蔡理樹

（福建億興電力設(shè)計院有限公司，福建泉州 362000）

0 引言

目前，架空電力線路的地線一般以O(shè)PGW 復合地線為主，地線接地形式一般為全線桿塔逐基接地。因為這種接地形式簡易，無絕緣子安裝方便，一次性投入成本低，因而地線感應損耗長期不受重視。以某110 kV 架空線路為例，闡述采用節(jié)能地線給架空線路帶來的效益。

1 OPGW 產(chǎn)生損耗的原因

在架空輸電線路的運行中，地線與帶電導線之間會發(fā)生電磁場與靜電場的耦合。常規(guī)的全線桿塔逐基接地形式形成的縱向感應電動勢，將在兩根地線通過桿身構(gòu)成閉合回路。而與大地又分別構(gòu)成兩個閉合回路，由于閉合回路的電流熱阻效應，不斷產(chǎn)生類似導線的損耗。

OPGW 地線加裝絕緣子，相當于避免雙地線構(gòu)成閉合回路，降低感應電動勢，相當于降低輸電線路的附加功率損耗。每個部分都有可靠的接地點，雷擊時，在避雷先鋒放電階段擊穿接地線的絕緣間隙，使接地線一一接地，不影響防雷效果。

交流線路于地線上存在感應電壓，一般情況下地線均為全線直接接地，感應電形成閉合回路產(chǎn)生電能損耗，擬于耐張段一側(cè)轉(zhuǎn)角塔直接接地，另一側(cè)耐張塔及所有直線塔采用帶放電間隙絕緣子進行電氣隔斷，斷開感應電回路，避免電磁損耗。

2 絕緣地線能量損耗計算的理論依據(jù)

地線上主要存在兩種感應電動勢，電磁感應電動勢分量和靜電感應電動勢分量。雖然三相導線的U、I 基本平衡，但由于架空線路中，雙地線與三相導線之間的空間位置存在不對稱，不可避免存在兩種感應電動勢。

2.1 電磁感應的計算

2.1.1 電磁感應電動勢計算

對單回路的線路：

在常規(guī)對稱布置，則（d1a=d2c，d1b=d2b，d1c=d2a）有：

式中，a=∠120°；d1a為地線1 和導線a 之間的凈空距離，其余類推。

2.1.2 電磁感應產(chǎn)生的感應電流計算

式中，Zt為兩端環(huán)流線圈的工頻阻抗；Z11為OPGW 地線與大地構(gòu)成回路的自阻抗；L 為架空線路總長；K 為導線換位系數(shù)，導線不換位時，K=1；OPWG 地線換位時，E1和E2應用它們的垂直分量EL=（E1+E2）/2。

2.1.3 電能損耗

由于雙OPGW 地線以逐塔接地形式，兩側(cè)電磁感應電動勢并不相等，桿塔與大地也會構(gòu)成閉合回路，這兩部分產(chǎn)生的損耗即要求解的總線損。具體如下：

線間的環(huán)流分量：

單回線的年電能損失：

式中，L 為架空線路總長；t 為按一年的總損失小時時長；Ri為OPGW 地線1 km 的電阻；d12為兩根OPWG 地線之間的凈空距離；I=|Ia|，A 相的相間電流。

地中分量：

單回線的年電能損失：

則總電能損失ΔA=ΔAM+ΔAL。

2.2 靜電感應的計算

靜電感應電壓是由于OPWG 地線接地，與大地形成閉合回路，具體求解如下：

其中，ω=314，為電位系數(shù)。若OPWG 地線換位，則靜電感應電流I=（I1+I2）/2。

3 節(jié)能OPWG 地線選型

3.1 工程線路概況

110 kV 架空線路線路，線路始于220 kV 后坑變，止于110 kV紫帽變，路徑總長度7.90 km，其中電纜0.16 km、架空7.74 km。有四回路架線四回4.08 km，三回路架線三回2.18 km，三回路架線兩回1.05 km，雙回路雙回掛線長度約0.13 km，單回路長度約0.30 km。系統(tǒng)額定電壓110 kV；線路輸送容量103.7 MW、65.89 MW、82.36 MW；功率因數(shù)0.95；最大負荷利用小時數(shù)為3000 h。導線型號：2*JLHA3-275 中強度鋁合金絞線，后坑至加工區(qū)、塘上為1*JLHA3-335 中強度鋁合金芯絞線。導線垂直排列。地線型號：后坑至紫帽線路全線兩條OPGW，分支線路地線為一條OPGW、JLB40-80。土壤電阻率：70～450 Ω·m；桿塔接地電阻：電纜終端桿不大于4 Ω，其余不大于10 Ω。相導線、地線技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 相導線、地線技術(shù)參數(shù)

3.2 地線接地方式選擇

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃的短路電流大小，采用雙光纜OPGW-68 做為地線進行組合。根據(jù)工程線路初步設(shè)計的桿塔及檔距的具體情況，后坑至紫帽線路左側(cè)OPGW 光纜共分3 盤、右側(cè)OPGW光纜共分2 盤。在熱穩(wěn)定性檢查中，當接地線要求具有流路作用情況下，分流接地線也應可靠接地，對于其他無分流要求的接地線段，可采用分段絕緣單點接地。由于工程線路沒有分流要求，所以可以對整段線路接地線進行接地運行方式分析。

（1）方案A：兩根OPGW 全線均逐塔接地。由于兩根接地線是全線桿塔接地的，所以在兩根接地線之間形成了一個環(huán)路。接地電纜上的感應電壓很低，但感應電流很大，避雷線的損耗也比較大。

（2）方案B：OPGW 絕緣端一端接地，另一端全線桿塔接地。左OPGW 線逐塔接地，右側(cè)OPGW 的每個耐張串一端絕緣，另一端接地。其中一根地線加裝絕緣子，以杜絕構(gòu)成回路，避免產(chǎn)生線損，進而大大降低了傳輸線的附加功率損耗，但在另一OPGW 上仍存在較大的功率損耗。此外，方案B 與方案A 一樣，不能降低構(gòu)成閉合回路產(chǎn)生的電磁感應和靜電感應，相應的感應電流還是較大，造成的線損依舊沒有降低。

（3）方案C：兩根OPGW 光纜分段絕緣，單點接地。具體方法為：2 個OPGW 各張緊段一端絕緣，另一端接地。通過這種方式，將兩根OPGW 光纜分段絕緣，可以消除線路間環(huán)流組件的損耗，降低接地組件的損耗，從而大大降低傳輸線的附加功率損耗。同時，該方法減少了OPGW 的接地次數(shù)，在一定程度上降低了OPGW 被雷擊的概率。

3.3 3 種接地線全壽命周期成本（LCC）比較

接地線損耗分為兩部分，即接地線中感應電流造成的電能損耗和塔內(nèi)加熱過程中漏電流產(chǎn)生的線損，由歐姆定律公式W=I2Rt 進行計算。

現(xiàn)行電價標準為每度0.555 元，為方便計算取0.5 元/度，全壽命周期取30 年，相電流為250 A，最大電阻損耗小時數(shù)為3000 h，計算出組合地線3 種接地方式下電能損耗費用，見表2。

表2 組合地線3 種接地方式下的電能損耗比較

方案B 和方案C 對地線絕緣需增加相應的地線絕緣子費用。根據(jù)線路桿塔明細情況，工程OPGW 光纜約有17 基耐張塔及13 基直線塔需增加地線復合絕緣子，地線復合絕緣子價格取每套89 元，接地方案B 投資需增加絕緣子投資費用約0.79 萬元，接地方案C 需增加絕緣子投資費用約1.58 萬元。組合地線3 種接地方式LCC 年費用比較見表3。

表3 組合地線3 種接地方式LCC 年費用 萬元

由組合地線3 種接地方式LCC 計算結(jié)果表可知，采用兩根光纜均分段絕緣單點接地方式LCC 最低，僅為方案A 的21.17%，相對于方案A，采用方案C 在壽命周期內(nèi)共可節(jié)省費用18.43 萬元。工程僅按相電流為250 A 為基準進行損耗計算，在220 kV 及以上線路，因線路更長，節(jié)省的損耗也越可觀。因此本工程推薦采用方案C。

3.4 節(jié)能分析

工程使用兩根光纜均分段絕緣單點接地方式，比OPGW 逐塔接地方式節(jié)能主要體現(xiàn)在每年減少電能損耗3630 kW·h/km，全線減少電能損耗26 680.5 kW·h，30 年壽命周期全線路減少電能損耗800 415 kW·h，按每千瓦時電排放二氧化碳0.785 kg計算，可減少碳排放628 t。

4 絕緣間隙的選擇

從防雷角度看，是否避過避雷線直擊導線取決于電場圖形，若絕緣地線很長（如數(shù)十千米的地線全線絕緣），則在逐步發(fā)展的過程中不可能在絕緣地線上感應出明顯的對地電位，從而影響地線的防雷性能。若絕緣地線很短，則可通過限制地線絕緣水平的辦法，以達到效果。據(jù)計算，工程5 km 耐張段分流地線最高感應電壓為3.75 kV，因此絕緣間隙值參照以往的工程并考慮1 mm 的裕度，推薦采用14 mm。

5 結(jié)論

經(jīng)過比較，推薦地線運行方式采取方案C，具體實施方案為：

（1）兩根OPGW 光纜均分段絕緣、單點接地，每段OPGW 在一端接續(xù)塔全絕緣、另一端接續(xù)塔全接地。

（2）每盤OPGW 除了在其中1 個光纜接續(xù)塔上接地外，在其他鐵塔上均通過地線絕緣子與鐵塔保持絕緣。

（3）為提高地線絕緣子使用周期，地線絕緣子應采取并聯(lián)連接。經(jīng)計算，保護間隙值取14 mm 即可滿足要求。