣接續(xù)以及中間隔離型、連續(xù)型絕緣接續(xù)等3種不同型式的光纖接續(xù)盒方案，以及OPGW金具選用型式，可以滿足工程設(shè)備選型需要。

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