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 架空地線的接地方式

目前我國高壓和特高壓輸電線路的架空地線大多由普通架空地線和OPGW（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW）光纜共同組成。OPGW不僅具有輸電導(dǎo)線架空地線的防雷作用，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)接地和全線絕緣三種方 式[4-5]。

經(jīng)過長期的探索和借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，目前國內(nèi)主要存在以下4 種可能的架空地線運(yùn)行方式[6-7]。

1）普通架空地線分段絕緣、單點(diǎn)接地而OPGW逐塔接地。

圖1 OPGW 的結(jié)構(gòu)圖

2）普通架空地線和OPGW 均分段絕緣、單點(diǎn)接地。這種接地方式可以通過引入串有放電間隙的耐張金具等特殊元件來實(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）普通架空地線和OPGW 均逐塔接地。

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

本文以某750kV 輸電線路為例，比較架空地線采用上述四種接地方式時(shí)地線的感應(yīng)電壓、電流，以及架空地線不同的分段長度對感應(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8.368m。導(dǎo)線弧垂12.24m。桿塔尺寸參數(shù)如圖2所示。

圖2 桿塔尺寸圖

導(dǎo)線采用6×LGJ-500/45 鋼芯鋁絞線，直流電阻0.05912Ω/km，外徑30mm。分裂導(dǎo)線根數(shù)為6根，分裂間距40cm。避雷線的型號(hào)為GJ70，直流電阻為2.315 Ω/km，計(jì)算半徑為10.5mm。避雷線的弧垂取為架空線弧垂的0.75 倍，即9.18m。土壤電阻率取為100 Ω·m。輸電線路換位方式如圖3所示，線路首端母線三相電壓為末端母線三相電壓為0.9840p.u.。線路全長210km，首端45.56km 為同塔雙回線路，其余164.64km 為不同桿線路。本文中改變同塔雙回路線路的地線接地方式進(jìn)行分析計(jì)算。

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

圖3 輸電線路換位方式

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路的架空地線上會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢和環(huán)路電流，其值的大小由于架空地線接線方式的不同而存在著很大的差異。在地線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓的原因有兩個(gè)：一方面是由于導(dǎo)線之間、導(dǎo)線和地線之間以及地線和地線之間存在分布電容，電容的耦合作用會(huì)感應(yīng)出電壓；另一方面，由于導(dǎo)線布置的空間位置不可能完全對稱，所以導(dǎo)線周圍的電磁場也不平衡，因此存在電磁感應(yīng)，進(jìn)而在地線中產(chǎn)生了感應(yīng)電壓。如果地線是逐塔接地的，感應(yīng)電流經(jīng)地線、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接地方式分別稱為方式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 四種方式下地線的感應(yīng)電壓/V

表2 四種方式下地線的感應(yīng)電流/A

由方式1 的計(jì)算結(jié)果可見，普通地線上會(huì)出現(xiàn)很大的感應(yīng)電壓，當(dāng)分段長度為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€的接地方式不同，導(dǎo)致導(dǎo)線周圍的電磁場的不平衡度增加，在未均勻換位的情況下，磁場將在地線上感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢。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，在兩條地線均采用單點(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，隨著線路分段長度的增加，感應(yīng)電壓增大。由于兩條地線一端接地，一端通過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，地線的電能損耗幾乎為零。

由方式3 的計(jì)算結(jié)果可見，當(dāng)采用兩條地線均逐塔接地的接地方式時(shí)，由于兩條地線均接地，且接地的桿塔、大地的阻值均較小，所以兩條地線的電動(dòng)勢均接近于零電位。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，當(dāng)采用普通地線單點(diǎn)接地，OPGW 全線絕緣接地方式時(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。這是由于采用全線絕緣方式的感應(yīng)電壓與導(dǎo)線周圍電磁場的平衡度密切相關(guān)，一旦電磁場的平衡度被打破感應(yīng)電壓就會(huì)達(dá)到極高的水平。由于該接線方式下不存在閉合的回路，地線的電能損耗接近于零。

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

輸電線路發(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)線周圍的電磁場嚴(yán)重不平衡，地線上將感應(yīng)出電壓，以下計(jì)算四種接地方式下，輸電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，地線上出現(xiàn)的感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓，計(jì)算結(jié)果見表3、表4。短路故障條件為：A 相短路接地，故障點(diǎn)距線路首端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)地線的感應(yīng)電壓/V

表4 單相故障時(shí)地線的感應(yīng)電流/A

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

5 結(jié)論

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

1）線路正常運(yùn)行時(shí)，由于靜電耦合和電磁耦合，會(huì)在地線上出現(xiàn)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，逐塔接地的地線上感應(yīng)電壓最大，且電壓隨分段長度增加而增加，單點(diǎn)接地、分段絕緣地線上感應(yīng)電壓次之，全線絕緣的地線上感應(yīng)電壓最小。逐塔接地的地線上會(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)，對于逐塔接地方式，將在地線上感應(yīng)出很大的感應(yīng)電流，由于該 接線方式下存在多條閉合的回路，感應(yīng)電流可直接泄入大地；對于單點(diǎn)接地、分段絕緣方式，地線上將感應(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。

[1] 張雅婷,高博,施圍.750kV 輸電線路架空地線損耗的影響因素及降低方法研究[J].電磁避雷器,2008,221.

[2] 王倩,吳田,施榮,等.750kV 輸電線路光纖復(fù)合架空地線的接線方式[J].高電壓技術(shù),2011(37),12.

[3] 胡毅,劉凱.輸電線路OPGW 接地方式的分析研究[J].高電壓技術(shù),2008,34.

[4] 黃旭峰.光纖復(fù)合架空地線接線方式的改進(jìn)[J].高電壓技術(shù),2010(36),2.

[5] 傅賓蘭.光纖復(fù)合架空地線OPGW 運(yùn)行狀況和防雷[J].中國電力,2005,38.

[6] 張曉東,張棟.高壓架空輸電線路地線熱穩(wěn)定的計(jì)算[J].高電壓技術(shù),2005(31),5.

[7] 曾林平,張鵬,馮玉昌,等.750kV 線路架空地線感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流仿真計(jì)算[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008(24),6.

[8] 吳康平.500kV 線路絕緣地線的設(shè)計(jì)[J].電力建設(shè),2001(22),11.