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

一、項目提出背景

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，導致電網(wǎng)崩潰，造成災難性后果，對此，有關部門高度重視。

相導線融冰技術的研究和應用已較為普篇，但對地線融冰技術的應用還相對滯后。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已相對比較成熟，但同時也開始逐漸暴露出地線無法融冰情況下對線路運行的影響。

導線融冰已有成功的應用案例，從導線融冰條件看，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)有關研究部門、設計部門提供的資料數(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系進行研究分析，研究改進的OPGW線接地方式及其可靠性，對建設“節(jié)能型、環(huán)保型”輸電線路具有積極意義。

二、項目主要內(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的影響，建立模型計算地線全絕緣后節(jié)能降耗效果，同時分析計算其感應電壓，研制滿足地線融冰需要的地線絕緣子，為推廣應用地線融冰打下基礎，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行造成的影響，計算地線全絕緣后的防雷效果以及采取的措施，計算感應電壓大小，并進行現(xiàn)場測量，為解決現(xiàn)場運行維護打下基礎。

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

3.研究地線融冰對地線進行絕緣改造需要開展的工作，包括地線分段長度的確定、地線絕緣子的設計與試驗，OPGW絕緣改造金具的設計與試驗等。

4.通過對改進的OPGW和普通地線接地方式進行建模，分析計算在正常、故障、檢修狀態(tài)下線路相關的感應電壓、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系，設計改進的OPGW和普通地線接地方式，并針對特殊元件和組裝方式進行設計，設計一套符合現(xiàn)場實際的專用金具。

（二）研究方法

1.建模計算

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

2.實驗室試驗

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

3.理論計算

理論計算內(nèi)容包括根據(jù)地線融冰電壓和電流的分析，計算地線分段長度及融冰方式；計算地線感應電壓；計算地線絕緣后的防雷效果，計算地線（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。

4.現(xiàn)場測量

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

5.產(chǎn)品設計與開發(fā)

針對技術難點OPGW絕緣接續(xù)裝置的設計，主要考慮通過對目前國內(nèi)外OPGW絕緣接續(xù)裝置的應用情況，分析可行的最經(jīng)濟的方案，由廠家設計并制造相應的金具。

6.實際應用論證

為確保項目最終能應用到實際，將在青山甲乙線、高肇直流根據(jù)設計情況進行現(xiàn)場技術改造，通過現(xiàn)場應用和安裝，掌握技術的實用性，并最終驗證其實用效果，為經(jīng)濟性分析打下基礎。

三、項目技術路線

根據(jù)以往理論分析計算的結(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)線路絕緣后感應電壓和感應電流大小特點，選擇合適測點、測量項目和測量儀器，通過生產(chǎn)技術、線路管理等部門的相互配合，對地線的感應電流和感應電流進行現(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)運行參數(shù)等，采用EMTP軟件，以多個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)學模型，并根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對仿真模型進行修正，進而，建立較為準確的仿真計算模型。

采用仿真計算模型，進一步研究線路感應電壓及感應電流分布的特點，分析影響感應電壓、感應電流的因素，為有效降低感應電壓及采取下一步措施打下基礎。

采用仿真計算模型，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，設計滿足融冰及防雷要求的地線絕緣子以及OPGW金具，開展相關試驗，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，參考有關技術導則和技術標準，編制《500千伏線路地線（OPGW）融冰技術導則》。

四、項目的先進性和創(chuàng)新點

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

（一）地線感應電壓的問題

傳統(tǒng)設計方案中，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問題：由于相導線與地線間存在電場及磁場的相互耦合，地線全絕緣時在地線上將產(chǎn)生很高的感應電壓（感應電壓可達幾十千伏），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方面：當鐵塔或線路遭受雷電直擊時，地線對雷電流具有分流作用，可及時將雷電流經(jīng)多個鐵塔引入大地，減小單個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效果，必須保證在雷電先導發(fā)生時，地線先于相導線產(chǎn)生迎面先導，使雷電下行先導與地線迎面先導之間的空氣間隙優(yōu)先擊雷，從而將雷電引向地線。

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

（三）絕緣地線對線路保護的影響分析

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)情況下線路保護整定值，考慮了逐塔接地地線的作用，因而，當?shù)鼐€絕緣時，線路保護的整定值是否需要從新設定，必須進行研究。

（四）地線絕緣子及絕緣串的設計

當同時考慮地線融冰、通訊、防雷及節(jié)能要求時，地線絕緣子串及絕緣間隙的設計是地線融冰技術能否成功的關鍵。

融冰和防雷對地線絕緣強度的要求具有互斥性，從融冰角度考慮，地線的絕緣強度越高越好，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。地線的絕緣強度的要求是復雜的，不僅雷電自身極為復雜，雷電發(fā)生前，絕緣間隙的擊穿強度變化很大，且絕緣間隙受覆冰的影響很大。因而，地線融冰技術的成敗，關鍵在于線地絕緣的配合。

（五）OPGW分段絕緣金具設計

光纜絕緣接續(xù)裝置是實現(xiàn)OPGW絕緣運行的核心裝備，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，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、一點接地的方式后，接地點電勢為零，但接地點兩側(cè)的OPGW上均存在對地感應電勢，距離接地點越遠，感應電勢越大，另外OPGW絕緣引下時接續(xù)盒也為帶電體。運檢人員登塔時不得直接觸碰OPGW及與OPGW存在直接電氣連通的設備，這與以前的運行維護不相同，對運行維護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、廣電、交通等領域的長途光纖網(wǎng)大規(guī)模應用常規(guī)通信光纜的使用溫度均為大氣環(huán)境溫度，如直埋、管道、架空等光纜的實際使用溫度變化范圍約為-20℃～40℃之間，而電力系統(tǒng)通信領域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)電科院融冰電流計算模型，如需要對OPGW-10毫米冰區(qū)進行融冰，需要在260安培電流融冰持續(xù)1小時，由于持續(xù)大電流持續(xù)時間長，將會導致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）地線融冰的保護問題

地線融冰時所加的是直流電壓，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，長時間的電弧作用，對地線具有嚴重的燒蝕作用，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。地線的電能損耗線路的輸送容量、導線是否換位、地線接地方式、地線是否換位等均有較大的關系。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必須解決的問題。

（九）地線融冰過程中閃絡保護問題

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雜，因而，融冰過程中地線與鐵塔間發(fā)生閃絡的可能難以完全杜絕。一旦地線與鐵塔間發(fā)生閃絡，由于直流電壓是恒定值，不存在過零點，電弧難以熄滅，在長時間的電弧作用下，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)生閃絡時的保護問題。

五、成果的經(jīng)濟社會效應和推廣應用情況

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致高肇直流線路跳閘或重啟動等情況，確保了線路穩(wěn)定運行；

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。

基于以上的項目研究，超高壓輸電公司將500千伏線路地線（OPGW）全絕緣節(jié)能降耗與融冰技術應用于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，均取得了預期的成果。

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

據(jù)有關資料測算，將南方電網(wǎng)架空地線全部絕緣后，每年預計節(jié)能在20億度電左右，可創(chuàng)造出數(shù)百億的社會財富，社會效益是十分明顯的。