蔣陶寧，徐亮，卞鵬，賈佳，康東升，孫成秋，李軍

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京市，100032)

0 引言

目前高壓交流輸電普遍采用光纖復(fù)合架空地線(opticalfiber composite overhead ground wire，OPGW)和普通地線配合使用的地線系統(tǒng)，為了滿足防雷和通訊的需要，該地線系統(tǒng)通常采用逐塔接地和全線貫通連接方式。線路工況下，相電流通過磁耦合在地線中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于地線和大地構(gòu)成回路，在地線感應(yīng)電動勢的驅(qū)動下，地線和鐵塔中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致電能損耗。

隨著我國電力網(wǎng)絡(luò)電壓等級的提高，尤其是特高壓的出現(xiàn)，此電能損耗逐漸變得不可忽視。通過改善地線的接線方式來降低此損耗，逐漸成為研究者關(guān)注的課題。到目前為止，研究者提出的改善措施主要包括以下幾種:地線分段絕緣［1-8］，單點接地［1，3，5，8］，地線換位［1，8］，地線開環(huán)［1，9］，這些技術(shù)為降低地線損耗提供了重要參考。

目前工程中較多采用普通地線分段絕緣、OPGW逐塔接地的技術(shù)來降低地線損耗，但這種方式將使OPGW 更容易遭雷擊而斷股損壞［5］。而OPGW 由于耐熱性能［10-11］和光纖連續(xù)特性的限制，如果也采用分段絕緣技術(shù)，則需要特殊的接續(xù)盒和絕緣保護(hù)間隙［4-6］，同時會提升沿線的感應(yīng)電位［12］，增加工程造價和維修難度?？紤]OPGW特性和其他綜合因素的新地線接線方式研究的新進(jìn)展可參見文獻(xiàn)［13］，文中，研究者提出了OPGW和普通地線均單點接地、普通地線分段絕緣和地線換位等多種技術(shù)巧妙結(jié)合的新方式，可將地線損耗降低至傳統(tǒng)地線接線方式的2.5%。然而該研究成果是在導(dǎo)線逆相序排列的條件下得出的，沒有研究其他相序的損耗特性，也沒有考慮實際長距離導(dǎo)線不同換位方式的影響。

本文是對文獻(xiàn)［13］工作的補(bǔ)充和完善。本文的進(jìn)展在于:(1)研究了不同相序下地線感應(yīng)電動勢的特性;(2)研究了不同導(dǎo)線換位方式下地線損耗的特性;(3)指出了文獻(xiàn)［13］中新技術(shù)的有效使用范圍和降低地線損耗最有利的導(dǎo)線排布和地線接線方式。

1 地線電能損耗計算方法簡介

1.1 地線中的感應(yīng)電動勢

圖1為同塔雙回線路導(dǎo)、地線排布示意。相序為逆相序，相電流產(chǎn)生工頻變化的電磁場，通過耦合作用在地線上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并和大地形成回路產(chǎn)生感應(yīng)電流和損耗。相線和地線的磁耦合關(guān)系反映到電路中可用互阻抗表示。忽略工頻情況下導(dǎo)線間的互電容，2條地線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

式中:E7和E8為圖1中編號為7和8的地線上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢;In為圖1中1～6號導(dǎo)體中流過的相電流;Z(n，7)和Z(n，8)為n號導(dǎo)線和地線之間的互阻抗。

圖1 交流雙回輸電線路相線和地線的排布Fig.1 Disposition of phase line and ground wire in HVAC double circuit transmission lines

1.2 地線中的感應(yīng)電流及損耗

得到地線中的感應(yīng)電動勢E7和E8，然后按照電路的分析方法來求解地線上的感應(yīng)電流和損耗。圖2為地線穩(wěn)態(tài)運行的逐檔模型?？紤]比較復(fù)雜情況，每檔地線可與大地絕緣，也可水平電氣絕緣，分別設(shè)置開關(guān)，并且考慮2條地線之間的互感影響。

圖2 地線穩(wěn)態(tài)運行模型Fig.2 Steady-state model of ground wires

用不同阻值的電阻來模擬圖中開關(guān)的狀態(tài)，即可將圖示模型轉(zhuǎn)換成電路計算模型。按照回路電流法，列寫圖示每檔線路所滿足的回路電流方程，形成矩陣方程組并求解，可得2條地線中的感應(yīng)電流，進(jìn)一步可以得到鐵塔入地電流、地線損耗和地線沿線電壓等指標(biāo)。詳細(xì)求解步驟不再討論，可以參閱文獻(xiàn)［13］。

2 數(shù)值算例及分析

現(xiàn)以特高壓交流輸電線路為例，研究不同相序及不同導(dǎo)線換位方式下地線中感應(yīng)電動勢及損耗的特性。

2.1 計算條件

圖3為本算例中導(dǎo)、地線排布情況，導(dǎo)線最低弧垂26 m。系統(tǒng)運行條件:額定電壓1000 kV，單回輸送功率 6500 MW，功率因數(shù) 0.95，土壤電阻率500 Ω·m，鐵塔等效接地電阻10 Ω。線路長300 km，共計600檔，每檔為500 m。相導(dǎo)線型號:8×LGJ－630/45，導(dǎo)線分裂間距400 mm;地線型號:JLB20A－240;光纜型號:OPGW －240。

圖3 線路的幾何結(jié)構(gòu)Fig.3 Geometry of power lines

2.2 不同相序下地線中的感應(yīng)電動勢

如圖4所示是同塔雙回交流輸電線路常見的幾種相序排列方式，分別命名為正序、異序(分4種)和逆序。

圖4 導(dǎo)線相序排列方式Fig.4 Phase sequences of power lines

按照公式(1)，計算不同相序下單位長度OPGW和普通地線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，如表1所示。

表1 不同相序排列下的地線感應(yīng)電動勢Tab.1 Induced electromotive forces of ground wire under various phase sequences

從表1可知:同種相序下OPGW和普通地線中感應(yīng)電動勢幅值相差不大。但是不同相序下2個感應(yīng)電動勢的幅值和相位差有較大差異:正序下的地線感應(yīng)電動勢幅值最大，且無相位差;逆序下感應(yīng)電動勢幅值最小，但相位差最大;4種異相序介于正序和逆序之間。

由此可以推斷，對于同樣的地線接線系統(tǒng)，導(dǎo)線正序排列的地線損耗最大，異序次之，逆序最小。

2.3 不同導(dǎo)線換位方式下的地線損耗

工程設(shè)計中根據(jù)電氣不平衡度的要求，對于超過一定長度的線路通常需要進(jìn)行合理換位［14-15］。換位后達(dá)到首端和末端相序一致，每種相序排列各占1/3線路長度，稱為1個全換位。圖5為2種導(dǎo)線換位方式，分別為同向全換位和反向全換位。同向全換位的3種相序分別命名為“逆(a)、異(a)、異(b)”，反向全換位的3種相序分別命名為“逆(a)、逆(b)、逆(c)”。

定義3種地線接線方式，如圖6所示。

圖5 同塔雙回輸電線路導(dǎo)線換位Fig.5 Conductor transpositions in double-circuit power lines on the same tower

圖6 地線運行方式Fig.6 Operation mode of ground wires

方式1:OPGW和普通地線均逐塔接地全線貫通連接。

方式2:OPGW逐塔接地;普通地線單點接地(5 km接地1次)分段絕緣(2個接地點中間絕緣)。

方式3:OPGW也采用單點接地的方式，2條地線每隔5 km換位1次。該方式為文獻(xiàn)［13］推薦方式。

按照本文提到的計算方法，得到不同導(dǎo)線換位方式及地線接線方式下地線損耗情況，如表2所示。

表2 地線損耗比較Tab.2 Comparison of power loss of ground wire kW/km

從表2可以看出:

(1)導(dǎo)線反向換位降耗效果較好，地線損耗約為同向換位的58.9%(方式1)。

(2)地線接線方式，相對于方式1，方式2降耗效果顯著(約為方式1的63.2%和31.1%);方式3在導(dǎo)線反向換位情況下降耗效果顯著(約為方式2的9.3%)，但是在同向換位情況降耗不明顯(約為方式2 的87.4%)。

2.4 原因分析

由圖5中可知，導(dǎo)線正向換位方式下，該線路的1/3是逆相序運行，其他是異相序運行;導(dǎo)線反向換位方式下，線路全線均為逆相序排列。按照2.2節(jié)的分析方法，同樣得到圖5不同相序下地線中的感應(yīng)電動勢，如表3所示。

表3 圖5中不同相序排列下的地線感應(yīng)電動勢Tab.3 Induced electromotive forces of ground wire under various phase sequences in figure 5

從表3可知，逆相序下2條地線中感應(yīng)電動勢的幅值為162 V/km左右，而異相序下感應(yīng)電動勢幅值較大，異(a)為367 V/km，異(b)為337 V/km。這是導(dǎo)線同向換位地線損耗較大的本質(zhì)原因。

圖7～8是方式1下不同導(dǎo)線換位方式的地線感應(yīng)電流和鐵塔入地電流的分布規(guī)律?？梢娔嫘蛳碌牡鼐€感應(yīng)電流(235 A)明顯小于異序(340 A)，且導(dǎo)線反向換位下鐵塔的入地電流較同向換位小。眾所周知損耗和電流的平方成正比，這是導(dǎo)線反向換位損耗較小的直接原因。

圖7 不同導(dǎo)線換位方式下地線感應(yīng)電流分布Fig.7 Induced current distribution of ground wires under different conductor transposition modes

圖8 不同導(dǎo)線換位方式下鐵塔入地電流分布Fig.8 Current distribution of iron tower under different conductor transposition modes

關(guān)于不同地線接線方式下的損耗分析，文獻(xiàn)［13］中已經(jīng)詳細(xì)分析和討論，本文不再贅述。本文只分析地線換位(方式3)對不同相序的損耗影響。圖9所示為本算例中1段5 km長的地線換位后感應(yīng)電動勢分布示意，由文獻(xiàn)［13］可知地線換位降耗主要是利用了換位后地線感應(yīng)電動勢可以互相抵消，前提是存在較大的相位差。從表1和表3都可以看出，該方式在逆序下很有效(E7+E8=98 V/km，遠(yuǎn)小于E7和E8)，而在異序下效果不明顯，正序下則完全沒有效果。這就解釋了表2中方式3對導(dǎo)線反向換位降耗效果顯著，而對同向換位效果不明顯的現(xiàn)象。

圖9 方式3地線感應(yīng)電動勢分布示意Fig.9 Induced electromotive forces distribution of ground wires under disposition 3

3 結(jié)論

本文基于電路模型的地線損耗計算方法，以特高壓同塔雙回交流輸電線路為例，分析和研究了不同導(dǎo)線相序及換位方式下，地線中感應(yīng)電動勢和損耗的分布特征。

(1)交流輸電線路中2條地線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幅值基本一致，但其大小及2個感應(yīng)電動勢的相位差和導(dǎo)線的相序有關(guān):正序下幅值最大，相位差為0;逆序下幅值最小，相位差最大;異序介于中間。

(2)相比導(dǎo)線同向換位，反向換位因為換位后各段仍然是逆相序，更有利于降低地線損耗。

(3)不管對導(dǎo)線同向換位還是反向換位，地線分段絕緣單點接地技術(shù)對降低地線損耗效果顯著。

(4)從降低損耗的角度，地線換位在逆序下效果顯著，但對同序和異序效果不明顯。

綜上所述，從降低地線損耗的角度出發(fā)，建議工程設(shè)計中導(dǎo)線采用逆相序反向換位，地線采用單點接地的接線方式。該方式的地線損耗約為地線逐塔接地的 2.9%。

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