导线相序及换位方式对地线损耗的影响

蒋陶宁，徐亮，卞鹏，贾佳，康东升，孙成秋，李军

(国核电力规划设计研究院，北京市，100032)

0 引言

目前高压交流输电普遍采用光纤复合架空地线(opticalfiber composite overhead ground wire，OPGW)和普通地线配合使用的地线系统，为了满足防雷和通讯的需要，该地线系统通常采用逐塔接地和全线贯通连接方式。线路工况下，相电流通过磁耦合在地线中产生感应电动势，由于地线和大地构成回路，在地线感应电动势的驱动下，地线和铁塔中会产生感应电流，导致电能损耗。

随着我国电力网络电压等级的提高，尤其是特高压的出现，此电能损耗逐渐变得不可忽视。通过改善地线的接线方式来降低此损耗，逐渐成为研究者关注的课题。到目前为止，研究者提出的改善措施主要包括以下几种:地线分段绝缘［1-8］，单点接地［1，3，5，8］，地线换位［1，8］，地线开环［1，9］，这些技术为降低地线损耗提供了重要参考。

目前工程中较多采用普通地线分段绝缘、OPGW逐塔接地的技术来降低地线损耗，但这种方式将使OPGW 更容易遭雷击而断股损坏［5］。而OPGW 由于耐热性能［10-11］和光纤连续特性的限制，如果也采用分段绝缘技术，则需要特殊的接续盒和绝缘保护间隙［4-6］，同时会提升沿线的感应电位［12］，增加工程造价和维修难度。考虑OPGW特性和其他综合因素的新地线接线方式研究的新进展可参见文献［13］，文中，研究者提出了OPGW和普通地线均单点接地、普通地线分段绝缘和地线换位等多种技术巧妙结合的新方式，可将地线损耗降低至传统地线接线方式的2.5%。然而该研究成果是在导线逆相序排列的条件下得出的，没有研究其他相序的损耗特性，也没有考虑实际长距离导线不同换位方式的影响。

本文是对文献［13］工作的补充和完善。本文的进展在于:(1)研究了不同相序下地线感应电动势的特性;(2)研究了不同导线换位方式下地线损耗的特性;(3)指出了文献［13］中新技术的有效使用范围和降低地线损耗最有利的导线排布和地线接线方式。

1 地线电能损耗计算方法简介

1.1 地线中的感应电动势

图1为同塔双回线路导、地线排布示意。相序为逆相序，相电流产生工频变化的电磁场，通过耦合作用在地线上产生感应电动势，并和大地形成回路产生感应电流和损耗。相线和地线的磁耦合关系反映到电路中可用互阻抗表示。忽略工频情况下导线间的互电容，2条地线中产生的感应电动势为

式中:E7和E8为图1中编号为7和8的地线上产生的感应电动势;In为图1中1～6号导体中流过的相电流;Z(n，7)和Z(n，8)为n号导线和地线之间的互阻抗。

图1 交流双回输电线路相线和地线的排布Fig.1 Disposition of phase line and ground wire in HVAC double circuit transmission lines

1.2 地线中的感应电流及损耗

得到地线中的感应电动势E7和E8，然后按照电路的分析方法来求解地线上的感应电流和损耗。图2为地线稳态运行的逐档模型。考虑比较复杂情况，每档地线可与大地绝缘，也可水平电气绝缘，分别设置开关，并且考虑2条地线之间的互感影响。

图2 地线稳态运行模型Fig.2 Steady-state model of ground wires

用不同阻值的电阻来模拟图中开关的状态，即可将图示模型转换成电路计算模型。按照回路电流法，列写图示每档线路所满足的回路电流方程，形成矩阵方程组并求解，可得2条地线中的感应电流，进一步可以得到铁塔入地电流、地线损耗和地线沿线电压等指标。详细求解步骤不再讨论，可以参阅文献［13］。

2 数值算例及分析

现以特高压交流输电线路为例，研究不同相序及不同导线换位方式下地线中感应电动势及损耗的特性。

2.1 计算条件

图3为本算例中导、地线排布情况，导线最低弧垂26 m。系统运行条件:额定电压1000 kV，单回输送功率 6500 MW，功率因数 0.95，土壤电阻率500 Ω·m，铁塔等效接地电阻10 Ω。线路长300 km，共计600档，每档为500 m。相导线型号:8×LGJ－630/45，导线分裂间距400 mm;地线型号:JLB20A－240;光缆型号:OPGW －240。

图3 线路的几何结构Fig.3 Geometry of power lines

2.2 不同相序下地线中的感应电动势

如图4所示是同塔双回交流输电线路常见的几种相序排列方式，分别命名为正序、异序(分4种)和逆序。

图4 导线相序排列方式Fig.4 Phase sequences of power lines

按照公式(1)，计算不同相序下单位长度OPGW和普通地线中产生的感应电动势，如表1所示。

表1 不同相序排列下的地线感应电动势Tab.1 Induced electromotive forces of ground wire under various phase sequences

从表1可知:同种相序下OPGW和普通地线中感应电动势幅值相差不大。但是不同相序下2个感应电动势的幅值和相位差有较大差异:正序下的地线感应电动势幅值最大，且无相位差;逆序下感应电动势幅值最小，但相位差最大;4种异相序介于正序和逆序之间。

由此可以推断，对于同样的地线接线系统，导线正序排列的地线损耗最大，异序次之，逆序最小。

2.3 不同导线换位方式下的地线损耗

工程设计中根据电气不平衡度的要求，对于超过一定长度的线路通常需要进行合理换位［14-15］。换位后达到首端和末端相序一致，每种相序排列各占1/3线路长度，称为1个全换位。图5为2种导线换位方式，分别为同向全换位和反向全换位。同向全换位的3种相序分别命名为“逆(a)、异(a)、异(b)”，反向全换位的3种相序分别命名为“逆(a)、逆(b)、逆(c)”。

定义3种地线接线方式，如图6所示。

图5 同塔双回输电线路导线换位Fig.5 Conductor transpositions in double-circuit power lines on the same tower

图6 地线运行方式Fig.6 Operation mode of ground wires

方式1:OPGW和普通地线均逐塔接地全线贯通连接。

方式2:OPGW逐塔接地;普通地线单点接地(5 km接地1次)分段绝缘(2个接地点中间绝缘)。

方式3:OPGW也采用单点接地的方式，2条地线每隔5 km换位1次。该方式为文献［13］推荐方式。

按照本文提到的计算方法，得到不同导线换位方式及地线接线方式下地线损耗情况，如表2所示。

表2 地线损耗比较Tab.2 Comparison of power loss of ground wire kW/km

从表2可以看出:

(1)导线反向换位降耗效果较好，地线损耗约为同向换位的58.9%(方式1)。

(2)地线接线方式，相对于方式1，方式2降耗效果显著(约为方式1的63.2%和31.1%);方式3在导线反向换位情况下降耗效果显著(约为方式2的9.3%)，但是在同向换位情况降耗不明显(约为方式2 的87.4%)。

2.4 原因分析

由图5中可知，导线正向换位方式下，该线路的1/3是逆相序运行，其他是异相序运行;导线反向换位方式下，线路全线均为逆相序排列。按照2.2节的分析方法，同样得到图5不同相序下地线中的感应电动势，如表3所示。

表3 图5中不同相序排列下的地线感应电动势Tab.3 Induced electromotive forces of ground wire under various phase sequences in figure 5

从表3可知，逆相序下2条地线中感应电动势的幅值为162 V/km左右，而异相序下感应电动势幅值较大，异(a)为367 V/km，异(b)为337 V/km。这是导线同向换位地线损耗较大的本质原因。

图7～8是方式1下不同导线换位方式的地线感应电流和铁塔入地电流的分布规律。可见逆序下的地线感应电流(235 A)明显小于异序(340 A)，且导线反向换位下铁塔的入地电流较同向换位小。众所周知损耗和电流的平方成正比，这是导线反向换位损耗较小的直接原因。

图7 不同导线换位方式下地线感应电流分布Fig.7 Induced current distribution of ground wires under different conductor transposition modes

图8 不同导线换位方式下铁塔入地电流分布Fig.8 Current distribution of iron tower under different conductor transposition modes

关于不同地线接线方式下的损耗分析，文献［13］中已经详细分析和讨论，本文不再赘述。本文只分析地线换位(方式3)对不同相序的损耗影响。图9所示为本算例中1段5 km长的地线换位后感应电动势分布示意，由文献［13］可知地线换位降耗主要是利用了换位后地线感应电动势可以互相抵消，前提是存在较大的相位差。从表1和表3都可以看出，该方式在逆序下很有效(E7+E8=98 V/km，远小于E7和E8)，而在异序下效果不明显，正序下则完全没有效果。这就解释了表2中方式3对导线反向换位降耗效果显著，而对同向换位效果不明显的现象。

图9 方式3地线感应电动势分布示意Fig.9 Induced electromotive forces distribution of ground wires under disposition 3

3 结论

本文基于电路模型的地线损耗计算方法，以特高压同塔双回交流输电线路为例，分析和研究了不同导线相序及换位方式下，地线中感应电动势和损耗的分布特征。

(1)交流输电线路中2条地线中产生的感应电动势幅值基本一致，但其大小及2个感应电动势的相位差和导线的相序有关:正序下幅值最大，相位差为0;逆序下幅值最小，相位差最大;异序介于中间。

(2)相比导线同向换位，反向换位因为换位后各段仍然是逆相序，更有利于降低地线损耗。

(3)不管对导线同向换位还是反向换位，地线分段绝缘单点接地技术对降低地线损耗效果显著。

(4)从降低损耗的角度，地线换位在逆序下效果显著，但对同序和异序效果不明显。

综上所述，从降低地线损耗的角度出发，建议工程设计中导线采用逆相序反向换位，地线采用单点接地的接线方式。该方式的地线损耗约为地线逐塔接地的 2.9%。

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