OPGW线路接地故障短路电流分布研究

2014-06-26 15:54谭红世
新媒体研究 2014年10期

摘 要 在架空输电线路中,架空地线的应用非常普遍。架空输电线路发生接地故障时,短路电流的在架空地线上的分流对电力系统的安全具有重要的影响。在架空地线的设计和选型中,也需要考虑到发生接地故障时短路电流在架空地线上的具体的电流分量值。文中讨论了接地短路发生时,采用网孔法对短路电流在架空地线上的分布进行了量化计算,最后经过实际工程的算例来进行验证。

关键词 架空地线;网孔法;接地短路故障;短路电流分布

中图分类号:TM751 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2014)10-0058-03

由于架空地线具有保护输电线路的功能,在架空输电线路上的应用很越来越普遍。架空地线的选型和校验显得非常重要。热校验便是其中一个重要指标,定量地计算出发生接地短路故障时,架空地线上电流分量的值便是其中的关键。由于架空输电线路的可以分解成为由每两个杆塔之间档距形成的大规模的电力网络,要求解发生接地故障时的短路电流,等价于求解由这些档距构成的网络[1,2,3]。其中涉及到杆塔的型号、杆塔的级数、杆塔接地电阻和线路两侧系统的参数等,通过这些参数求解等效电路[4,5]。注意到故障发生在杆塔处和故障发生在两杆塔之间时,电力网络明显的变化,使用合适的方法处理这些参数也是定量分析重要影响因素。

本文采用网孔法对由架空地线双地线系统架空输电线接地短路,包括接地短路故障发生在杆塔处和两杆塔之间的情况下,短路电流分布情况进行量化计算和工程实例的验证,从而计算分析出架空地线系统中故障电流的分布特点,进而为架空地线的选型和校验提供参考。

1 发生接地故障时的数学模型

当线路上发生接地短路情况时,可能存在两种类型位置上的故障:故障发生在杆塔上和故障发生在两杆塔之间。由于两种情况均有各自的特殊性,处理时的数学模型也是不相同的。接地故障包括单相接地故障、两相相间故障和两相接地故障,在本文中,以单相接地故障进行分析故障分别发生在杆塔处和两杆塔之间的时,在架空地线上的电流分布情况[6,7]。

1.1 故障发生在杆塔处

图1 故障发生在杆塔处时的等效电路图

线路运行中,在杆塔处发生接地故障的模型如图1所示。图中,Rg为杆塔的接地电阻,Ea,Eb为每档距上两条架空地线上的感应电动势,Ia,Ib为每档距上两条架空地线上的电流,Za,Zb为每档距上两条架空地线上的自阻抗,M为两条架空地线之间的互阻抗。r1,r2表示架空地线是否分段绝缘运行(在本文分析中,均认为r1,r2为0,非分段绝缘的运行方式)。k1,k2表示架空地线是否逐塔接地运行[8](在本文分析中,均认为k1,k2为0,逐塔接地运行)。架空地线发生接地故障运行时,模型等效成电路模型。在短路的杆塔处,等效成一个电流源Id与杆塔的接地电阻并联[2]。

进一步将图1中的电流源和接地电阻化简,等效成为一个电压源和电阻串联。

根据网孔法,列出图示第n-1网孔所满足的方程:

列出图示第n网孔所满足的方程:

从第1个网孔到第n个网孔,就能写成如下的矩阵的形式:

(3)

其中,为阻抗矩阵,为两条架空地线上的电流矩阵,为两条架空地线上感应电动势矩阵。通过求解,便能定量分析短路电流在架空地线上的分流情况。

1.2 故障发生在两杆塔之间

线路运行中,在两杆塔之间发生接地故障的模型如图2所示,在该模型中的所有的参数和图1中的对应参数的意义完全相同。

根据短路后的电磁环境和实际电阻率[9]的综合考虑,确定短路电流的三条分流路径的等效电阻值,随着在两塔之间的短路距离的变化,分流支路的短路电流的值也是在变化的,用拉格朗日差值法进行该阻值变化的曲线拟合。用Rf1和Rf3来模拟接地时到两侧杆塔处的地电阻,用Rf2来模拟接地电阻,同时短路电流Id从这三个并联的电阻Rf1, Rf3和Rf2的节点注入。

图2 故障发生在两杆塔之间的等效电路图

进一步将图2中的电流源和接地电阻Rf2化简,等效成为一个电压源和电阻串联,如图3所示,同时在接地点多了两个网孔,假设其网孔电流If1和If2的参考方向如图2。

根据网孔法,列出图示第n-1网孔所满足的方程:

列出图示第n个网孔满足的方程:

列出图示第n+1个网孔满足的方程:

列出图示两个接地网孔满足的方程:

从第1个网孔到第n个网孔,就能写成如下的矩阵的形式:

(8)

其中,为阻抗矩阵,为两条架空地线上的电流和短路点附加网孔中的电流,为两条架空地线上感应电动势矩阵。通过求解,便能定量分析短路电流在架空地线上的分流情况,从而获得整个线路的电流分布。

2 实际工程算例

某双回输电系统的参数如下:电压等级110 kV;线路长度20 km;杆塔为120级,线路导线采用2×JL/G1A-630/45-45/7;地线采用2根24芯架空地线;架空地线承载截面积为154 mm2,直径为16.5 mm,直流电阻(20℃)为0.286 Ω/km;地线逐塔接地,无分段绝缘方式运行,杆塔的接地电阻10 Ω。

在本文的计算中,考虑到了导线之间互阻抗的作用,过去在工程中分析故障电流的分布时简化处理了,并未考虑。

2.1 故障发生在杆塔处

采用上述的模型计算,接地短路发生在杆塔上时,总短路电流为 11.25 kA。架空地线上的各档电流的分布情况如图3所示。

图3 短路发生在杆塔上时架空地线上的电流

接地故障发生在杆塔上时,短路电流一部分经过杆塔入地,另一部分经过架空地线流通。由于架空地线是逐塔接地方式,短路电流便在形成的网孔间分配,对靠近短路点的网孔影响较大,网孔电流变化较大。随着距离的增加,短路的影响也随之减小。所以出现了如图3所示的短路杆塔某一范围的架空地线档距上电流较大,两端电流较小的波形。endprint

2.2 故障发生在两杆塔之间

采用上述的模型计算,接地短路发生在杆塔之间时,总短路电流为11.25 kA。架空地线上的各档电流的分布情况如图4所示。

图4 短路发生在杆塔之间时架空地线上的电流

接地故障发生在两杆塔之间时,短路电流一部分直接返回大地,一部分经过两杆塔返回大地,其余的部分通过两条架空地线流通。在发生故障的两杆塔之间的档距里,这个网孔中有着分别从两侧注入的短路电流,由于两侧注入的短路电流方向相反,造成该网孔中流通的电流值较小。在与此网孔相邻的网孔中,短路电流分别向两侧流通。随着距离的增加,影响也越来越小,因此出现如图4中所示的电流波形。

可见,两种情况下架空地线中电流分配都是比较合理的,短路故障发生在杆塔处时,经过杆塔到两条架空地线上分流明显较大;短路故障发生在杆塔之间时,经过大地直接返回的电流较大,导致经过两条架空地线上的分流明显较小。

2.3 故障点在线路上的变化

假设从线路的始端到末端,随着故障点不断的变化,进一步来分析架空地线上的电流分布情况。

图5 线路逐塔短路时架空地线

如图5所示,可以看到在逐级杆塔发生接地故障后,架空地线的两杆塔之间线路上的电流的最大值的整体的变化趋势在第一级和最后一级杆塔上发生故障时的架空地线上的电流最大值是各级杆塔处发生故障的最大值中较大的,随着故障杆塔从第1级到线路中间的推进,架空地线上的最大电流是逐渐减小的;随着故障杆塔从线路中间到最后一级杆塔的推进,架空地线上的最大电流时逐渐增大的,得到的是一个比较光滑的曲线。

如图6所示,可以看到在沿着线路发生接地故障后,架空地线的两杆塔之间线路上的电流的最大值的整体的变化趋势是这样的,在靠近线路首端和尾端位置处发生故障的电流最大值是较大的,随着沿着线路,短路点的不断推进到线路中部时,架空地线上的最大电流是逐渐减小的;短路点从线路中部到尾端推进时,架空地线上的最大电流时逐渐增大的,得到的是一个锯齿状的曲线。

图6 线路逐点短路时架空地线

故障发生在杆塔上时的短路电流流经架空地线上是最大的,所以上述的在架空地线上的电流波形便呈现出包络线的情形。

3 结论

本文的研究目的是利用网孔法对发生接地短路故障时,架空输电线路的电力网络的求解,得到双架空地线上的短路电流的定量的分布情况。详细地将故障分为发生在杆塔上的接地短路和发生在两杆塔之间的接地短路进行分析,计算结果表明,短路故障对靠近短路点杆塔的影响较大。得到故障发生在杆塔上时,流经架空地线上的电流要比故障发生在两杆塔之间时流经架空地线上的电流大。文中讨论的短路故障情况已比较详细,更复杂的架空地线系统分析还须借助合适的软件进行分析,本文不再展开讨论。

参考文献

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作者简介

谭红世,辽宁省东港市丹东港集团电力公司,工程师。endprint