500 kV架空地线不同导线排列方式和损耗

胡 科， 陈国初

(上海电机学院 电气学院， 上海 201306)

国内500 kV及以上电压等级输电线路避雷线普遍采用2根地线对称架设的方式，1根为光纤复合架空地线(Optical Power Grounded Waveguide，OPGW)和1根为普通地线(GJ地线)。为了保证线路运行的可靠性，OPGW普遍采用逐塔接地的运行方式，普通地线采用分段绝缘、一点接地方式。目前，我国经济快速发展，各产业用电需求逐年增加，输送容量和电压等级也在增大，虽然地线损耗在线路总损耗所占比例不大，但其损失的电能总量也是不可忽视的一部分[1]，导致运营成本越来越高。

目前，对在不同地线接地方式下地线损耗的研究有很多。文献[2]中提出了OPGW换位和普通地线分段绝缘的地线连接方式，并比较了不同接地方式下的地线损耗。文献[3]中计算了架空输电地线在不同接地方式下线路的零序参数，并讨论了大地电特性和架空地线电特性对输电线路零序参数的影响。文献[4]中利用仿真软件计算了同塔双回输电线路在不同换位线路情况下的感应电压、感应电流。文献[5]中计算了国内不同电压等级输电线路地线损耗，比较了国内、外地线损耗的大小，但OPGW的线损耗问题未能解决。文献[6]中计算了同塔双回接地线路普通地线分段绝缘、一点接地和OPGW逐基接地的地线损耗，提出了OPGW经导弧间隙接地的方式。目前，虽然对不同地线接地方式下地线损耗的研究已较为成熟，但考虑不同导线排列方式对地线能量损耗的影响的研究尚显不足。

本文在我国已有500 kV紧凑型架空输电线路设计经验的基础上，结合已制定的超高压架空接地技术新标准，采用ATP-EMTP电磁暂态软件建立500 kV紧凑型架空输电线路模型，对可能采用的导线排列方式(倒三角、正三角、平行)下地线的感应电压、感应环流以及能量损耗进行了计算，并提出了相关建议。

1 计算原理

1.1 地线损耗产生的原因

电路正常运行时，三相导线与两根地线的空间位置是不对称的，但地线上仍然会同时存在电磁和静电感应分量，即产生感应电压；当地线与大地之间导通时，就会产生电流，引起架空地线电能损耗[7-9]。当系统发生故障时，在地线上会出现一定的感应电压，此时若地线与大地形成回路，就会形成环流，从而造成大量的电能损耗。现假设Ⅱ回路为发生故障的检修线路，检修线路的感应电压、感应电流如图1所示。图中，CAa,CBa,CCa和MAa,MBa,MCa分别为I回线路对 II回线路a相单位长度的相间电容和互感；C0为II回检修线路中a相导线单位长度的对地电容。

图1 同塔双回线路感应电压、感应电流示意图

1.1.1 静电感应电流 静电感应电流是由导线和地线之间的耦合电容引起的[10-12]。根据麦克斯韦方程，导线和地线均不换位时可得到

φ=pq,i=jωCφ

(1)

式(1)中，当地线绝缘和地线接地时，地线的电荷和电位均为0，因此，可利用式(1)求出q或φ，再根据式(2)求出地线静电感应电流。

1.1.2 电磁感应电流 地线电磁感应电流可通过电磁感应矩阵求得，即

U=ZI

(2)

式中:U为电压矩阵；Z为导、地线全阻抗矩阵；I为导线负荷电流及地线感应电流。

为求得地线电磁感应电流，在计算时可令地线感应电压U1，U2为零。线路的长度、负荷电流及导线的排列方式都会影响电磁感应电流的大小[13-15]。OPGW上的电能损耗主要由感应电流和地线电晕两方面引起[16-17]。

1.2 地线功率损耗的计算

在计算地线回路功率损耗时，可设电源输出有功功率为Ps，负荷消耗有功功率为P1，相导线消耗有功功率为Pp，地线与大地回路的损耗为Pg，则

式中:l为线路长度；r1为相导线单位电阻长度；Ip为相导线中的电流。由于相导线首末端电流Is、Ir不等，故Ip取相导线首末端电流的平均值，即

(5)

(6)

2 计算模型

2.1 线路模型

本文模型中的线路为同塔双回线路，起始电压550 kV，为额定电压的110%，线路全长15 km且不换位，线路中间地线分30盘，每盘0.5 km。线路导线采用6XJL/G1A-300/40 钢芯铝绞线，2根地线中1根为OPGW，1根为JLB40-150的GJ地线。GJ地线采用分段绝缘、首端接地；OPGW采用逐塔接地。导线参数如表1所示。

表1 导线参数

导线弧垂取10 m，沿线杆塔接地电阻均为5 Ω，大地电阻率为500 Ω·m。模型采用某条紧凑型架空输电线路，其参数及布置见下图2所示。

2.2 导线排列模型

目前，国内的紧凑型架空线路导线排布大多采用倒等三角形分布，500 kV交流输电线路导线排布主要可以分为倒三角形排列、正三角形排列、水平排列3种形式[10]，它们的排列结构示意图如图3所示。

图2 同塔双回排列示意图 (m)

(a) 倒三角排列

(b) 正三角排列

本文研究这3种导线排列方式下的感应电流、电压和地线损耗。

2.3 仿真模型

利用ATP-EMTP电磁暂态软件建立500kV架空地线仿真模型，其中，架空线路中LCC模块包括大地电阻率、相序、线路长度、导线型号、塔杆几何尺寸等参数见2.1。仿真模型如图4所示,PI为ATPDraw中的线路模型之一，一般用于短线路。

图4 某线路ATP-EMTP模型

3 仿真计算

对于同塔双回输电线路，在系统发生故障时，通常采用Ⅰ回运行、Ⅱ回停运的方式进行检修，以减小停电范围。本文利用仿真模型分别计算双回线路在系统正常双回运行、Ⅰ回运行Ⅱ回停运情况下，不同导线排列方式的感应电流、电压和地线损耗；并根据沿线各电量分布的最大值获取其分布规律，综合比较每种导线排列方式下的大地电能大小。

3.1 系统正常双回运行

3.1.1 不同导线排列方式下感应电量比较 表2所示为该系统正常双回运行下，不同导线排列方式下OPGW和GJ地线上感应电量最大值。

表2 系统稳态双回正常运行时GJ,OPGW上感应电量的最大值

由表2可见，在其他条件相同的情况下，① 当导线倒三角排列时，GJ地线感应电压比OPGW略大，且在3种排列方式中感应电压最大；当导线正三角排列方式时，OPGW感应电压约为GJ地线的165.82%；当导线水平排列时，OPGW和GJ地线的感应电压数值较接近，且都在3种排列方式中最小。② 在导线水平排列下，OPGW的感应环流最小；在导线正三角排列下，GJ地线的感应环流最小。③ 当导线水平排列时，接地损耗为115.99 W，是3种排列方式中损耗最低的；倒三角形排列的损耗最大，为1 928.78 W，约为水平排列方式的166%。

由于GJ地线采用分段绝缘、一点接地的方式，产生的地线电流为容性感应电流，故GJ地线的电流很小。

由上述分析可得，在系统稳态双回方式正常运行时，采用导线水平排列方式，地线的损耗更小，故推荐使用。

3.1.2 不同导线排列方式下沿线电量分布 图5所示为系统双回运行方式时，不同导线排列方式下OPGW的电流幅值变化情况。

图5 系统双回稳定运行时，OPGW感应环流沿线分布

由图可见，在3种导线排列方式下，它们的感应环流都呈现“n”型，在线路的首、末两端，OPGW的感应环流较小。这是由于OPGW逐塔接地，杆塔塔身、接地电阻流过的环流是由相邻网孔电流方向相反的环流构成。随着塔杆段号的增加，OPGW的感应环流先增大，在线路的中路，其感应环流保持稳定，到线路的后段又减小到近似初始值的位置。在导线的3种排列方式中，当导线水平排列时，OPGW的感应环流在整个线路中变化最小，且感应环流的值也是3种方式中最小的，因此，其地线电能损耗也是3种排列方式中最低的。

3.2 系统Ⅰ回运行、Ⅱ回停运的方式

3.2.1 不同导线排列方式下感应电量比较 表3所示为系统Ⅰ回运行、Ⅱ回停运方式下，不同导线排列方式下OPGW和GJ上的感应电流的最大值。

由表可见，在该方式运行时，OPGW上感应电压从大到小对应的导线排列方式如下：正三角排列>倒三角排列>水平排列；地线上功率损耗从大到小对应的导线排列方式如下：倒三角排列>正三角排列>水平排列。若导线水平排列，OPGW上的最大感应环流为7.13 V，远小于其他2种排列方式，其地线损耗约为导线倒三角形排列时的1/14。尽管导线倒三角形排列是国内常用的导线排列方式，但是，从减小地线损耗的角度来看，地线排列的方式应该选择导线水平排列方式。

表3 系统稳态Ⅰ回运行、Ⅱ回停运时GJ,OPGW上感应电量的最大值

3.2.2 不同导线排列方式下沿线电量分布 图6所示为系统Ⅰ回运行、Ⅱ回停运时，不同导线排列方式下OPGW的感应环流变化情况。

图6 系统稳态Ⅰ回运行、Ⅱ回停运方式时OPGW感应环流沿线分布

由图可见，总体上，导线在不同排列方式下，OPGW的感应环流也呈现为“n”型变化；与系统双回运行时相比，导线在倒三角和正三角排列方式下，OPGW的感应环流变化幅度均有所减少。在导线的3种排列方式中，导线倒三角排列下的OPGW感应环流变化的幅度最大；导线水平排列方式下的OPGW感应环流变化的幅值最小，且其感应环流小于另外两种排列方式，因此，其地线损耗也小于另外2种排列方式。

由于实验所得GJ地线的地线环流值较小，对地线总损耗的影响不大，故本文不再对GJ地线的感应环流及损耗进行研究。

4 结 论

文中以500 kV紧凑型同塔双回输电线路为背景，利用ATP-EMTP软件建立了500kV架空地线仿真，分别计算了导线在倒三角、正三角、水平排列方式下的感应电压、感应环流和地线损耗以及电量沿线分布情况，并进行了分析比较。得出如下结论：

(1) 若导线采用倒三角形排列方式，感应环流和功率损耗均为最大，不建议采用。

(2) 在系统Ⅰ回运行、Ⅱ回停运方式下，3种导线排列方式的感应环流、感应电压和地线损耗均小于系统双回稳定运行时。

(3) 导线在3种排列方式下，沿线OPGW的感应电流均呈现“n”型分布，该感应环流主要是由相邻网孔电流方向相反的环流构成。导线水平排列下的感应环流变化最小。

(4) 无论在系统双回运行，还是Ⅰ回运行、Ⅱ回停运方式下，导线水平排列下的感应电流、感应电压和地线损耗均为3种排列方式中最小，该导线排列方式可作为今后线路设计的参考。

[1] 刘凯，吴田，施荣，等．750kV输电线路光纤复合架空地线损耗分析 [J]．高电压技术，2011，37(2)：497-504．

[2] 李本良，袁兆祥，惠旭，等．降低高压交流输电线路地线损耗的运行方式 [J]．电网技术，2011,35(3)：98-102．

[3] 刘博，卢明，吕中宾，等. 同塔双回输电线路零序阻抗的测量及分析 [J].高压电器，2011，47(8)：108-111，116.

[4] 曾林平，张鹏，冯玉昌，等. 750kV线路架空地线感应电压和感应电流仿真计算 [J].电网与清洁能源，2008,24(6):21-23.

[5] 周响凌.OPGW与输电线路损耗之间的关系探讨 [J].电力系统通信，2001，22 (6): 14-16.

[6] 胡毅，刘凯.输电线路OPGW接地方式的分析研究 [J].高电压技术，2008，34(9)：1885-1888.

[7] 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)：29-33.

[8] 刘凯． 某超高压线路OPGW 断股原因试验与分析 [J]．高压电器，2010，46(6)：79-82．

[9] 陈洁，郭洁，崔龙跃，等． 330 kV OPGW 感应电压分布计算和影响因素研究 [J]． 高压电器，2014，50(5)：93-98．

[10] 李振强，戴敏，娄颖，等． 特高压线路地线布置方式对地线电能损耗及潜供电流的影响 [J]． 电网技术，2010，34(2)：24-28．

[11] 胡丹晖，涂彩琪，蒋伟，等.500 kV同杆并架线路感应电压和电流的计算分析 [J]. 高电压技术，2008,34(9):1927-1931.

[12] 张亚婷，高博，施围． 750 kV 输电线路架空地线损耗的影响因素及降低方法研究 [J]． 电瓷避雷器，2008(1)：18-21．

[13] SOBRAL S T，NOVAES E O，RODRIGUES-COELHO A S. Improvement of transmission line ground circuit current carrying limit after system interconnections [J]. IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8(4)：2023-2030.

[14] DUDURYCH I，ROSOLOWSKI E. Analysis of overvoltages in overhead ground wire of extra high voltage (EHV) power transmission line under single-phase-to-ground faults [J]. Electric Power Systems Research，2000，53(2)：105-111.

[15] 崔弘，夏成军，杜天苍，等. OPGW雷击破坏的数值分析及结构优化 [J]. 高压电器，2010, 46(6):50-54,59.

[16] 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):1-7.

[17] 黄旭峰. 光纤复合架空地线接地力式的改进 [J].高电压技术，2010，36(2):356-364.