750kV雙回輸電線(xiàn)路架空地線(xiàn) 接地方式分析研究

李燕軍 孟令增 王東育 劉 青

（1.陜西省電力公司銅川供電公司，陜西 銅川 727031；2.西安科技大學(xué)，西安 710054）

1 架空地線(xiàn)的接地方式

目前我國(guó)高壓和特高壓輸電線(xiàn)路的架空地線(xiàn)大多由普通架空地線(xiàn)和OPGW（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW）光纜共同組成。OPGW不僅具有輸電導(dǎo)線(xiàn)架空地線(xiàn)的防雷作用，還兼具了光纖系統(tǒng)的通信功能[1-3]。OPGW 的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。同普通地線(xiàn)的接地方式一樣，OPGW 也存在著逐塔接地、分段絕緣單點(diǎn)接地和全線(xiàn)絕緣三種方 式[4-5]。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索和借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)主要存在以下4 種可能的架空地線(xiàn)運(yùn)行方式[6-7]。

1）普通架空地線(xiàn)分段絕緣、單點(diǎn)接地而OPGW逐塔接地。

圖1 OPGW 的結(jié)構(gòu)圖

2）普通架空地線(xiàn)和OPGW 均分段絕緣、單點(diǎn)接地。這種接地方式可以通過(guò)引入串有放電間隙的耐張金具等特殊元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在正常的運(yùn)行情況下，放電間隙應(yīng)能承受一定的感應(yīng)電壓而不被擊穿。

3）普通架空地線(xiàn)和OPGW 均逐塔接地。

4）普通架空地線(xiàn)分段絕緣，而OPGW 全線(xiàn)絕緣。這種接地方式工程上較難實(shí)現(xiàn)。

本文以某750kV 輸電線(xiàn)路為例，比較架空地線(xiàn)采用上述四種接地方式時(shí)地線(xiàn)的感應(yīng)電壓、電流，以及架空地線(xiàn)不同的分段長(zhǎng)度對(duì)感應(yīng)值的影響規(guī)律。

2 計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置

為了比較幾種不同的接地方式，本文選取某典型的750kV 線(xiàn)路，分析各種接地方式下，正常情況的感應(yīng)電流，感應(yīng)電壓以及單相短路情況下地線(xiàn)的感應(yīng)電流。750kV 桿塔為SZ102 型桿塔，絕緣子為合成絕緣子，串長(zhǎng)8.368m。導(dǎo)線(xiàn)弧垂12.24m。桿塔尺寸參數(shù)如圖2所示。

圖2 桿塔尺寸圖

導(dǎo)線(xiàn)采用6×LGJ-500/45 鋼芯鋁絞線(xiàn)，直流電阻0.05912Ω/km，外徑30mm。分裂導(dǎo)線(xiàn)根數(shù)為6根，分裂間距40cm。避雷線(xiàn)的型號(hào)為GJ70，直流電阻為2.315 Ω/km，計(jì)算半徑為10.5mm。避雷線(xiàn)的弧垂取為架空線(xiàn)弧垂的0.75 倍，即9.18m。土壤電阻率取為100 Ω·m。輸電線(xiàn)路換位方式如圖3所示，線(xiàn)路首端母線(xiàn)三相電壓為末端母線(xiàn)三相電壓為0.9840p.u.。線(xiàn)路全長(zhǎng)210km，首端45.56km 為同塔雙回線(xiàn)路，其余164.64km 為不同桿線(xiàn)路。本文中改變同塔雙回路線(xiàn)路的地線(xiàn)接地方式進(jìn)行分析計(jì)算。

采用ATP 仿真軟件中的Line constant 子程序（LCC）計(jì)算線(xiàn)路的電阻、電感和電容矩陣。用時(shí)控開(kāi)關(guān)和阻值很小的電阻串聯(lián)來(lái)模擬地線(xiàn)的接地情況，開(kāi)關(guān)閉合表示地線(xiàn)在此處接地，開(kāi)關(guān)打開(kāi)表示地線(xiàn)在此處對(duì)地絕緣。

圖3 輸電線(xiàn)路換位方式

3 正常運(yùn)行時(shí)感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓的分析

正常運(yùn)行狀態(tài)下，高壓及特高壓輸電線(xiàn)路的架空地線(xiàn)上會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)和環(huán)路電流，其值的大小由于架空地線(xiàn)接線(xiàn)方式的不同而存在著很大的差異。在地線(xiàn)上產(chǎn)生感應(yīng)電壓的原因有兩個(gè)：一方面是由于導(dǎo)線(xiàn)之間、導(dǎo)線(xiàn)和地線(xiàn)之間以及地線(xiàn)和地線(xiàn)之間存在分布電容，電容的耦合作用會(huì)感應(yīng)出電壓；另一方面，由于導(dǎo)線(xiàn)布置的空間位置不可能完全對(duì)稱(chēng)，所以導(dǎo)線(xiàn)周?chē)碾姶艌?chǎng)也不平衡，因此存在電磁感應(yīng)，進(jìn)而在地線(xiàn)中產(chǎn)生了感應(yīng)電壓。如果地線(xiàn)是逐塔接地的，感應(yīng)電流經(jīng)地線(xiàn)、桿塔和大地形成回路，如圖4所示，就會(huì)由于存在較大的環(huán)路電流而造成大量的電能損耗。

圖4 地線(xiàn)逐塔接地時(shí)產(chǎn)生的環(huán)路電流

為了表述方便，將上文提到的四種地線(xiàn)接地方式分別稱(chēng)為方式1、方式2、方式3 和方式4。表1和表2是四種方式下，地線(xiàn)上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的計(jì)算結(jié)果。

表1 四種方式下地線(xiàn)的感應(yīng)電壓/V

表2 四種方式下地線(xiàn)的感應(yīng)電流/A

由方式1 的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，普通地線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)很大的感應(yīng)電壓，當(dāng)分段長(zhǎng)度為40km 時(shí)感應(yīng)電壓達(dá)到1.585kV，由于OPGW 逐塔接地，所以其上電位幾乎為零。這是因?yàn)閮傻鼐€(xiàn)的接地方式不同，導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)周?chē)碾姶艌?chǎng)的不平衡度增加，在未均勻換位的情況下，磁場(chǎng)將在地線(xiàn)上感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)。OPGW 與桿塔、大地形成了閉合的電流通路，出現(xiàn)較大的環(huán)路電流。普通地線(xiàn)上電流很小，主要是相間電容耦合產(chǎn)生的。

由方式2 的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在兩條地線(xiàn)均采用單點(diǎn)接地的運(yùn)行方式下，將產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，達(dá)到數(shù)千伏，隨著線(xiàn)路分段長(zhǎng)度的增加，感應(yīng)電壓增大。由于兩條地線(xiàn)一端接地，一端通過(guò)帶放電間隙的絕緣子與大地絕緣，不會(huì)構(gòu)成電流流通的閉合回路，故只有很小的有容性電流。單點(diǎn)接地的接地方式下運(yùn)行，地線(xiàn)的電能損耗幾乎為零。

由方式3 的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)采用兩條地線(xiàn)均逐塔接地的接地方式時(shí)，由于兩條地線(xiàn)均接地，且接地的桿塔、大地的阻值均較小，所以?xún)蓷l地線(xiàn)的電動(dòng)勢(shì)均接近于零電位。在這種接地方式下，由于存在很大的感應(yīng)電流，所以電能損耗很大。

由方式4 的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)采用普通地線(xiàn)單點(diǎn)接地，OPGW 全線(xiàn)絕緣接地方式時(shí)，OPGW 中將感應(yīng)出非常高的感應(yīng)電壓，達(dá)到數(shù)百千伏。這是由于采用全線(xiàn)絕緣方式的感應(yīng)電壓與導(dǎo)線(xiàn)周?chē)姶艌?chǎng)的平衡度密切相關(guān)，一旦電磁場(chǎng)的平衡度被打破感應(yīng)電壓就會(huì)達(dá)到極高的水平。由于該接線(xiàn)方式下不存在閉合的回路，地線(xiàn)的電能損耗接近于零。

4 單相接地故障時(shí)地線(xiàn)的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流分析

輸電線(xiàn)路發(fā)生單相短路等故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，導(dǎo)線(xiàn)周?chē)碾姶艌?chǎng)嚴(yán)重不平衡，地線(xiàn)上將感應(yīng)出電壓，以下計(jì)算四種接地方式下，輸電線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障時(shí)，地線(xiàn)上出現(xiàn)的感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。短路故障條件為：A 相短路接地，故障點(diǎn)距線(xiàn)路首端2km 處，計(jì)算所得的短路電流為14.546kA（幅值）。

表3 單相故障時(shí)地線(xiàn)的感應(yīng)電壓/V

表4 單相故障時(shí)地線(xiàn)的感應(yīng)電流/A

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)輸電線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)中的短路電流會(huì)在單點(diǎn)接地、分段絕緣和全絕緣的地線(xiàn)上產(chǎn)生高達(dá)近百千伏的感應(yīng)電壓，可能使地線(xiàn)絕緣端放電間隙擊穿。短路電流會(huì)使逐塔接地的地線(xiàn)中產(chǎn)生接近10kA 的環(huán)路電流，由于地線(xiàn)通過(guò)懸垂、耐張等金具與大地相連，環(huán)路電流可通過(guò)桿塔泄入大地，保護(hù)OPGW 和普通地線(xiàn)免受損害。

5 結(jié)論

本文選取750kV 典型線(xiàn)路參數(shù)，利用ATP 計(jì)算了地線(xiàn)采取四種接地方式時(shí)，地線(xiàn)上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，經(jīng)過(guò)大量計(jì)算初步得到以下結(jié)論：

1）線(xiàn)路正常運(yùn)行時(shí)，由于靜電耦合和電磁耦合，會(huì)在地線(xiàn)上出現(xiàn)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，逐塔接地的地線(xiàn)上感應(yīng)電壓最大，且電壓隨分段長(zhǎng)度增加而增加，單點(diǎn)接地、分段絕緣地線(xiàn)上感應(yīng)電壓次之，全線(xiàn)絕緣的地線(xiàn)上感應(yīng)電壓最小。逐塔接地的地線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)很大的感應(yīng)電流，電能損耗較為嚴(yán)重。

2）當(dāng)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，對(duì)于逐塔接地方式，將在地線(xiàn)上感應(yīng)出很大的感應(yīng)電流，由于該 接線(xiàn)方式下存在多條閉合的回路，感應(yīng)電流可直接泄入大地；對(duì)于單點(diǎn)接地、分段絕緣方式，地線(xiàn)上將感應(yīng)出高達(dá)上百千伏的感應(yīng)電壓，可能使絕緣端的間隙擊穿。

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