已建线路架空地线短路热稳容量校核计算

窦 飞，乔黎伟

(江苏省电力公司电网规划研究中心，江苏南京210024)

江苏电网接线复杂，且与华东电网主网紧密相联，随着系统容量的不断增大，当前江苏220 kV电网单相接地短路电流水平不断提升，220 kV枢纽站一般为35～50 kA，与其相邻的一、二级220 kV站为20～40 kA，其余普通220 kV站为15～30 kA。江苏电网早期建设的220 kV输电线路，架空地线多采用GJ-50、GJ-70等短路容量较小的地线，虽然满足了当时电网规划建设的要求，但随着系统容量的增大和线路π接、改接，部分已建线路的地线已不能满足短路热稳要求，此问题在近期江苏220 kV输变电工程的建设中较为突出。如架空地线的短路热稳容量不足，当电网发生单相接地故障时，将引起地线损伤断股，断股修复需要停电，如果股线松绞伸向带电的相线，将造成单相或多相接地短路。因此已建线路架空地线热稳容量的校核，应在电网规划设计阶段中予以足够重视，以免给电网安全运行带来隐患。文中提出了单相接地短路电流分布以及地线短路热稳容量的工程计算简化方法；并计算出已建线路常用地线的短路热稳容量，作为地线是否需要开展短路热稳增容改造的评判依据；并提出了地线短路热稳的增容改造方案。

江苏电网接线复杂，且与华东电网主网紧密相联，随着系统容量的不断增大，当前江苏220 kV电网单相接地短路电流水平不断提升，220 kV枢纽站一般为35～50 kA，与其相邻的一、二级220 kV站为20～40 kA，其余普通220 kV站为15～30 kA。江苏电网早期建设的220 kV输电线路，架空地线多采用GJ-50、GJ-70等短路容量较小的地线，虽然满足了当时电网规划建设的要求，但随着系统容量的增大和线路π接、改接，部分已建线路的地线已不能满足短路热稳要求，此问题在近期江苏220 kV输变电工程的建设中较为突出。如架空地线的短路热稳容量不足，当电网发生单相接地故障时，将引起地线损伤断股，断股修复需要停电，如果股线松绞伸向带电的相线，将造成单相或多相接地短路。因此已建线路架空地线热稳容量的校核，应在电网规划设计阶段中予以足够重视，以免给电网安全运行带来隐患。文中提出了单相接地短路电流分布以及地线短路热稳容量的工程计算简化方法；并计算出已建线路常用地线的短路热稳容量，作为地线是否需要开展短路热稳增容改造的评判依据；并提出了地线短路热稳的增容改造方案。

1短路电流在架空地线中的分布计算

1.1计算模型

当输电线路发生单相接地故障时，短路电流从故障点沿架空地线向两侧扩散；从故障点往线路的方向看，杆塔接地电阻和地线的阻抗形成了链形网络[1]。在工程计算中，一般采用图1所示的等值电路，其中Rti为杆塔接地电阻，Zgi为地线的阻抗。

图1链形网络等效电路

假设图1链形网络无限长、杆塔之间的档距和接地电阻全部相等，即Rti=Rt，Zgi=Zg，则图 1等效阻抗Z可用（1）式表达。

输电线路的两端，特别是进变电站的终端塔发生单相接地故障时，进线档地线承受的短路电流分量最大，因此将故障点选取在终端塔上进行分析。假设连接L站和R站的输电线路在L站的终端塔k处发生单相接地故障，故障电流的分布如图2所示，等值电路如图3所示。

图3短路电流计算的等值电路

其中：IL，IR为自 L，R 站的单相接地短路电流；IL1，IL2为自地线1，2返回故障点左侧的电流；IR1，IR2为自地线1，2返回故障点右侧的电流；IL'为经L站变压器中性点返回故障点的短路电流；Ik，Ig为经杆塔接地体和L站接地网的入地电流；Rtk为终端塔k接地电阻；ZL为终端塔和变电站间的进线档架空地线阻抗；ZR为短路点右侧链形网络等效阻抗，按式（1）计算；Rg为L站的接地电阻；Re为L站的等效接地电阻，Re=β×Rg（0＜ β＜1），工程计算中取 β=0。

短路电流自k点注入后，大部分经L站变压器中性点返回故障点，只有少部分返回R站或经L站接地网和终端杆塔 k 的接地体入地。 （IL1＋IL2）与（IL＋IR）的比值，即注入的短路电流由进线档地线承担的比例，主要由线路长度决定，文献[2]曾以典型参数对不同长度的输电线路进行计算，线路路径长度25 km时约为70%，线路路径长度189 km为87%。对于220 kV的工程计算，可以偏保守采取90%进行校核。

1.2 2根地线中的短路电流分布

两根地线中短路电流分配的等值电路如图4所示，其各自分配到的短路电流按式（2）计算[3]。

图4短路电流在2根地线中的分布等效电路

式中：I为2根地线承受的总短路电流，A；I1，I2为地线 1，2 承受的短路电流，A；Z11，Z22为地线 1，2 的自阻抗，Ω/km；Z12为地线1和2之间的互阻抗，Ω/km，工程计算中，一般不考虑导线和地线间的互感，仅考虑2根地线间的互感。

地线的自阻抗和互阻抗分别按式（3）和式（4）进行计算[4]。

式中：Zii为地线的自阻抗，Ω/km；Zij为地线的互阻抗，Ω/km；R为地线的直流电阻，Ω/km；De为地中电流等效深度，m；re为地线的有效半径，m；Dij为地线i，j之间距离，m。

2架空地线短路热稳容量计算

2.1截面校验公式

（1）钢绞线和钢芯铝绞线的简化计算。由DL/T 621－1997、DL/T 5222－2005提出的接地线截面校验公式，推导出地线热稳容量表达式（5）[5，6]，钢绞线和钢芯铝绞线可采用该式计算。

式中：Q为地线的短路热稳容量，kA2·s；S为载流部的截面，mm2；C为热稳定系数，可自上述两标准直接查取：工作温度40℃、短路允许温度400℃[7]时，钢的热稳定系数C=70；工作温度40℃、短路允许温度200℃[7]时，铝的热稳定系数C=99。

钢绞线采用单一金属材质绞合而成，故其全部钢截面均可视作载流部。当地线由不同金属线绞合而成，由于金属绞线之间接触不紧密，短路电流的持续时间很短，因此电流在外层金属线中产生的热量，来不及扩散到内层不同金属材质的单线中，因此一般只考虑将外层同材质的金属作为载流部。钢芯铝绞线短路容量计算时，不考虑钢芯的热容量，仅以铝作为载流部。据此计算出常用型号地线短路热稳容量，如表1所示。

表1钢绞线和钢芯铝绞线短路热稳容量

（2）铝包钢绞线和铝包钢芯铝绞线。铝包钢单线是在钢的表面均匀包覆一定厚度的铝，通过连续强制拉拔形成的高效双金属材料，具有电流集肤效应较小、铝钢接触紧密的特点。铝包钢绞线全部由铝包钢单线绞合而成，热稳容量计算时，可将其视作单一材质地线，即短路过程中铝、钢等温，并计入钢的热容量。 铝包钢芯铝绞线，外层铝单线的结构同于钢芯铝绞线；其内层为铝包钢单线，热稳计算时，不考虑钢的热稳容量，但需计入表面铝的热容量。

前述两型地线短路热稳容量采用式（6）计算[7]。

式中：Q为地线的短路热稳容量，kA2·s；C为绞线的热容量，J/（℃·km）；α0为绞线 20 ℃时的电阻温度系数，℃-1；R0为绞线 20 ℃时的电阻，Ω/km；t1为地线初始温度，℃，一般取40℃；t2为地线短路热稳定允许温度，℃，铝包钢绞线的短路最高允许温度取300℃，铝包钢芯铝绞线取200℃。

整根绞线的综合热容量C按式（7）计算。

式中：Mi为材料 i的单位质量，g/cm3，铝取 2.7，钢取7.8；Ci为材料 i的热容量，J/（g·℃），铝取 0.888，钢取0.46；Si为材料i的截面，mm2。据此计算出常用型号地线短路热稳容量如表2所示。

2.2短路电流的持续时间

架空地线的短路容量确定后，其最大允许短路电流按式（8）计算。

表2铝包钢绞线和铝包钢芯铝绞线短路热稳容量参考值

式中：Q为地线的短路热稳容量，kA2·s；t为短路电流持续时间，s；Imax为与短路电流持续时间相对应的最大允许短路电流，kA。t主要由继电保护及断路器动作时间决定[8，9]。

当前220 kV线路工程计算主要有0.12 s，0.15 s，0.20 s，0.25 s等 4 种取值。 0.12 s：主保护动作及断路器单相开断时间一般在0.12 s以内，该值用于极端情况下的验算；0.15 s：在前述0.12 s基础上考虑一定裕度，用作普通地线验算；0.20 s：已建线路的普通地线更换为复合光缆地线（OPGW）时，再考虑一定裕度所采取的验算时间；0.25 s：考虑主保护动作-短路切除-重合闸-重合闸不成功（故障未消除）-主保护再次动作等步骤，由保护动作时间、通道时间、断路器动作时间、重合闸及保护再次动作时间、短路电流非周期分量等组成的持续等效时间，其值约为0.25 s，近期新建工程一般取用，该值验算。

普通地线和OPGW的短路电流持续时间应区别对待，OPGW除用作普通地线外，还用于系统通信，故须保证内部纤芯的温升在容许范围内，以防光纤过快老化或过热损坏；而普通地线，仅需避免机械强度的明显下降及不可回复的塑性变形，这种情况往往是在长期的效应积累后才可能发生，所以瞬间的高温不会对分流地线造成大的影响。

根据以上分析，建议已建线路架空地线热稳容量校核时短路电流的持续时间，普通地线取0.15 s、OPGW取0.20 s。

3地线热稳增容改造方案

3.1某实际220 kV工程举例

江苏电网2011年220 kV H输变电工程，需将已建的220 kV J变电站至D变电站的单回线路（以下简称J-D线）π入新建的H变电站。J-D线建设年代较早，两根地线均为GJ-50型钢绞线；H变电站投运后的电网网架结构和系统容量，较J-D线当初设计时所考虑的边界条件发生了较大变化，H站、D站短路电流接近30kA，J站短路电流接近50 kA，GJ-50地线已明显不能满足短路热稳要求，必须采取一定的增容措施。

3.2可采取的措施

3.2.1更换地线

地线短路热稳增容，最有效的方法是将其更换为较高热稳容量的良导体地线，如将钢绞线更换为铝包钢绞线或结合通信网的规划，更换为OPGW。地线更换时，需注意铁塔及基础强度校验、档距中央导地线电气距离校验（特别是大档距）。铁塔和基础的强度校验，仍沿用已建线路的原设计标准，如不满足强度要求，原则上不更换铁塔主材，仅更换地线支架和部分塔身斜材。根据工程经验，对于水泥杆，由于服役期较长、杆体状况差等原因，往往不具备单独更换地线支架和塔身斜材的条件，只能整体改造为角钢塔。需要指出的是，前述更换地线支架和塔身斜材的方案，由于铁塔受力后的形变以及铁塔施工图与放样图的差异，其工程实施相对较为困难，不宜大范围应用。

3.2.2降低杆塔接地电阻

降低杆塔的接地电阻可以增加短路电流的入地分量，从而减少流经架空地线的短路电流。江苏省220 kV杆塔的接地电阻一般按不高于5～10 Ω设计；根据工程经验，采取一定措施后可以将接地电阻控制在3 Ω，但需采用特殊接地装置，且对场地布置要求高，很难实现。因此如已建线路架空地线的短路容量偏紧，可对变电站进出口段的数基杆塔进行接地装置改造，将杆塔的接地电阻控制在3 Ω以内。

此外，由于变电站的接地电阻一般要求在0.5 Ω以内，因此对于承受最大短路电流的终端塔，可将其接地体与变电站的接地网相连，以降低杆塔接地电阻，增加短路电流的入地分流。

3.2.3保证地线与塔身的可靠连接

地线引流线可保证地线与杆塔的可靠连接，普通地线设计时，一般仅通过金具与塔身相连，其可靠性不高；如已建线路架空地线的短路容量偏紧，可考虑在塔身上增加接地孔，加装地线接地引流线。

3.2.4采用地下分流线

在线路比较平坦的地区，如具备场地条件，可通过敷设接地带，将变电站出口段1～2 km范围内的杆塔接地装置联结起来，其作用原理相当于架设了第三根地线，当杆塔发生导线单相接地故障时，可对地线起分流作用，同时又可作为杆塔的接地装置。

3.2.5多回路地线并联

将变电站出口不同出线回路的数个终端塔接地体连接起来，则短路电流可沿多个出线回路的地线流进变电站，这样回路电流可大幅减小。但如连接的终端塔过多，则须注意过流零序保护问题[10]。

4结束语

短路电流在架空地线和杆塔接地体间的分布，如精确计算，需求解由线路各档构成的大规模网络，计算烦琐。本文提出的工程计算方法，简化了计算过程，满足工程计算精度要求。计算出的已建线路常用架空地线的热稳容量值，可以作为地线是否需要开展短路热稳增容改造的评判依据。已建线路架空地线不满足热稳容量要求时，可采用更换地线、降低杆塔接地电阻、保证地线与塔身的可靠连接、建设地下分流线、多回路地线并联等措施。

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[9]水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册(第一册)[M].北京：中国电力出版社，1989.

[10]臧剑欣.光纤复合架空地线（OPGW）热稳定计算分析[J].电力系统通信，2004，25（5）：12-14，42.