750kV双回输电线路架空地线接地方式分析研究

陕西省电力公司铜川供电公司、西安科技大学的研究人员李燕军、孟令增等，在2015年第5期《电气技术》杂志上撰文，我国高压输电线路的地线由普通绝缘地线和OPGW两根地线共同作用而成。本文以某750kV输电线路为例，利用ATP计算了四种接地方式下地线的感应电流和感应电压。研究表明线路正常运行以及发生单相接地短路故障时，逐塔接地的地线上感应电流最大，单点接地、分段绝缘地线的感应电压较大，且随分段长度增加而增加。计算结果为OPGW接地方式的选择及改进提供依据。1．架空地线的接地方式目前我国高压和特高压输电线路的架空地线大多由普通架空地线和OPGW（opticalfiber composite overhead ground wire ，以下简称 OPGW）光缆共同组成。OPGW不仅具有输电导线架空地线的防雷作用，还兼具了光纤系统的通信功能[1-3]。OPGW的结构图如图1所示。同普通地线的接地方式一样，OPGW也存在着逐塔接地、分段绝缘单点接地和全线绝缘三种方式[4,5]。图1 OPGW的结构图

经过长期的探索和借鉴国外的先进经验，目前国内主要存在以下四种可能的架空地线运行方式[6,7]。（1）普通架空地线分段绝缘、单点接地而OPGW逐塔接地。（2）普通架空地线和OPGW均分段绝缘、单点接地。这种接地方式可以通过引入串有放电间隙的耐张金具等特殊元件来实现，在正常的运行情况下，放电间隙应能承受一定的感应电压而不被击穿。（3）普通架空地线和OPGW均逐塔接地。（4）普通架空地线分段绝缘，而OPGW全线绝缘。这种接地方式工程上较难实现。本文以某750kV输电线路为例，比较架空地线采用上述四种接地方式时地线的感应电压、电流，以及架空地线不同的分段长度对感应值的影响规律。2．计算模型及参数设置为了比较几种不同的接地方式，本文选取某典型的750kV线路，分析各种接地方式下，正常情况的感应电流，感应电压以及单相短路情况下地线的感应电流。750kV杆塔为SZ102型杆塔，绝缘子为合成绝缘子，串长8.368m。导线弧垂12.24m。杆塔尺寸参数如图2所示。图2 杆塔尺寸图

导线采用6×LGJ-500/45钢芯铝绞线，直流电阻0.05912Ω/km，外径30mm。分裂导线根数为6根，分裂间距40cm。避雷线的型号为GJ70，直流电阻为2.315Ω/km，计算半径为10.5mm。避雷线的弧垂取为架空线弧垂的0.75倍，即9.18m。土壤电阻率取为100Ω·m。输电线路换位方式如图3所示，线路首端母线三相电压为0.9872p.u.，末端母线三相电压为0.9840p.u.。线路全长210km，首端45.56km为同塔双回线路，其余164.64km为不同杆线路。本文中改变同塔双回路线路的地线接地方式进行分析计算。图3 输电线路换位方式

采用ATP仿真软件中的Lineconstant子程序（LCC）计算线路的电阻、电感和电容矩阵。用时控开关和阻值很小的电阻串联来模拟地线的接地情况，开关闭合表示地线在此处接地，开关打开表示地线在此处对地绝缘。3．正常运行时感应电流、感应电压的分析正常运行状态下，高压及特高压输电线路的架空地线上会感应出电动势和环路电流，其值的大小由于架空地线接线方式的不同而存在着很大的差异。在地线上产生感应电压的原因有两个：一方面是由于导线之间、导线和地线之间以及地线和地线之间存在分布电容，电容的耦合作用会感应出电压；另一方面，由于导线布置的空间位置不可能完全对称，所以导线周围的电磁场也不平衡，因此存在电磁感应，进而在地线中产生了感应电压。如果地线是逐塔接地的，感应电流经地线、杆塔和大地形成回路，如图5所示，就会由于存在较大的环路电流而造成大量的电能损耗。图5地线逐塔接地时产生的环路电流

为了表述方便，将上文提到的四种地线接地方式分别称为方式1、方式2、方式3和方式4。表1和表2是四种方式下，地线上的感应电压和感应电流的计算结果。表1 四种方式下地线的感应电压（V）分段长度/kmOPGW上的电压普通地线上的电压方式1方式2方式3方式4方式1方式2方式3方式40.51.517510491.4906116750187510621.5650184050.151610570.1491116761187610690.15591850200.036510900.0365116834189211010.03581918400.016115850.0172117074198515500.01282193表2 四种方式下地线的感应电流（A）分段长度/kmOPGW上的电流普通地线上的电压方式1方式2方式3方式4方式1方式2方式3方式40.51517.490.11801.49060.1110.11370.11801.56500.1135151.761.1810.14911.1051.13661.1810.15591.1332037.172.6860.03654.4244.55102.6880.03584.5394017.539.4840.01728.8779.13159.4830.01289.109由方式1的计算结果可见，普通地线上会出现很大的感应电压，当分段长度为40km时感应电压达到1.585kV，由于OPGW逐塔接地，所以其上电位几乎为零。这是因为两地线的接地方式不同，导致导线周围的电磁场的不平衡度增加，在未均匀换位的情况下，磁场将在地线上感应出较大的电动势。OPGW与杆塔、大地形成了闭合的电流通路，出现较大的环路电流。普通地线上电流很小，主要是相间电容耦合产生的。由方式2的计算结果可见，在两条地线均采用单点接地的运行方式下，将产生很高的感应电压，达到数千伏，随着线路分段长度的增加，感应电压增大。由于两条地线一端接地，一端通过带放电间隙的绝缘子与大地绝缘，不会构成电流流通的闭合回路，故只有很小的有容性电流。单点接地的接地方式下运行，地线的电能损耗几乎为零。由方式3的计算结果可见，当采用两条地线均逐塔接地的接地方式时，由于两条地线均接地，且接地的杆塔、大地的阻值均较小，所以两条地线的电动势均接近于零电位。在这种接地方式下，由于存在很大的感应电流，所以电能损耗很大。由方式4的计算结果可见，当采用普通地线单点接地，OPGW全线绝缘接地方式时，OPGW中将感应出非常高的感应电压，达到数百千伏。这是由于采用全线绝缘方式的感应电压与导线周围电磁场的平衡度密切相关，一旦电磁场的平衡度被打破感应电压就会达到极高的水平。由于该接线方式下不存在闭合的回路，地线的电能损耗接近于零。4．单相接地故障时地线的感应电压、感应电流分析输电线路发生单相短路等故障时会产生很大的短路电流，导线周围的电磁场严重不平衡，地线上将感应出电压，以下计算四种接地方式下，输电线路发生单相接地故障时，地线上出现的感应电流、感应电压，计算结果见表3、表4。短路故障条件为：A相短路接地，故障点距线路首端2km处，计算所得的短路电流为14.546kA（幅值）。表3 单相故障时地线的感应电压（V）分段长度/kmOPGW上的电压普通地线上的电压方式1方式2方式3方式4方式1方式2方式3方式40.5296116881235.6368701946789647095.279647453011695423.626874394747965159.55965032071171355.916892594875965322.39965284041177022.966949495273965751.1996557表4 单相故障时地线的感应电流（A）分段长度/kmOPGW上的电流普通地线上的电流方式1方式2方式3方式4方式1方式2方式3方式40.596790.309086-0.150.0777710.1559703.03916-1.500.677941.532024312.12292-6.012.681966.124012124.32153-12.075.419812.28由计算结果可知，当输电线路发生单相接地故障时，导线中的短路电流会在单点接地、分段绝缘和全绝缘的地线上产生高达近百千伏的感应电压，可能使地线绝缘端放电间隙击穿。短路电流会使逐塔接地的地线中产生接近10kA的环路电流，由于地线通过悬垂、耐张等金具与大地相连，环路电流可通过杆塔泄入大地，保护OPGW和普通地线免受损害。5．结论本文选取750kV典型线路参数，利用ATP计算了地线采取四种接地方式时，地线上的感应电压和感应电流，经过大量计算初步得到以下结论：（1）线路正常运行时，由于静电耦合和电磁耦合，会在地线上出现感应电压和感应电流，逐塔接地的地线上感应电压最大，且电压随分段长度增加而增加，单点接地、分段绝缘地线上感应电压次之，全线绝缘的地线上感应电压最小。逐塔接地的地线上会出现很大的感应电流，电能损耗较为严重。（2）当发生单相接地短路故障时，对于逐塔接地方式，将在地线上感应出很大的感应电流，由于该接线方式下存在多条闭合的回路，感应电流可直接泄入大地；对于单点接地、分段绝缘方式，地线上将感应出高达上百千伏的感应电压，可能使绝缘端的间隙击穿。★★★广而告之①★★★各位读者：2015第四届分布式发电与微电网技术大会的主讲报告PPT文字精要版已在微信订阅号（dggrid）上陆续发表，请感兴趣的读者扫描下方的二维码前往阅读。主讲人及主讲题目中国电力科学研究院配电研究所所长盛万兴：主动配电网关键技术及其发展展望清华大学电机系教授赵争鸣：现代电网中的电力电子装置与系统内蒙古电力集团原副总工程师岳建华：利用可再生能源电解水制氢实现大规模储能与氢能综合利用天津大学电气与自动化工程学院教授贾宏杰：智能电网及能源互联网关键技术内蒙古电力集团调通中心副主任侯佑华：大规模新能源电站并网技术中国电力科学研究院配电研究所博士吴鸣：中国智能微电网的近期发展情况与展望清华大学电机系博士薛小代：非补燃压缩空气储能技术研究北京北变微电网技术有限公司技术总监刘世民：能源互联网环境下的微电网深圳市禾望电气股份有限公司太阳能开发部总经理曾建友：集散式逆变器及其系统设计应用阳光电源股份有限公司储能事业部总监余勇：阳光电源微电网系统解决方案常熟开关制造有限公司副总工程师俞晓峰：分布式电源中的设备应用研究北京人民电器厂有限公司营销技术部部长张书瑞：满足25年寿命使用期的光伏汇流箱的发展现状、问题与解决方案福禄克测试仪器（上海）有限公司产品应用总工程师钱峰：福禄克微电网领域测试解决方案上海良信电器股份有限公司总工程师卜浩民：光伏系统中的低压侧解决方案上海金友金弘电线电缆股份有限公司副总经理管同平：一体化光伏智能变电站的特点及应用★★★广而告之②★★★各位读者：为更好地服务新能源从业者之间的交流和学习，及时传递业内新闻、技术动态及工程项目等信息，《电气技术》杂志社特开设了QQ群“分布式发电与微电网”（QQ群号为245059743）。本群需要实名认证，申请加群时请报单位及姓名，进群后请将本人昵称改为“单位简称+名字”请搜索群号或扫描下方二维码进入！