500千伏線路地線全絕緣節(jié)能降耗與融冰技術(shù)研究與實(shí)施

中國南方電網(wǎng)公司超高壓輸電公司貴陽局 陳飛 田應(yīng)富 徐望圣 曾遺松 盧世才 崔健 王春 但漢勇

一、項(xiàng)目提出背景

近幾年在我國西南地區(qū)出現(xiàn)的電網(wǎng)覆冰現(xiàn)象，嚴(yán)重的威脅著電網(wǎng)安全，輸電線路覆冰厚度超過極限值，將引起線路倒塔，導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰，造成災(zāi)難性后果，對此，有關(guān)部門高度重視。

相導(dǎo)線融冰技術(shù)的研究和應(yīng)用已較為普篇，但對地線融冰技術(shù)的應(yīng)用還相對滯后。地線覆冰對電力系統(tǒng)的影響也是不可忽視的。目前輸電線路融冰技術(shù)已相對比較成熟，但同時(shí)也開始逐漸暴露出地線無法融冰情況下對線路運(yùn)行的影響。

導(dǎo)線融冰已有成功的應(yīng)用案例，從導(dǎo)線融冰條件看，要想解決輸電線融冰，除了相線融冰外，架空地線（包括OPGW）也必須融冰，這樣才能防止斷線倒桿、通信中斷等事故。架空地線的融冰，就需要把架空地線對地絕緣起來，才具備加大融冰電流的條件。為了通過融冰全面提高輸電線路的抗冰能力，開展地線融冰的研究具有重要的意義。

從節(jié)能降耗效果來看，據(jù)有關(guān)研究部門、設(shè)計(jì)部門提供的資料數(shù)據(jù)也表明，將架空地線對地絕緣起來后，降低線損的效果也十分顯著。目前線路光纖復(fù)合架空地線（OPGW）和普通地線均采用逐塔接地的接線方式，這種接線方式導(dǎo)致電流對OPGW和普通地線產(chǎn)生互感，將在OPGW、普通地線和大地之間形成電流，從而產(chǎn)生電能損耗，其中OPGW和普通地線的電能損耗占了整個(gè)線路損耗的大部分。

對線路損耗與目前常用的OPGW和普通地線接地方式之間的關(guān)系進(jìn)行研究分析，研究改進(jìn)的OPGW線接地方式及其可靠性，對建設(shè)“節(jié)能型、環(huán)保型”輸電線路具有積極意義。

二、項(xiàng)目主要內(nèi)容

（一）研究內(nèi)容簡介

研究內(nèi)容主要為根據(jù)地線融冰需要，分析地線全絕緣后對防雷及線路保護(hù)的影響，建立模型計(jì)算地線全絕緣后節(jié)能降耗效果，同時(shí)分析計(jì)算其感應(yīng)電壓，研制滿足地線融冰需要的地線絕緣子，為推廣應(yīng)用地線融冰打下基礎(chǔ)，主要包括以下方面的研究內(nèi)容：

1.通過分析地線全絕緣后對線路運(yùn)行造成的影響，計(jì)算地線全絕緣后的防雷效果以及采取的措施，計(jì)算感應(yīng)電壓大小，并進(jìn)行現(xiàn)場測量，為解決現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)打下基礎(chǔ)。

2.研制地線融冰絕緣子，對絕緣子開展冰閃試驗(yàn)和污閃試驗(yàn)，確保新型地線融冰復(fù)合絕緣子滿足地線融冰需要。

3.研究地線融冰對地線進(jìn)行絕緣改造需要開展的工作，包括地線分段長度的確定、地線絕緣子的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，OPGW絕緣改造金具的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)等。

4.通過對改進(jìn)的OPGW和普通地線接地方式進(jìn)行建模，分析計(jì)算在正常、故障、檢修狀態(tài)下線路相關(guān)的感應(yīng)電壓、電流等參數(shù)，分析線路損耗與目前常用的OPGW和普通地線接地方式之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)改進(jìn)的OPGW和普通地線接地方式，并針對特殊元件和組裝方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一套符合現(xiàn)場實(shí)際的專用金具。

（二）研究方法

1.建模計(jì)算

計(jì)算青山甲線線路損耗及OPGW和普通地線的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流是本項(xiàng)目的基礎(chǔ)工作，主要考慮由設(shè)計(jì)單位或高校組織人員，根據(jù)線路參數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，計(jì)算不同運(yùn)行方式下的線路損耗、OPGW及地線的感應(yīng)電壓和電流，通過計(jì)算選擇合適的接地改造方案。

2.實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

針對設(shè)計(jì)的新型地線絕緣子，按照地線融冰的要求，開展冰閃及污閃試驗(yàn)；對OPGW光纜開展熱穩(wěn)定性分析與試驗(yàn)。

3.理論計(jì)算

理論計(jì)算內(nèi)容包括根據(jù)地線融冰電壓和電流的分析，計(jì)算地線分段長度及融冰方式；計(jì)算地線感應(yīng)電壓；計(jì)算地線絕緣后的防雷效果，計(jì)算地線（OPGW）絕緣后其節(jié)能降耗效果，為開展地線融冰打下理論基礎(chǔ)。

4.現(xiàn)場測量

通過現(xiàn)場測量地線絕緣后的感應(yīng)電壓，分析感應(yīng)電壓對線路運(yùn)行維護(hù)造成的影響以及下一步改進(jìn)措施。

5.產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)

針對技術(shù)難點(diǎn)OPGW絕緣接續(xù)裝置的設(shè)計(jì)，主要考慮通過對目前國內(nèi)外OPGW絕緣接續(xù)裝置的應(yīng)用情況，分析可行的最經(jīng)濟(jì)的方案，由廠家設(shè)計(jì)并制造相應(yīng)的金具。

6.實(shí)際應(yīng)用論證

為確保項(xiàng)目最終能應(yīng)用到實(shí)際，將在青山甲乙線、高肇直流根據(jù)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行現(xiàn)場技術(shù)改造，通過現(xiàn)場應(yīng)用和安裝，掌握技術(shù)的實(shí)用性，并最終驗(yàn)證其實(shí)用效果，為經(jīng)濟(jì)性分析打下基礎(chǔ)。

三、項(xiàng)目技術(shù)路線

根據(jù)以往理論分析計(jì)算的結(jié)果，制定500千伏線路融冰及絕緣改造的可行性分析；根據(jù)線路絕緣后感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流大小特點(diǎn)，選擇合適測點(diǎn)、測量項(xiàng)目和測量儀器，通過生產(chǎn)技術(shù)、線路管理等部門的相互配合，對地線的感應(yīng)電流和感應(yīng)電流進(jìn)行現(xiàn)場測量。

根據(jù)線路的線路參數(shù)、桿塔參數(shù)、線路參數(shù)及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等，采用EMTP軟件，以多個(gè)π型電路級聯(lián)的方式建立高肇直流架空地線、青山甲乙線架空地線輸電線路的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行修正，進(jìn)而，建立較為準(zhǔn)確的仿真計(jì)算模型。

采用仿真計(jì)算模型，進(jìn)一步研究線路感應(yīng)電壓及感應(yīng)電流分布的特點(diǎn)，分析影響感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流的因素，為有效降低感應(yīng)電壓及采取下一步措施打下基礎(chǔ)。

采用仿真計(jì)算模型，分析地線絕緣后對線路防雷效果的影響，分別分析對直擊雷以及繞擊雷的影響，為有效降低防雷影響，采取有效防雷措施提供理論數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)滿足融冰及防雷要求的地線絕緣子以及OPGW金具，開展相關(guān)試驗(yàn)，確保新產(chǎn)品滿足現(xiàn)場需要。

根據(jù)理念分析、現(xiàn)場測量結(jié)果，參考有關(guān)技術(shù)導(dǎo)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，編制《500千伏線路地線（OPGW）融冰技術(shù)導(dǎo)則》。

四、項(xiàng)目的先進(jìn)性和創(chuàng)新點(diǎn)

近年來，國內(nèi)對架空線路相導(dǎo)線的融冰技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并得到了廣泛應(yīng)用。地線融冰與相導(dǎo)線融冰技術(shù)原理基本相同，但由于地線接線方式及其功能不同，對地線進(jìn)行融冰，也存在自己的特殊性。主要難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)在于解決了以下九個(gè)問題：

（一）地線感應(yīng)電壓的問題

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，主要考慮架空地線的防雷作用，架空地線多采用逐塔接地的方式；為減小地線的電能損耗，地線也有采用分段絕緣單點(diǎn)接地的方式，但OPGW地線還普遍采用的是逐塔接地的方式。

對地線進(jìn)行融冰要求地線必須對鐵塔絕緣，地線絕緣又帶來新的技術(shù)問題：由于相導(dǎo)線與地線間存在電場及磁場的相互耦合，地線全絕緣時(shí)在地線上將產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓（感應(yīng)電壓可達(dá)幾十千伏），對地線的絕緣及檢修均提出了新問題，必須采用必要措施，降低地線的感應(yīng)電壓。

（二）地線絕緣對防雷性能的影響分析

地線的防雷性能主要體現(xiàn)在對雷電直擊和繞擊兩個(gè)方面：當(dāng)鐵塔或線路遭受雷電直擊時(shí)，地線對雷電流具有分流作用，可及時(shí)將雷電流經(jīng)多個(gè)鐵塔引入大地，減小單個(gè)鐵塔的地電位過度升高，從而，減小反擊發(fā)生的概率。確保地線對繞擊的防護(hù)效果，必須保證在雷電先導(dǎo)發(fā)生時(shí)，地線先于相導(dǎo)線產(chǎn)生迎面先導(dǎo)，使雷電下行先導(dǎo)與地線迎面先導(dǎo)之間的空氣間隙優(yōu)先擊雷，從而將雷電引向地線。

當(dāng)?shù)鼐€接地時(shí)，地線表面電場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度，且其空間位置高于相導(dǎo)線，具備優(yōu)先產(chǎn)生迎面先導(dǎo)條件，從而對繞擊具有防護(hù)作用；當(dāng)?shù)鼐€絕緣時(shí)，如果在雷電下行先導(dǎo)發(fā)展過程中，地線上的感應(yīng)電荷不能及時(shí)聚積，地線表面的電場強(qiáng)度將遠(yuǎn)小于相導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度，相導(dǎo)線優(yōu)先產(chǎn)生迎面先導(dǎo)，對雷電下午先導(dǎo)接通，從而發(fā)生繞擊。當(dāng)?shù)鼐€絕緣時(shí)，如何以確保地線的防雷性能不受影響，是地線融冰技術(shù)必須解決的問題，而該問題的解決關(guān)鍵在于地線絕緣子和絕緣間隙的合理設(shè)計(jì)。

（三）絕緣地線對線路保護(hù)的影響分析

逐塔接地的地線可減小潛供電流，有利于維持輸電線路的三相平衡。常規(guī)情況下線路保護(hù)整定值，考慮了逐塔接地地線的作用，因而，當(dāng)?shù)鼐€絕緣時(shí)，線路保護(hù)的整定值是否需要從新設(shè)定，必須進(jìn)行研究。

（四）地線絕緣子及絕緣串的設(shè)計(jì)

當(dāng)同時(shí)考慮地線融冰、通訊、防雷及節(jié)能要求時(shí)，地線絕緣子串及絕緣間隙的設(shè)計(jì)是地線融冰技術(shù)能否成功的關(guān)鍵。

融冰和防雷對地線絕緣強(qiáng)度的要求具有互斥性，從融冰角度考慮，地線的絕緣強(qiáng)度越高越好，而提高防雷效果，要求地線的絕緣間隙在雷電發(fā)生前能夠可靠擊穿。地線的絕緣強(qiáng)度的要求是復(fù)雜的，不僅雷電自身極為復(fù)雜，雷電發(fā)生前，絕緣間隙的擊穿強(qiáng)度變化很大，且絕緣間隙受覆冰的影響很大。因而，地線融冰技術(shù)的成敗，關(guān)鍵在于線地絕緣的配合。

（五）OPGW分段絕緣金具設(shè)計(jì)

光纜絕緣接續(xù)裝置是實(shí)現(xiàn)OPGW絕緣運(yùn)行的核心裝備，用于將兩端的OPGW電氣隔離并與塔身絕緣，熔接兩端的光纖，目前國內(nèi)尚未有廠家生產(chǎn)這類專用產(chǎn)品。如果OPGW引下時(shí)需對塔絕緣，還需要采用絕緣引下夾具和絕緣余纜架。

OPGW采用分段絕緣的方式后，會(huì)對施工工藝產(chǎn)生一定影響，主要是OPGW采用光電隔離絕緣接續(xù)盒時(shí)，光纜的熔接工藝需要改變，既不能損傷光纖，又要保證外面金屬層的可靠斷開。OPGW采取分段絕緣、一點(diǎn)接地的方式后，接地點(diǎn)電勢為零，但接地點(diǎn)兩側(cè)的OPGW上均存在對地感應(yīng)電勢，距離接地點(diǎn)越遠(yuǎn)，感應(yīng)電勢越大，另外OPGW絕緣引下時(shí)接續(xù)盒也為帶電體。運(yùn)檢人員登塔時(shí)不得直接觸碰OPGW及與OPGW存在直接電氣連通的設(shè)備，這與以前的運(yùn)行維護(hù)不相同，對運(yùn)行維護(hù)人員提出了新的要求。

（六）OPGW融冰熱穩(wěn)定性問題

長期以來，在電信、移動(dòng)、廣電、交通等領(lǐng)域的長途光纖網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用常規(guī)通信光纜的使用溫度均為大氣環(huán)境溫度，如直埋、管道、架空等光纜的實(shí)際使用溫度變化范圍約為-20℃～40℃之間，而電力系統(tǒng)通信領(lǐng)域OPGW、ADSS等光纜的使用溫度變化范圍約為-40℃～70℃之間。目前廣泛認(rèn)可的普通商用通信光纖的20年長期工作溫度為85℃。

考慮到OPGW光纜融冰需要，根據(jù)南網(wǎng)電科院融冰電流計(jì)算模型，如需要對OPGW-10毫米冰區(qū)進(jìn)行融冰，需要在260安培電流融冰持續(xù)1小時(shí)，由于持續(xù)大電流持續(xù)時(shí)間長，將會(huì)導(dǎo)致OPGW光纜內(nèi)部溫升超過70℃的最大允許溫度，因此研究在OPGW光纜融冰過程中熱穩(wěn)定性對光纖衰耗的影響有很大的必要性。

（七）地線融冰的保護(hù)問題

地線融冰時(shí)所加的是直流電壓，在地線融冰的過程中，一但發(fā)生地線對鐵塔放電，其電弧難以自選熄滅，長時(shí)間的電弧作用，對地線具有嚴(yán)重的燒蝕作用，甚至可引起地線斷裂。因而，研究地線融冰的保護(hù)措施是地線融冰與降耗改造必須解決的問題。

（八）地線降耗接線方式問題

地線融冰與地線降耗措施對地線接地方式的要求具有一致性，但它們又各有自己的特點(diǎn)。地線的電能損耗線路的輸送容量、導(dǎo)線是否換位、地線接地方式、地線是否換位等均有較大的關(guān)系。因而，研究在保證融冰要求的條件下，如何減小地線的電能損耗是地線融冰與降耗改造時(shí)必須解決的問題。

（九）地線融冰過程中閃絡(luò)保護(hù)問題

地線融冰所加的電壓為20千伏左右的直流電壓，雖然在地線絕緣子上加裝有保護(hù)間隙，但由于絕緣子的生產(chǎn)工藝、及安裝工藝存在差異，且自然界的覆冰情況又極為復(fù)雜，因而，融冰過程中地線與鐵塔間發(fā)生閃絡(luò)的可能難以完全杜絕。一旦地線與鐵塔間發(fā)生閃絡(luò)，由于直流電壓是恒定值，不存在過零點(diǎn)，電弧難以熄滅，在長時(shí)間的電弧作用下，容易發(fā)生地線燒蝕甚至燒斷的現(xiàn)象。因而，在地線融冰過程中，必須研究發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的保護(hù)問題。

五、成果的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效應(yīng)和推廣應(yīng)用情況

地線全絕緣改造在超高壓公司貴陽局管轄的安順換流站、青巖變電站、獨(dú)山變電站以及青山甲乙線線路、高肇直流線路使用以來，不僅有效解決了地線覆冰導(dǎo)致線路跳閘的情況，而且線損得到了很大降低，具體使用效果包括以下幾個(gè)方面：

±500千伏高肇直流地線全絕緣后，滿足地線融冰要求，有效解決了地線覆冰導(dǎo)致高肇直流線路跳閘或重啟動(dòng)等情況，確保了線路穩(wěn)定運(yùn)行；

500千伏青山甲乙線地線全絕緣后，能滿足地線融冰要求，有效解決了地線覆冰導(dǎo)致青山甲乙線線路跳閘或重合閘等情況，確保了線路的穩(wěn)定運(yùn)行；

500千伏青山甲乙線地線全絕緣后，青山甲乙線線路損耗得到了很大降低，大大節(jié)約了線損，為構(gòu)建“綠色南網(wǎng)”打下了基礎(chǔ)。

基于以上的項(xiàng)目研究，超高壓輸電公司將500千伏線路地線（OPGW）全絕緣節(jié)能降耗與融冰技術(shù)應(yīng)用于500千伏施黎甲線、施黎乙線、黎桂甲線、黎桂乙線、桂山甲線、桂山乙線、±500千伏牛從甲線、±500千伏牛從乙線等多回500千伏線路工程中，均取得了預(yù)期的成果。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)架空地線絕緣后，電網(wǎng)在覆冰嚴(yán)重時(shí)可以采用融冰裝置，消除地線及OPGW的冰災(zāi)，防止了斷線、通信及保護(hù)中斷、桿塔倒塔等惡性事故的發(fā)生，其社會(huì)效益不可估量，保證了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是其最大的社會(huì)效益。

據(jù)有關(guān)資料測算，將南方電網(wǎng)架空地線全部絕緣后，每年預(yù)計(jì)節(jié)能在20億度電左右，可創(chuàng)造出數(shù)百億的社會(huì)財(cái)富，社會(huì)效益是十分明顯的。