梁利輝,趙志剛,閆 敏,池 城,鄭遠(yuǎn)笛,李奕霖,李 軍

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，石家莊 050070；2.華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003；3.保定吉達(dá)電力設(shè)計(jì)有限公司，河北 保定 071003)

0 引 言

隨著輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，可用的架空線路走廊資源越來越少，并架線路引起的電磁耦合問題日漸突出[1-5]。特高壓并架輸電線路在日常運(yùn)行維護(hù)中會遇到長距離不帶電作業(yè)的線路平行的交流或直流特高壓輸電線路，作業(yè)線路處在復(fù)雜的電磁環(huán)境中并面臨嚴(yán)重的感應(yīng)電問題。平行帶電輸電線路平時(shí)的運(yùn)行維護(hù)及同塔雙回輸電線路一回運(yùn)行、一回檢修都會威脅作業(yè)人員的安全。由于線路間復(fù)雜的電磁耦合使得停電檢修作業(yè)線路面臨十分復(fù)雜與嚴(yán)重的感應(yīng)電壓、電流的威脅，目前有效降低感應(yīng)電壓的方法就是接地，因此對流過接地線路的感應(yīng)電流以及接地方案的研究，為線路檢修工作人員的安全保障提供了理論依據(jù)，有利于線路檢修作業(yè)安全[6]。

在國內(nèi)，對輸電線路間的電磁耦合干擾問題的研究主要集中在以下方面：同塔雙回輸電線路架空地線上感應(yīng)電流、電壓的計(jì)算[7]；各電壓等級下的同塔多回輸電線路，部分線路停運(yùn)，運(yùn)行線路對停運(yùn)線路的感應(yīng)電計(jì)算以及接地開關(guān)參數(shù)的選擇[4,8-9]，同塔雙回輸電線路一回帶電，一回停電時(shí)線路上感應(yīng)電流和電壓的計(jì)算以及接地開關(guān)的選型研究[10-11]，不同線路形式對應(yīng)作業(yè)方式的確定及安全防護(hù)措施[12-17]；各種工況下流過檢修人員的電流大小[18]。國外學(xué)者從人員的安全角度出發(fā)，對同塔多回輸電線路中檢修線路上的感應(yīng)電進(jìn)行研究計(jì)算，得到檢修線路上感應(yīng)電的分布規(guī)律，分析地線接地方式、檢修線路接地電阻、導(dǎo)線換位等因素對感應(yīng)電的影響[19-20]。

從國內(nèi)外的文獻(xiàn)中可以看出，部分國家已對感應(yīng)電壓開展了相應(yīng)的研究，通過經(jīng)驗(yàn)公式、模擬仿真、理論計(jì)算等方式進(jìn)行了研究，并提出了不少的控制措施，解決了感應(yīng)電帶來的部分問題[21-26]。但同塔雙回輸電線路的感應(yīng)電壓、電流對檢修人員所產(chǎn)生的危害方面的研究和建議缺少較全面的系統(tǒng)性分析，對現(xiàn)場工作指導(dǎo)性存在不足。筆者從現(xiàn)場實(shí)際情況出發(fā)，對榆橫—濰坊1 000 kV特高壓交流輸電線路接地線上的感應(yīng)電流進(jìn)行計(jì)算分析，為降低接地線上的感應(yīng)電流保障作業(yè)人員的安全進(jìn)行接地方案和拆除接地裝置方案的研究，最后通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的有效性。

1 理論計(jì)算方法

在交流輸電線路形成的磁場中的停電檢修線路兩端接地時(shí)，此時(shí)兩者間形成的互電感相當(dāng)于一個(gè)互感器，在大地和檢修線路間的回路形成一個(gè)電流IL，IL就是電磁感應(yīng)電流，如圖1所示。

圖1 電磁感應(yīng)電流示意圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic induced current

線路間的感應(yīng)電流示意圖見圖2。MAg、MBg、MCg為三相帶電運(yùn)行線路與未帶電線路g之間的單位互感，L為g的對地電感。當(dāng)檢修停電線路g兩端均接地時(shí)，g上感應(yīng)的主要是電磁感應(yīng)電流。此時(shí)U1=U2=0，線路g首末兩端的感應(yīng)電流為

圖2 線路間電磁耦合示意圖Fig.2 Electromagnetic coupling diagram between lines

(1)

2 榆橫-濰坊1 000 kV特高壓線路工程概況

2.1 榆橫-濰坊1 000 kV特高壓交流工程

榆橫-濰坊1 000 kV工程是途經(jīng)陜西、山西、河北、山東4省的特高壓交流工程，線路長度2×104 8 km，變電容量1 500萬千伏安，輸電能力600萬千瓦。線路途經(jīng)榆橫、洪善、邢臺、泉城和濰坊1 000 kV 變電站如圖3所示，線路在各個(gè)省份的運(yùn)維長度如表1所示。

圖3 榆橫-濰坊1 000 kV特高壓交流工程示意圖Fig.3 Schematic diagram of yuheng-weifang 1 000 kV UHV AC Project

2.2 線路檢修常規(guī)接地方案

榆橫-濰坊1 000 kV工程線路檢修時(shí)全線停電，由于各省在進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)進(jìn)度不同，檢修作業(yè)人員在各省境內(nèi)接地以防止感應(yīng)電，在變電站處對線路進(jìn)行接地是為了防止變電站誤送電進(jìn)行的保護(hù)措施。由檢修安規(guī)可知，檢修作業(yè)人員在各省境內(nèi)邊界鐵塔處和變電站處進(jìn)行接地保護(hù)。接地示意圖如圖4所示。

3 榆橫-濰坊1 000 kV特高壓交流線路檢修接地方案研究

榆橫-濰坊1 000 kV線路工程全線檢修時(shí)，四個(gè)省邊界及變電站處共11個(gè)接地點(diǎn)，各處感應(yīng)電情況未知，各省接地順序并無規(guī)定，而不同的接地順序?qū)?dǎo)線上感應(yīng)電分布影響較大，因此本節(jié)對該線路常規(guī)11個(gè)接地點(diǎn)順序進(jìn)行討論。

3.1 常規(guī)接地方式下感應(yīng)電流的計(jì)算

計(jì)算得出榆橫-濰坊1 000 kV特高壓交流輸電線路在常規(guī)接地狀態(tài)下，各點(diǎn)接地線上的感應(yīng)電流如表2所示。

表2 常規(guī)接地方案下的感應(yīng)電流計(jì)算值Table 2 The calculated value of induced current under the conventional grounding scheme

由計(jì)算得出的感應(yīng)電流值可知，各處停電檢修線路的接地線上的感應(yīng)電流較大，尤其是線路兩端接地線上的感應(yīng)電流，線路兩端感應(yīng)電流過大可能導(dǎo)致接地銅線產(chǎn)生熔斷現(xiàn)象，個(gè)別位置遠(yuǎn)大于各類屏蔽服衣料熔斷電流，也會增大檢修作業(yè)人員安全作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 常規(guī)接地方式下安裝接地裝置順序的研究

因檢修線路與運(yùn)行線路間的耦合產(chǎn)生較強(qiáng)的感應(yīng)電，在安裝接地線的過程中也面臨著較強(qiáng)的感應(yīng)電問題，不同的接地順序也影響著各接地線的感應(yīng)電大小。安裝順序如圖5所示可以分為4種，一種是從檢修線路中部位置向線路的兩端接地，第2種是從線路兩端位置向中間位置接地，第3種是先接線路兩端位置，再從中間位置向兩端接地，第4種是從檢修線路一端向另一端接起。

圖5 不同接地順序方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of different grounding sequence schemes

根據(jù)計(jì)算，在停電檢修線路兩端不接地時(shí)，三相線路的感應(yīng)電壓從上至下依次可達(dá)到55.567 kV、21.351 kV、39.144 kV，此電壓為靜電感應(yīng)電壓，主要由于線間電容的耦合分壓作用；在檢修線路單端接地時(shí)，三相線路的感應(yīng)電壓從上至下依次可達(dá)到12.357 kV、10.471 kV、16.244 kV，此感應(yīng)電壓為電磁感應(yīng)電壓，是由帶電線路通過電磁感應(yīng)在導(dǎo)體上形成的電勢。較大的感應(yīng)電壓會影響線路和作業(yè)人員的安全，因此有必要首先對線路兩端進(jìn)行接地，來降低整條檢修線路上的感應(yīng)電，所以可以首先排除方案一與方案四；其次對方案二和方案三進(jìn)行比較，這個(gè)動態(tài)過程的感應(yīng)電流值如表3所示。

表3 不同接地順序下的感應(yīng)電流計(jì)算值Table 3 The calculated values of induced current under different grounding orders

可以得到，方案二中在對臨近首尾端的接地點(diǎn)即2、10位置接地后，1、11位置的感應(yīng)電流值相比方案三中對中間位置接地后的感應(yīng)電流值降低得多，因此選擇方案二：從兩端向中間接地的順序。

3.3 常規(guī)接地方式下拆除接地裝置順序的研究

不同的拆除接地順序也影響著各接地線的感應(yīng)電大小。由不同接地順序下的感應(yīng)電流值可得，首尾兩端的感應(yīng)電較大，檢修線路進(jìn)行拆除接地裝置作業(yè)時(shí)最好保留首尾兩端的接地線，拆除順序如圖6所示可以分為3種，一種是從檢修線路中部位置向線路的兩端拆除，第2種是保留兩端接地線從線路兩端位置向中間位置拆除，第3種是保留兩端接地線從檢修線路一端向另一端拆除。

圖6 不同拆除順序方案示意圖Fig.6 Schematic diagram of different demolition sequence schemes

由分析可得，最優(yōu)的方法是保留兩端位置盡量多數(shù)目的接地線以抑制整條檢修線路的感應(yīng)電，因此選擇拆除方案一：從中間向兩端拆除最為合適。

4 河北境內(nèi)1 000 kV特高壓交流線路檢修接地方案研究

4.1 河北省境內(nèi)線路模型

在榆橫-濰坊1 000 kV特高壓線路工程中，洪臺線貫穿河北省和山西省。其中洪臺Ⅰ線在河北省境內(nèi)約長150.457 km，與之并行的是同塔雙回架設(shè)的交流1 000 kV洪臺Ⅱ線，相序排列為BCA-ACB，檢修線路三相的感應(yīng)電大小因回路的空間位置而有所不同。同塔雙回線路的位置如圖7所示。

圖7 同塔雙回線路相對位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the relative position of the double-circuit line in the same tower

4.2 不同影響因素分析

4.2.1 輸電線路的輸送功率

根據(jù)榆橫—濰坊1 000 kV特高壓交流輸電線路的額定容量可以得到其額定運(yùn)行電流為3 464 A，線路的運(yùn)行電壓穩(wěn)定不變，當(dāng)線路的輸送容量發(fā)生變化時(shí)，其電流改變。當(dāng)運(yùn)行電流改變時(shí)，檢修線路尾端接地線上的電磁感應(yīng)電流變化曲線如圖8所示。從圖中可以分析，當(dāng)輸送容量增大，運(yùn)行電流增大，檢修側(cè)線路兩端接地線上的電磁感應(yīng)電流呈線性增大趨勢。

圖8 隨輸送功率變化的檢修線路接地線上的感應(yīng)電流Fig.8 The induced current on the grounding line of the overhaul line which varies with the transmission power

4.2.2 土壤電阻率

維護(hù)檢修側(cè)線路兩端地線的電磁感應(yīng)電流隨土壤電阻率的變化如圖9所示，可得，由于土壤電阻率的增大導(dǎo)致檢修線路接地電阻的增大，從而導(dǎo)致感應(yīng)電流降低，并且從圖中可得在土壤電阻率小于100 Ω·m時(shí)變化率較大，大于100 Ω·m時(shí)下降緩慢。

圖9 隨土壤電阻率變化的檢修線路接地線上的感應(yīng)電流Fig.9 The induced current on the ground line of the maintenance line which varies with the soil resistivity

4.2.3 接地線個(gè)數(shù)

維護(hù)檢修側(cè)線路兩端地線的電磁感應(yīng)電流隨附近接地線個(gè)數(shù)的變化如圖10所示，可得，隨著接地線個(gè)數(shù)的增多，感應(yīng)電流明顯降低，在附近接地線個(gè)數(shù)變?yōu)?后變化趨勢逐漸減小且趨于平緩。

圖10 隨附近接地線個(gè)數(shù)變化的檢修線路接地線上感應(yīng)電流Fig.10 The induced current on the ground line of the maintenance line which varies with the number of ground line

由以上分析結(jié)果可知，接地可以有效降低特高壓輸電線路在檢修時(shí)的感應(yīng)電流，因此對檢修時(shí)接地方案的研究可以進(jìn)一步保障檢修作業(yè)人員的安全。

4.3 接地方案研究

線路檢修采取的安全防護(hù)措施通常是檢修段線路兩端接地，檢修處經(jīng)接地線接地，這種情況相當(dāng)于三端接地，當(dāng)檢修線路三端接地時(shí)，有兩種不同的接地方案，一種是接地點(diǎn)位于檢修線路中間位置，另一種是接地點(diǎn)位于距離檢修線路末端450 m處，約一個(gè)檔距的距離，如圖11所示。兩種不同方案時(shí)的電磁感應(yīng)電流如表4所示。

圖11 接地方案示意圖Fig.11 Schematic diagram of grounding scheme

表4 三端接地方案下的感應(yīng)電流計(jì)算值Table 4 The calculated value of induced current under the three-terminal grounding scheme

由數(shù)據(jù)分析可得，在三端接地時(shí)，方案(2)線路末端接地線上的感應(yīng)電流相比方案(1)的感應(yīng)電流明顯下降，而方案(2)首端接地線上的感應(yīng)電流比方案(1)的要大，所以，在離電磁感應(yīng)電流最大位置附近接地有利于緩解電磁感應(yīng)的危害。檢修作業(yè)時(shí)，在檢修作業(yè)處相距單位檔距的兩處桿塔掛接地線，建立四端接地模型如圖12所示，此接地模型得到的感應(yīng)電流值如表5所示。

圖12 四端接地模型Fig.12 Four-terminal grounding model

表5 四端接地方案下的感應(yīng)電流計(jì)算值Table5 The calculated value of induced current under the four-terminal grounding scheme

此時(shí)，檢修線路臨近末端的兩個(gè)接地點(diǎn)2、3和末端接地點(diǎn)4的電流都下降較多。但首端接地線電流值上升，因此有必要對首端也進(jìn)行進(jìn)一步的接地保護(hù)。對檢修線路首末端附近進(jìn)行多點(diǎn)接地措施一方面可以降低接地線上感應(yīng)電流的大小以減少接地線熔斷現(xiàn)象，另一方面可以避免因土壤腐蝕導(dǎo)致的接地線過細(xì)或斷開造成的接地不可靠問題，從而降低檢修作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也要在檢修作業(yè)兩端相距一個(gè)檔距的兩處桿塔處掛接地線對檢修人員進(jìn)行進(jìn)一步的保護(hù)。據(jù)此思路建立多端接地模型如圖13所示，此接地模型得到的感應(yīng)電流值如表6所示。

圖13 多端接地模型Fig.13 Multi-terminal grounding model

表6 多端接地方案下的感應(yīng)電流計(jì)算值Table 6 The calculated value of induced current under the multi-terminal grounding scheme

由數(shù)據(jù)分析可得，在檢修線路中間接地線的位置不會對首末端接地線上的感應(yīng)電流產(chǎn)生較大的影響，線路首末端附近多點(diǎn)接地可以使首末端接地線的感應(yīng)電流保持在較低水平，并且對首尾兩端進(jìn)行三接地較為合適，進(jìn)一步增加接地?cái)?shù)可以繼續(xù)降低感應(yīng)電流但效果不明顯同時(shí)也造成工作的復(fù)雜性，在檢修區(qū)段兩端的桿塔處接地可以使檢修區(qū)段線路的感應(yīng)電流大大降低，進(jìn)一步保障檢修人員的安全。

依據(jù)3.2、3.3節(jié)的分析，河北省境內(nèi)檢修線路接地順序選擇從兩端向中間接地的順序，拆除順序選擇從中間向兩端拆除。

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

檢修停運(yùn)線路為1 000 kV洪臺Ⅰ線，試驗(yàn)線路區(qū)段桿號396至397如圖14所示，此時(shí)，檢修線路首尾端接地，檢修人員通過保安線接地，兩位檢修人員分別登396號桿塔和397號桿塔進(jìn)行試驗(yàn)測量，測量兩位檢修人員位置的A相B相C相三相的臨時(shí)保護(hù)接地裝置的感應(yīng)電流值，為試驗(yàn)測量值，將試驗(yàn)測量值與利用以上計(jì)算方法計(jì)算出的感應(yīng)電流值進(jìn)行對比，如表7所示，計(jì)算值與試驗(yàn)測量值符合較好，表明該求解方法可以用于特高壓輸電線路感應(yīng)電的研究。

表7 接地線路上感應(yīng)電流的實(shí)測值與計(jì)算值Table 7 The measured and calculated values of the induced current on the ground line

圖14 試驗(yàn)線路示意圖Fig.14 Schematic diagram of test circuit

5 結(jié) 論

對榆橫—濰坊1 000 kV特高壓全線輸電線路一回帶電運(yùn)行一回停電檢修情況以及河北境內(nèi)洪臺檢修時(shí)感應(yīng)電及線接地方案進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

1)榆橫—濰坊1 000 kV特高壓全線線路檢修時(shí)，在各省邊界及變電站接地時(shí)共11個(gè)接地點(diǎn)，感應(yīng)電最大值位于線路兩側(cè)，最大為1 356 A。

2)對榆橫—濰坊1 000 kV特高壓全線線路及河北境內(nèi)線路檢修時(shí)，為有效控制感應(yīng)電流激增，接地點(diǎn)安裝最好選取從兩端向中間的順序；拆除方案最好選取從中間向兩端的順序。

3)當(dāng)輸送容量增大時(shí)，運(yùn)行電流增大，同塔雙回線路檢修側(cè)線路兩端接地線上的電磁感應(yīng)電流呈線性增大趨勢；土壤電阻率的增大導(dǎo)致感應(yīng)電流降低，且在土壤電阻率小于100 Ω·m時(shí)變化率較大，超過100 Ω·m時(shí)下降緩慢；隨著接地線個(gè)數(shù)的增多，感應(yīng)電流明顯降低，在附近接地線個(gè)數(shù)變?yōu)?后變化趨勢逐漸減小且趨于平緩。

4)通過比較分析不同的接地方案下的感應(yīng)電流特性得知，在離電磁感應(yīng)電流較大位置附近接地有利于緩解電磁感應(yīng)的危害，并提出了一種較為可靠安全的多點(diǎn)接地方案，有助于做好預(yù)防感應(yīng)電措施，保障檢修人員安全。