500 kV架空地線金具發(fā)熱的分析與對(duì)策

黃巍，程泳，董建新，胡俊華，錢國(guó)鐘

（浙江省電力公司檢修分公司，杭州311232）

500 kV架空地線金具發(fā)熱的分析與對(duì)策

黃巍，程泳，董建新，胡俊華，錢國(guó)鐘

（浙江省電力公司檢修分公司，杭州311232）

結(jié)合500 kV喬司變電站實(shí)測(cè)結(jié)果，分析架空地線接地方式對(duì)金具發(fā)熱的影響。架空地線直接接地的接地環(huán)流是引起發(fā)熱的主要原因，并帶來輸電損耗；采用分段絕緣單點(diǎn)接地雖然可以消除環(huán)流、降低損耗，但架空地線的感應(yīng)電壓高，在使用上有一定的局限性。針對(duì)這一問題，提出奇數(shù)段接地、偶數(shù)段換位的接地方式。利用500 kV雙架空地線感應(yīng)電壓近乎反相的特點(diǎn)，通過換位策略中和架空地線的感應(yīng)電壓，減小了接地環(huán)流和輸電損耗，換位后的架空地線分流系數(shù)變化不大，對(duì)跨步電壓的影響不大，保證了安全性。

架空地線；金具發(fā)熱；OPGW；接地方式；環(huán)流

0 引言

架空地線的設(shè)置是輸電線路基本和有效的防雷措施之一[1]，為了保證供電可靠性，500 kV及以上的超高壓、特高壓線路都架設(shè)了雙避雷線[2-3]。隨著各級(jí)電網(wǎng)的快速發(fā)展，作為避雷線和通信通道雙重功能的OPGW（光纖復(fù)合架空地線）光纜在電力通信系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用[4]。

架空地線在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生發(fā)熱故障[5-6]。架空地線金具發(fā)熱嚴(yán)重影響金具的機(jī)械性能和使用壽命；對(duì)于OPGW架空地線，光纜中的光纖對(duì)溫度十分敏感，光纖受熱后，光信號(hào)的損耗將加大，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量；若金具溫升超過光纖被覆材料所能承受的溫度，還會(huì)降低光纖的使用壽命[7]。

架空地線的接地方式影響正常運(yùn)行時(shí)架空地線上流過的電流，對(duì)發(fā)熱的影響很大。目前架空地線的接地方式有逐基接地和分段絕緣單點(diǎn)接地兩種方式[8]，通過對(duì)500 kV喬司變架空地線發(fā)熱異常的跟蹤實(shí)測(cè)，分析了架空地線接地方式對(duì)金具發(fā)熱的影響。針對(duì)目前架空地線接地方式存在的問題，提出了相關(guān)改進(jìn)方案。

1 逐基直接接地方式

1.1 等效電流回路

逐基直接接地方式，是指架空地線在線路桿塔和變電站進(jìn)線構(gòu)架上均直接接地。這種接地方式包括2種形式：一種是通過金具直接與桿塔或構(gòu)架相連，另一種由帶放電間隙的絕緣子相連接，通過架空地線尾巴線跳接到桿塔或構(gòu)架上。如圖1，2所示。

架空地線與輸電導(dǎo)線之間的靜電感應(yīng)和電磁耦合，使架空地線在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，采用直接接地方式的架空地線兩側(cè)均接地，通過兩點(diǎn)接地與大地構(gòu)成了電流回路，等效電路如圖3所示，圖中：E為架空地線上的感應(yīng)電壓；Zr1，Zr2為桿塔或變電站接地網(wǎng)的接地電阻；Zd為架空地線的自阻抗；Z0為大地回路的自阻抗。

1.2 金具發(fā)熱原因

逐基直接接地的架空地線正常運(yùn)行時(shí)會(huì)流過環(huán)流，根據(jù)焦耳定律，電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)Q與電流的平方成正比，與金屬的電阻成正比。因此，架空地線金具發(fā)熱的是架空地線接地環(huán)流和金具的電阻兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。

靜電感應(yīng)在架空地線上產(chǎn)生的感應(yīng)電流和損耗均很小，可以忽略不計(jì)[8]，架空地線上的接地環(huán)流主要受電磁感應(yīng)電壓影響。由于架空地線與各相導(dǎo)線之間的距離不相等、互感不同，雖然正常情況下各相導(dǎo)線的負(fù)荷電流平衡，但地線上仍會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電勢(shì)，計(jì)算公式為：

式中：E為架空地線上的感應(yīng)電勢(shì)；α為120度相角；I為負(fù)荷電流；d為導(dǎo)線與架空地線的間距。

在架空地線不換位的情況下，da，db，dc均為定值，地線上的感應(yīng)電勢(shì)與輸電線路的負(fù)荷電流I成正比，因此架空地線的接地環(huán)流主要受輸電線路負(fù)荷電流影響，直接接地的架空地線金具發(fā)熱的原因?yàn)椋?/p>

（1）采用直接接地，構(gòu)成電流回路，正常運(yùn)行時(shí)流過環(huán)流；

（2）輸電線路負(fù)荷電流大，感應(yīng)電壓大，使接地環(huán)流增大；

（3）金具接觸電阻增大。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

喬司變喬涌5943線架空地線采用逐基直接接地方式，實(shí)際運(yùn)行中存在發(fā)熱現(xiàn)象，紅外線測(cè)溫如圖4所示。

發(fā)熱點(diǎn)如圖5所示，可見架空地線金具銹蝕嚴(yán)重，底部連接處有明顯發(fā)白痕跡，金具接觸電阻增大是金具發(fā)熱的原因之一。

現(xiàn)場(chǎng)采用鉗形電流表測(cè)量不同負(fù)荷電流時(shí)架空地線的接地點(diǎn)流過的電流，并利用紅外線測(cè)溫儀跟蹤測(cè)溫，以喬涌5493線為例，測(cè)試結(jié)果如表1所示。可以看出，當(dāng)負(fù)荷電流較小時(shí)，架空地線的接地環(huán)流不大，金具發(fā)熱點(diǎn)的溫度不高；隨著負(fù)荷電流的增大，架空地線的接地環(huán)流顯著增大，發(fā)熱點(diǎn)的溫度也顯著上升。因此，架空地線的接地環(huán)流增大，是金具發(fā)熱的直接原因。

2 分段絕緣、單點(diǎn)接地方式

2.1 等效回路

架空地線分段絕緣、單點(diǎn)接地方式，一側(cè)采用帶放電間隙的絕緣子與桿塔絕緣，另一側(cè)直接連接桿塔接地，如圖6所示。

正常運(yùn)行時(shí)，由于一側(cè)絕緣不接地，另一側(cè)雖然接地，但單點(diǎn)接地不能構(gòu)成電流回路。等效回路如圖7所示。

2.2 金具發(fā)熱分析

分段絕緣、單點(diǎn)接地方式不能構(gòu)成電流回路，正常運(yùn)行時(shí)架空地線中沒有電流流過，金具發(fā)熱的可能性很小，輸電損耗小。但是，當(dāng)負(fù)荷電流過大時(shí)，架空地線上會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，帶放電間隙的絕緣子長(zhǎng)期放電擊穿，可能會(huì)導(dǎo)致金具、OPGW熔毀，造成架空地線脫落、保護(hù)通信中斷的事故。

3 接地方式改進(jìn)

3.1 架空地線換位策略

500 kV輸電線路雙架空地線分別靠近A相和C相，兩條架空地線的電磁感應(yīng)電壓相角差大。在架空地線的偶數(shù)段對(duì)其換位處理，同一架空地線換相前和換相后的電壓相角相差很大，總的感應(yīng)電壓得到中和，極大地降低了接地環(huán)流，降低了損耗，可以達(dá)到消除金具發(fā)熱的目的。

改進(jìn)后的架空地線接線圖如圖8所示。架空地線在奇數(shù)塔直接接地，在偶數(shù)塔經(jīng)帶放電間隙的絕緣子與桿塔絕緣，并在偶數(shù)塔對(duì)架空地線換位。等效電路如圖9所示，經(jīng)過換位后的E2與換位前的E1相位近乎反相，通過兩端奇數(shù)塔的接地點(diǎn)構(gòu)成電流回路。

以500 kV輸電線路ZB1酒杯型直線塔為例計(jì)算，導(dǎo)線水平排列，雙避雷線，導(dǎo)線型號(hào)4× LGJ-400/35鋼芯鋁絞線，架空地線選用GJ-70鍍鋅鋼絞線，線路全長(zhǎng)100 km，輸電線路負(fù)荷電流為1 000∠-26°A。根據(jù)公式（1）計(jì)算可得：

換位后總的感應(yīng)電壓為：

可見，E1與E2近乎反相，架空地線換位后的感應(yīng)電壓大幅下降，根據(jù)架空地線阻抗和桿塔、大地的阻抗，可以計(jì)算出架空地線中流過的接地環(huán)流和損耗，如表2所示。結(jié)果表明，改進(jìn)后的接地方式與逐基直接接地相比，架空地線中的接地環(huán)流大幅下降，輸電線路的損耗明顯減小，消除了金具發(fā)熱的安全隱患。

3.2 短路電流分流系數(shù)

變電站站內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，架空地線的分流作用會(huì)影響到變電站入地短路電流的大小，從而影響跨步電壓的大小。根據(jù)文獻(xiàn)[2]規(guī)定：

式中：I為入地短路電流；Imax為接地短路時(shí)的最大接地短路電流；In為流經(jīng)變電站接地中性點(diǎn)的最大短路電流；Ke為架空地線的分流系數(shù)。

由式（2）可見，Ke越大，變電站的入地短路電流越小，跨步電壓越小，安全性越高。

架空地線采用分段絕緣、單點(diǎn)接地時(shí)，不能構(gòu)成電流回路，Ke=0，入地短路電流最大，跨步電壓很高。

架空地線奇數(shù)段接地增加了接地點(diǎn)之間的檔距，采用基于相分量的回路電流法，計(jì)算不同檔距下架空地線的分流系數(shù)，如表3所示，可以看出，檔距越小，架空地線的分流系數(shù)越大，這主要是由于檔距變小時(shí)總等效阻抗減小，因此架空地線的分流增大。當(dāng)檔距＞400 m時(shí)，分流系數(shù)基本不再變化，因此，采用奇數(shù)段接地后，檔距雖然增大，但對(duì)分流系數(shù)的影響很小，不會(huì)顯著增大跨步電壓，保證了人身安全。

4 結(jié)語

對(duì)目前架空地線采用的接地方式進(jìn)行了比對(duì)分析，結(jié)合500 kV喬司變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，分析了架空地線接地方式對(duì)金具發(fā)熱的影響。提出架空地線奇數(shù)段接地、偶數(shù)段換位的接地方式，在不影響架空地線分流系數(shù)的情況下，減小了架空地線上的感應(yīng)電壓和接地環(huán)流，降低了損耗，消除了金具發(fā)熱的安全隱患。

[1]張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[2]DL/T 621-1997交流電氣裝置的接地[S].北京：中國(guó)電力出版社，1997.

[3]顏天佑，黃業(yè)同，楊長(zhǎng)輝.110 kV同塔六回輸電線路避雷線損耗研究[J].電力學(xué)報(bào)，2012，27（1）:5-9.

[4]繆晶晶，徐志磊，冒新國(guó)，等.OPGW接地方式研究及分段絕緣方案設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)通信，2012，33（231）:47-51.

[5]彭向陽，劉毅剛，張穗強(qiáng).OPGW光纖復(fù)合架空地線異常發(fā)熱現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量分析及仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（2）: 206-211.

[6]葛猛，姜大宇.架空地線耐張線夾過熱原因分析[J].電力安全技術(shù)，2005，4（7）:17-22.

[7]劉玲，鄭斯聰，蔣健，等.一起光纖復(fù)合地線搭接地點(diǎn)熔斷案例的分析[J].廣東電力，2009，22（10）:60-63，74.

[8]楊挺.500 kV輸電線路架空絕緣地線掉線原因及對(duì)策[J].電力安全技術(shù)，2005，7（12）:4-6.

[9]朱發(fā)強(qiáng).OPGW使用壽命及光中繼路由可用性問題的研究[J].電力系統(tǒng)通信，2004（2）:25-30.

[10]王學(xué)軍.超高壓送電線路OPGW不同接地方式分析[J].電工技術(shù)，2011（12）:47-49.

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（本文編輯：陸瑩）

Analysis and Countermeasure of Hardware Heating for 500 kV Overhead Ground Wire

HUANG Wei，CHENG Yong，DONG Jian xin，HU Jun hua，QIAN Guo zhong
（Maintenance Branch of Zhejiang（Provincial）Electric Power Company，Hangzhou 311232，China）

Combined with the actual measurement result of 500 kV Qiaosi substation,the impact of grounding mode of overhead ground wire on hardware heating is analyzed.The grounding circulating current brought by the direct grounding of overhead ground wire is the main reason of hardware heating and results in transmission loss.Though the section insulation and same point grounding method can eliminate circulating current and reduce the loss,there is high induced voltage on overhead grounding wire,which poses limitation to the use.Aiming at this problem,the method of odd number section grounding and even number section transposition is proposed.By using the characteristic that the voltage phase of the double overhead ground wires is nearly opposite,the induced voltage of overhead grounding wire is neutralized through transposition strategy, grounding circulating current and transmission loss are reduced.The current sharing factor of overhead grounding wire after transposition changes little,bringing less impact on step voltage and ensuring the safety.

overhead ground wire；hardware heating；OPGW；grounding mode；circulating current

TM755

：B

：1007-1881（2013）11-0036-04

2013-08-13

黃?。?985-），男，湖北棗陽人，工程師，從事電力系統(tǒng)變電運(yùn)行工作。