基于架空地线电能损失计算的分段绝缘段长度经济最优取值方法

胡淑兵，刘方平，黄 强，王 琼

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

目前中国110 kV 及以上输电线路架空地线主要采用普通地线（common overhead ground wire，CGW）和光纤复合架空地线（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW）两种形式[1-3]，通常采取CGW 分段绝缘、单点接地，OPGW 逐塔接地的方式[4-5]。参考国内外几十年的实际运行经验可知CGW 分段绝缘、单点接地的接地方式产生的电能损耗非常小，而且与直接接地相比较，并不降低其保护性。而OPGW 同时承担着光纤通信功能，出于对光纤通信的连续性和通信质量的考虑，OPGW 至今仍普遍逐塔接地[6-7]。当输电线路较长时，架空地线全线的电磁感应电压将可能超过1 000 V，在这种情况下可采用地线分段的方式来降低架空地线绝缘单点接地时首末两端的电磁感应电压[8-11]。地线分段是指首先将架空地线划分成若干绝缘段，之后在每一段的一基杆塔处接地[12-13]。目前对于如何合理划分绝缘段长度以及划分绝缘段的长度对地线接地产生电能损失的大小的研究较少，因此对于地线分段绝缘段长度对电能损失的影响在工程实际中对绝缘段的合理划分具有很重要的指导意义。

1 仿真计算方法及研究模型

文中以单回路及双回路输电线路模型为研究计算对象，首先研究在各种接地方式下电能损耗，通过比对选出较为合理的接地方式；在较为合理的接地方式的基础上对应不同绝缘长度分别对地线的感应电流及电能损耗进行仿真计算，并总结在不同的接地方式下绝缘段长度对电能损耗的影响趋势。考虑到便于理论研究以及所得到结论的通用性，档距均采用平均档距，架空地线分段导线的对地高度及间距均采用典型杆塔所对应数据。

1.1 单回路输电线路模型

本文研究的单回路500 kV 输电线路的线路全长为115.6 km，取其中典型10 km 线路进行研究计算，线路输送功率为1 187.5 MW，线路成直线排列，其排列方式从左至右依次为：A-B-C；四根四分裂子导线（4XJL/G1A-400/50）采取正方形排列，分裂距离为450 mm；采用一根CGW（JLB20A-150）与一根OPGW（OPGW-150）平行对称架设，线路上典型杆塔模型如图1 所示。平均档距为400 m，接地排流线圈工频电阻为20 Ω，导线a、b、c 平均对地高度为36 m，地线平均对地高度为43.5 m。

图1 单回路典型杆塔

1.2 双回路输电线路模型

双回路线路500 kV 输电线路全长123.8 km，取其中10 km 典型线路进行研究计算，单回线路输送功率为1 187.5 MW，导线（4XJL/G1A-400/50，分裂同单回路）成垂直对称排列，其排列方式左边从上到下依次为：A-B-C，右边从上之下依次为：C-B-A；采用一根CGW（JLB20A-150）与一根OPGW（OPGW-150）平行对称架设，线路上典型杆塔如图2所示。平均档距为400 m，接地排流线圈工频电阻为20Ω，导线a、b、c 平均对地高度依次为56.5 m、44.5 m、33 m，地线平均对地高度为64.5 m。

图2 双回路典型杆塔

1.3 接地方式

系统在正常稳定运行时，常见的接地方式可采取以下几种：

1）OPGW与普通地线均逐塔接地；

2）OPGW 逐塔接地，普通地线分段绝缘，两端经排流线圈接地；

3）OPGW 及普通地线均分段绝缘，两端经排流线圈接地；

4）OPGW 逐塔接地，普通地线分段绝缘，首端经排流线圈接地；

5）OPGW 及普通地线均分段绝缘，首端经排流线圈接地。

2 仿真计算结果分析

2.1 接地方式能耗比对

仿真计算首先研究了在1.3 节叙述的5 种接地方式下单回路正常运行以及双回路正常运行时，CGW及OPGW 沿线的感应电流以及电能损耗；地线分段长度均为5 km；年损失小时数按4 000 h计算。

单回路结果如表1所示，双回路结果如表2所示。可以看出，当采用方式3和方式5时，两种回路地线电能损耗较方式1、2、4 大幅度降低，因此在采用接地方式3 和方式5 的条件下，对于绝缘段长度对电能损耗影响的研究比较有意义。

表1 单回路不同接地方式下感应电流以及电能损耗

表2 双回路不同接地方式下感应电流以及电能损耗

2.2 分段绝缘长度的经济最优取值

在方式3（以后简称两端接地）和方式5（以后简称单端接地）的接地方式下，电能损耗均较小，但两者所需接地设备的数量不同，而绝缘段长度的取值对接地设备的数量亦有影响，因此需要在不同绝缘长度下，两种接地方式电能损耗所造成的经济损失与额外增加的接地设备支出做综合比对，选取最优的分段绝缘长度与接地方式的组合。表3、表4 分别为不同接地方式下单回路及双回路年电能损耗；其电能损耗随绝缘段长度变化趋势如图3、图4所示。

可以观察出随着绝缘段长度的减小电能损耗在逐渐减小，减小趋势逐渐变缓，因此随着绝缘段长度变短，电能损耗所造成的经济损失开始变小，但由于绝缘段分段过多而导致接地设备数量增多而带来的设备支出费用在增加，因此如何选取合适绝缘长度需要综合考虑设备支出及电能损耗所带来的总损支。

预设每套接地设备支出成本2 000 元（包括金具成本，安装、改造及更换成本），平均工作寿命10 年，则可计算十年电费损失与设备支出总和。单回路与双回路随绝缘段长度与总损支对应如表5、表6所示，变化趋势如图5、图6所示。

可以看出在在单回路中，单端接地总损支最低点出现在2 km，两端接地总损支最低点出现在3.3 km，然而考虑到两端接地绝缘段为3.3 km 时，绝缘段最大电压为167.359 5 V小于单端接地时绝缘段2 km时的最大电压202.86 V。

因此经过综合考虑采取两地线均分段绝缘，两端经排流线圈接地，绝缘段长度为3.3 km 的接地方式为该单回路输电线路的经济最优接地方案。双回路与单回路分析情况相同亦采取此方案。

表3 单回路不同绝缘段长度年电能损耗

图3 单回路不同绝缘段长度年电能损耗

表4 双回路不同绝缘段长度年电能损耗

图4 双回路不同绝缘段长度年电能损耗

表5 单回路不同绝缘段长度总损支

图5 单回路不同绝缘段长度总损支

表6 双回路不同绝缘段长度总损支

图6 双回路不同绝缘段长度总损支

3 结语

文中编程设计了一种针对于单回路以及双回路架空地线输电线路算法；对两者地线电流、最高电压以及电能损耗进行计算；同时研究了绝缘段长度对电能损耗以及最大电压的影响。得出以下结论：

1）两根地线均采取分段绝缘的接地方式电能损耗最低；

2）同一绝缘段长度下，单端接地方式电能损耗大于两端接地电能损耗；

3）地线年电能损耗量随绝缘段长度呈非线性增长趋势。

基于以上结论，考虑绝缘段长度所对应接地设备支出与电能损耗进行综合分析计算，可选取出经济最优的绝缘段长度及接地方案。对于文中所采取实际算例最优方案为：

两地线均分段绝缘，绝缘段两端经排流线圈接地，绝缘段长度为3.3 km。