输电线路架空地线节能接地技术

彭向阳，毛先胤，胡卫，王宇，王建国

(1.广东电力科学研究院，广州市510080;2.重庆电力公司江津供电分公司，重庆市400026;3.武汉大学电气工程学院，武汉市430072)

0 引言

我国110kV及以上输电线路架空地线主要有普通地线(common overhead ground wire，CGW)和光纤复合地线(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)2种，基于防雷和通信考虑，架空地线大多采取逐基接地方式，由于架空地线与导线间存在电磁感应，架空地线中产生较大的感应电流。对广东电网部分交流线路架空地线感应电流实测发现，500kV线路2条地线逐基接地时，典型感应电流达70 A，电能损耗达2.84×104kW·h/(a·km)。可见，架空地线电能损耗不容忽视，但传统输配电线损计算只考虑导线电能损耗，其大小基于负荷电流和导线电阻，对架空地线电能损耗未足够重视。

为减小架空地线逐基接地或多点接地引起的电磁感应电流及电能损耗，实现架空地线节能，并综合考虑架空地线防雷、通信性能，架空地线可采用绝缘单点接地方式，且地线端部电磁感应电压宜限制在500～1 000 V以下，以保证架空地线带电作业安全。

当输电线路长度较短，如不超过5 km时，若架空地线全线电磁感应电压未超过1 000 V，架空地线应采用绝缘单点接地方式，接地点可设置在绝缘架空地线端部或中部;当输电线路较长时，若架空地线全线电磁感应电压超过1 000 V，可采取地线分段、地线换位、导线换位、导地线配合换位等措施降低绝缘架空地线单点接地时端部电磁感应电压［1-3］。

单回线路和同塔多回(或双回)线路架空地线感应电压沿线分布规律是不同的，可根据其不同特性总结出单回线路、多回线路架空地线典型接地方式，既能实现架空地线的节能降损，又能限制架空地线感应电压低于1 000 V。

本文对输电线路架空地线节能工程实施过程中的若干关键技术进行研究，相关技术已在广东电网5个供电局20余回110kV及以上冰区、非冰区线路中实际应用，效果良好。

1 单回线路架空地线接地方式

1.1 单根地线

我国单根架空地线一般用于35kV及以下电压等级，部分110kV线路有时也会采用单根地线。单回线路只有1根地线时，为控制绝缘架空地线单点接地时地线端部的感应电压，可采取地线分段配合地线接地点选择位置的措施，使地线端部感应电压控制在500～1 000 V以下。

1.1.1 接地点在各分段端部

架空地线接地点设置在各分段地线的端部时，接地方式如图1所示，架空地线的最大感应电压U0出现在各分段地线的另一端部。地线分段节距l0按式(1)计算确定。

图1 接地点在各分段地线端部Fig.1 Ground point at the end of each part ground wire

根据架空地线感应电压计算公式，地线感应电压与导、地线互感成正比，与导线电流成正比，这与式(1)结果是一致的。

1.1.2 接地点在各分段中部

架空地线接地点设置在各分段地线的中部时，接地方式如图2所示，架空地线的最大感应电压U0出现在各分段地线的2个端部。

地线分段节距l0按式(2)计算确定。

图2 接地点在各分段地线中部Fig.2 Ground point at the middle of each part ground wire

式(1)～(2)中:l0为地线分段节距，km;U0为地线感应电压限值(建议取500～1 000 V)，下同，V;I为输电线路运行电流，A;k为电压等级系数，110kV取12～15，35kV 及以下电压等级取15～18。

1.2 2根地线

单回线路采用2根架空地线时，为控制绝缘地线单点接地时端部感应电压，可采取地线分段的措施［4］，并配合接地点位置选择，使地线端部电磁感应电压控制在500～1 000 V以下。

接地点设置在各分段地线端部时，接地方式如图3所示。地线分段节距l1按式(3)计算确定。

图3 接地点在各分段地线端部Fig.3 Ground point at the end of each part ground wire

接地点设置在各分段地线中部时，接地方式如图4所示。地线分段节距l2按式(4)计算确定。

式(3)～(4)中:l1、l2为地线分段节距，km;U0为地线感应电压限值，V;I为输电线路运行电流，A;k为电压等级系数，500kV取8～10，220kV取10～12，110kV 取12～15。

图4 接地点在各分段地线中部Fig.4 Ground point at the middle of each part ground wire

2 同塔多回线路架空地线接地方式

同塔多回(含双回)线路绝缘架空地线单点接地时宜采用地线分段单点接地方式降低感应电压，并配合接地点位置选择。

2.1 分段地线端部接地

架空地线接地点设置在各分段地线端部时，接地方式如图5所示。地线分段节距l3按式(5)计算确定。

图5 接地点在各分段地线端部Fig.5 Ground point at the end of each part ground wire

2.2 分段地线中部接地

图6 接地点在各分段地线中部Fig.6 Ground point at the middle of each part ground wire

架空地线接地点设置在各分段地线中部时，接地方式如图6所示。地线分段节距l4按式(6)计算确定。式(5)～(6)中:l3、l4为地线分段节距，km;U0为地线感应电压限值，V;I为输电线路运行电流，A;k为电压等级系数，500kV取5～7，220kV取7～9，110kV取9～12。

3 非冰区地线绝缘子及其间隙选择

非冰区地线绝缘子选型需综合考虑架空地线机械强度和电气性能，目前广泛使用的地线绝缘子有悬垂、耐张绝缘子2类，主要有XDP-70C、XDP-70CN、XDP-100C、XDP-100CN等多种型号。耐张绝缘子间隙宜向上布置，悬垂绝缘子间隙宜向线路外侧布置，以减少工频及雷电电弧对绝缘子的灼伤。

节能设计时非冰区地线绝缘子间隙距离选择应满足以下要求:

(1)地线绝缘子间隙工频(干或湿)放电电压应高于正常运行时架空地线最大感应电压;

(2)地线绝缘子间隙工频(干或湿)放电电压不应高于地线绝缘子工频放电电压;

(3)地线绝缘子间隙雷电放电电压不应高于地线绝缘子雷电放电电压。

3.1 标准大气压条件下间隙距离

架空地线感应电压可通过地线换位或者地线分段控制在较低水平，如不超过1 000 V。选择地线绝缘子可承受工频过电压倍数一般为3倍。

因地线绝缘子间隙湿工频放电电压小于干工频放电电压，故确定间隙距离时以湿工频放电电压为准。为防止地线绝缘子间隙被鸟粪等短接，考虑地线绝缘子间隙距离最小值为15 mm。

针对绝缘架空地线不同的感应电压，选择地线绝缘子间隙距离如表1。最大感应电压不超过3kV时，间隙距离可选择为15 mm;最大感应电压在3～5kV时，间隙距离可选择为25 mm;最大感应电压在5～7kV时，间隙距离可选择为35 mm。

按照以上原则，既能保证正常运行时地线绝缘子可靠承受绝缘地线感应电压，又能保证过电压时绝缘子间隙放电，有效保护地线绝缘子。

表1 标准大气条件下间隙距离Tab.1 Gap distance under standard atmospheric condition mm

3.2 不同海拔下间隙距离

折算标准大气条件下地线绝缘子工频放电电压值到不同海拔高度时，可确定海拔高度分别为2 000，3 000，4 000m处，绝缘地线不同感应电压应选择的间隙距离，如表2所示。

绝缘架空地线最大感应电压不超过1kV时，海拔不高于4 000m地区间隙距离可取15 mm;绝缘架空地线最大感应电压不超过3kV时，海拔不高于3 000m地区间隙距离可取15 mm，海拔3 000～4 000m地区间隙距离可取20 mm;最大感应电压不大于5kV时，海拔不高于2 000m地区间隙距离可取30 mm，海拔2 000～3 000m地区间隙距离可取35 mm，海拔3 000～4 000m地区间隙距离可取40 mm;最大感应电压不大于7kV时，海拔分别低于2 000，3 000，4 000m地区，间隙距离可分别取45，50，55 mm。

3.3 不同温度下间隙距离

表2 不同海拔高度下间隙距离Tab.2 Gap distance at different altitude mm

根据标准大气条件下的工频放电电压Up，可折算到不同环境温度下的工频放电电压。针对绝缘地线不同的感应电压，选择环境温度分别为－40、－20、0、20、40℃时间隙距离如表3所示。

表3 不同温度下间隙距离Tab.3 Gap distance at different temperature mm

最大感应电压不超过3kV时，环境温度－40～40℃地区间隙距离可取15 mm;最大感应电压不超过5kV时，环境温度－40～0℃地区间隙距离可取20 mm，环境温度0～40℃地区间隙距离可取25 mm;最大感应电压不超过7kV时，环境温度－40～－20℃地区间隙距离可取30 mm，环境温度－20～0℃地区间隙距离可取35 mm，环境温度0～40℃ 地区间隙距离可取40 mm。

3.4 严重湿度下间隙距离

地线绝缘子间隙电场属于不均匀电场，不能忽略空气湿度影响。

为确保不同空气湿度下地线绝缘子能可靠承受架空地线的感应电压，地线绝缘子保护间隙的距离应按最苛刻湿度条件。取相对湿度为80%，根据标准大气条件下工频放电电压Up可计算相对湿度为80%时的工频放电电压。

针对绝缘地线不同的感应电压，可按表4确定地线绝缘子间隙距离。最大感应电压不大于3kV时，地线绝缘子保护间隙可选择15 mm;最大感应电压不大于5kV时，间隙可选择30 mm;最大感应电压不大于7kV时，间隙可选择45 mm。

表4 严重湿度下(相对湿度80%)间隙距离Tab.4 Gap distance in high humidity

4 冰区地线绝缘子及其间隙选择

冰区架空地线进行节能设计时，还必须同时考虑地线直流融冰问题［5-6］，因此，地线绝缘子除需满足上述非冰区地线绝缘子技术要求，还需同时满足覆冰条件及直流融冰技术要求:

(1)地线绝缘子间隙直流覆冰耐受电压应高于最高直流融冰电压;

(2)地线绝缘子间隙直流覆冰耐受电压不应高于地线绝缘子直流覆冰耐受电压。

4.1 普通地线绝缘子

传统地线绝缘子覆冰情况下间隙距离30 mm时直流放电电压为7～9kV，间隙距离40 mm时直流放电电压为10kV，间隙距离50 mm时直流放电电压为12kV，间隙距离60 mm时地线绝缘子可能闪络，即绝缘子间隙失去保护作用［7-8］。在满足冰区地线绝缘子及间隙电气性能要求的前提下，地线直流融冰电压小于10kV时间隙距离可取40 mm，直流融冰电压小于12kV时间隙距离可取50 mm。

4.2 融冰地线绝缘子

地线长度大于40 km时直流融冰电压可达15kV甚至更高，而直流融冰装置输出电压主要有15、20kV，因此，可开发新型能兼顾直流融冰的地线绝缘子，以满足架空地线节能与融冰需要，如图7所示。

图7 兼顾融冰的地线复合绝缘子Fig.7 Ground wire composite insulator with taking account of melting ice

兼顾直流融冰的地线绝缘子包括地线复合绝缘子、角状电极和帽式保护罩。地线复合绝缘子覆冰情况下覆冰直流耐压不小于30kV，其采用一大两小或一大一小的伞形结构，大伞裙间插小伞裙，结构高度取300～600 mm，爬电距离为900～1 800 mm，以满足覆冰情况下直流耐压不小于30kV。

角状电极和帽式保护罩构成并联间隙，覆冰时直流放电电压不小于15kV，其角状电极采用等效直径为8～14 mm的镀锌圆钢或扁钢，通过抱箍固定在地线复合绝缘子下端部金具上。角状电极与帽式保护罩位置相对，构成复合绝缘子并联间隙，间隙距离为50～80 mm。

帽式保护罩兼有间隙电极、防鸟粪污染及减小覆冰累积作用。保护罩顶部采用铝合金压延封闭构成，帽沿采用铝合金管，底部铝合金厚度为0.25～1 mm，铝合金管等效直径为8～20 mm，顶部与帽沿采用嵌入式压接或焊接，帽式保护罩外径为200～400 mm。

5 OPGW绝缘接续

OPGW作为架空地线，其出厂长度一般为4～6 km，故无论采用地线全线绝缘单点接地还是分段绝缘单点接地的方式，为保证OPGW光路连续性，都存在OPGW光纤接续问题［9-10］。

改变OPGW接地方式为单点接地之后，在非接地点的OPGW接续处，需要将OPGW接续盒做绝缘化处理，目前尚无厂家生产这类专用产品。但在35～110kV光纤复合架空相线(optical phase conductor，OPPC)工程中已开发出类似产品作为光缆终端接续盒。为实现OPGW全线绝缘单点接地方式或分段绝缘单点接地方式［11-15］，可使用以下3种不同型式的光纤接续盒。

5.1 终端绝缘接续

当要求光纤接续盒一侧OPGW金属接地而另一侧OPGW对地绝缘时，两侧的OPGW需要电气隔离。在终端时或当OPGW分段绝缘且接地点在各分段地线端部的分段点处，均需要此类光纤接续盒。

该类型OPGW接续盒结构如图8所示，包括OPGW接续上盒、OPGW 接续下盒、隔离绝缘子、绝缘子内置光纤和OPGW固定夹具。绝缘子内置光纤可使用全介质自承式(all dielectric self-supporting，ADSS)光缆进行光路连通。在需要对地绝缘的OPGW接续上盒(或者下盒)，使用ZS6－12/4户外棒式瓷绝缘子将OPGW光纤接续盒对铁塔绝缘。

图8 隔离型OPGW光纤接续盒Fig.8 Isolated OPGW fiber splice box

该类OPGW接地方式还可使用ADSS光缆进行光路连接，从而实现两侧OPGW电气隔离。如条件所限，也可使用35kV OPPC接续盒代替，如图9所示。

图9 35kV OPPC接续盒Fig.9 35kV OPPC fiber splice box

5.2 中间绝缘接续

5.2.1 隔离型OPGW绝缘接续

该类型光纤接续盒两侧OPGW均对地绝缘，但需两侧OPGW金属部分电气隔离。当OPGW分段绝缘，且接地点在各分段地线中部时，OPGW分段处要求光纤接续盒两端的OPGW电气隔离。

该类型OPGW接续盒结构如图10所示，包括OPGW接续上盒、OPGW 接续下盒、隔离绝缘子、绝缘子内置光纤、绝缘底座和OPGW固定夹具。绝缘子内置光纤可使用ADSS光缆进行光路连通。使用ZS6－12/4户外棒式瓷绝缘子将OPGW光纤接续盒对铁塔绝缘。如条件所限，也可使用35kV OPPC接续盒代替。该类OPGW还可使用ADSS光缆进行光路连接，实现两侧OPGW电气隔离。

图10 隔离型绝缘光纤接续盒Fig.10 Isolated insulation fiber splice box

5.2.2 连续型OPGW绝缘接续

该类型光纤接续盒两侧OPGW均对地绝缘，两侧OPGW金属部分不需电气隔离，适用于OPGW盘长较短、仅需单纯完成OPGW光路和电路连通性的情况。使用ZS6－12/4户外棒式瓷绝缘子将OPGW光纤接续盒对铁塔绝缘，如图11所示。

6 OPGW金具

图11 光纤绝缘接续盒Fig.11 Fiber insulation splice box

OPGW金具可沿用目前成熟技术，包括产品、设计、施工及运行维护各方面，一般采用以下配套金具安装OPGW。为实现OPGW单点接地，可在逐基接地的OPGW金具上进行改进。

6.1 悬垂金具

改预绞式悬垂线夹为双联结构预绞式悬垂线夹，并在其中串入带放电间隙的绝缘子，如图12所示。

图12 悬垂线夹Fig.12 Suspension clamp

6.2 耐张金具

改预绞式耐张线夹为双联结构预绞式耐张线夹，并在其中串入带放电间隙的绝缘子，如图13所示。

图13 耐张线夹Fig.13 Strain clamp

6.3 防振金具

采用预绞丝式防振锤，如图14所示。

图14 预绞式防振锤Fig.14 Preformed damper

7 结论

为实现架空地线节能运行，并兼顾架空地线直流融冰以及基本防雷、通信功能，传统的逐基接地方式不能满足运行要求，架空地线需要采取单点接地、分段、换位、导地线配合换位等节能接地技术，地线端部感应电压宜控制在500～1 000 V以下，以保证带电作业安全。

地线绝缘子及其并联间隙的选型参数应综合考虑机械强度和电气性能要求，选择间隙距离需考虑不同海拔高度、不同环境温度和湿度的影响，冰区地线绝缘子还应同时满足覆冰条件以及直流融冰技术要求，绝缘子间隙直流覆冰耐受电压应高于直流融冰电压。

OPGW节能接地方式下，为保证光路连续性，必须解决OPGW光纤接续问题。提出了终端绝缘接续以及中间隔离型、连续型绝缘接续等3种不同型式的光纤接续盒方案，以及OPGW金具选用型式，可以满足工程设备选型需要。

［1］DL/T 832—2003光纤复合架空地线［S］.北京:中国电力出版社，2003.

［2］程慕尧.架空输电线路导线换位及绝缘地线运行方式优化方案［J］.中国电力，2000，31(1):57-58.

［3］DL/T 763—2013架空线路用预绞式金具技术条件［S］.北京:中国电力出版社，2013.

［4］吴康平.500kV线路绝缘地线的设计［J］.电力建设，2001，22(11):11-13，16.

［5］彭向阳，周华敏，潘春平.2008年广东电网输电线路冰灾受损情况及关键影响因素分析［J］.电网技术，2009，33(9):108-112.

［6］彭向阳，周华敏，毛先胤，等.输电线路融冰初期易冰闪机理试验研究［J］.高压电器，2012，48(11):82-86.

［7］彭向阳，周华敏，杨楚明.广东电网直流融冰装置安装调试及实冰演练［J］.高压电器，2010，46(3):98-102.

［8］文明浩，吴伯华.绝缘地线间隙放电对距离保护影响的研究［J］.继电器，2000，29(10):25-27.

［9］彭向阳，刘毅刚，张穗强.OPGW光纤复合架空地线异常发热现场测量分析及仿真［J］.电网技术，2012，36(2):206-211.

［10］曹佩荣，孟涛，宋爱成，等.对我国特高压电网中OPGW应用问题的探讨［J］.电力建设，2007，28(6):1-6，9.

［11］臧剑欣，游怀仁.OPGW 的热稳定计算及应用［J］.电力建设，2004，25(6):17-20.

［12］杜天苍，张尧，夏文波.利用短路电流热效应的OPGW分流地线选型［J］.高电压技术，2007，33(9):110-114.

［13］蒋陶宁，徐亮，卞鹏，等.导线相序及换位方式对地线损耗的影响［J］.电力建设，2011，32(11):16-21.

［14］傅宾兰.光纤复合架空地线OPGW运行状况和防雷［J］.中国电力，2005，38(10):29-34.

［15］谢书鸿，何仓平，徐拥军.输电线路节能增效技术发展［J］.中国电力，2012，45(8):15-19.