500 kV/220 kV混压同塔四回输电线路接地开关的改造方案

黄国平，黄华斌

(1.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000；2.广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510630)

为减少线路占地面积，降低单位容量线路造价，同塔多回输电技术被广泛采用[1-2]。但多回线路同塔架设导致导线间距离很近，导线之间、导线与大地之间存在较强的电磁耦合和静电耦合[3-7]。当部分线路停电检修时，检修线路与运行线路之间存在电磁耦合与静电耦合，将在停电检修线路上产生很大的感应电压和感应电流[8-10]。220 kV及以上电压等级线路同塔架设时，感应电压更高[11-13]。目前有效降低感应电压的方法就是接地，要求线路两侧的接地开关能承受感应电压、感应电流，保障线路检修工作人员的安全[14]。

目前国内关于输电线路间电磁耦合干扰的研究主要集中在以下方面：部分各电压等级下的同塔多回输电线路停运时，运行线路对停运线路的感应电计算；同塔双回输电线路一回带电、一回停电时，线路上感应电流和电压的计算；接地开关的选型和检修作业安全防护研究。国外文献[15-16]对同塔多回输电线路感应电进行研究计算，得到检修线路上感应电的分布规律，分析地线接地方式、接地电阻、导线换位等因素对感应电的影响。

从国内外的文献中可以看出，对感应电的研究，均是通过经验公式、模拟仿真、理论计算等方式进行，并提出了不少控制措施，解决了感应电带来的部分问题[17-23]。但关于500 kV/220 kV混压同塔四回输电线路的感应电压、感应电流对检修线路接地开关的选型技术要求，目前的研究和建议缺少较全面的系统性分析，对现场工作指导性不足。本文从现场实际情况出发，使用电磁暂态仿真程序ATP-EMTP，根据500 kV换顺线(江门换流站至顺德站)-220 kV顺吉线(顺德站至吉安站)同塔四回输电线路实际运行方式，计算500 kV换顺甲乙线和220 kV顺吉甲乙线在不同运行方式下，停电检修线路的感应电压和感应电流，依据计算结果对500 kV顺德站和220 kV吉安站站内线路接地开关改造参数选择提出建议，并对接地开关改造方案进行比较，以确定最优方案。

1 500 kV换顺线-220 kV顺吉线四回线路架设方案及相序排列方式

1.1 线路路径情况

500 kV换顺双回线经过经济发展水平较高的广东省佛山市顺德区和江门市滨江新区，线路路径受地方规划限制较大，根据佛山市顺德区政府意见，对220 kV线路走廊进行500 kV/220 kV混压同塔四回改造，500 kV换顺双回线沿线与220 kV顺吉双回线、220 kV南雁双回线以及110 kV吉开双回线有3处混压四回共塔，如图1所示。220 kV顺吉线全长17.698 km，其中与500 kV换顺线同塔四回架设长度为17.401 km，占总线路长度的98%。

图1 500 kV换顺线路径Fig.1 Route from 500 kV Jiangmen to Shunde converter stations

1.2 500 kV换顺线-220 kV顺吉线四回线路相序排列方式

500 kV换顺线-220 kV顺吉线同塔四回输电线路普通段采用典型的垂直排列双回路杆塔，如图2所示。500 kV换顺双回线导线每相采用4xJL/LB1A-720/50型铝包钢芯铝绞线，导线外径为36.20 mm，直流电阻为0.039 Ω/km，分裂间距为500 mm；220 kV顺吉双回线导线每相采用2xJL/LB1A-630/45型铝包钢芯铝绞线，导线外径为33.60 mm，直流电阻为0.046 Ω/km，分裂间距为400 mm；双回路段挂1根48芯的光纤复合架空地线(optical fibre composite overhead ground wire，OPGW)，与其分流的普通地线采用JLB40-150型铝包钢绞线，导线外径为15.75 mm，直流电阻为0.295 Ω/km；四回路段挂2根48芯的OPGW。

图2 500 kV/220 kV混压同塔四回输电线路塔型Fig.2 Tower type diagram of 500 kV/220 kV four-loop mixed voltage transmission line with one tower

2 500 kV换顺线-220 kV顺吉线感应电压与感应电流计算

同塔多回输电线路需要考虑电气不平衡的问题，电气不平衡涉及零序电压、电流指标和负序电压、电流指标，改善线路不平衡的问题应综合考虑各项指标。本500 kV换顺线-220 kV顺吉线同塔四回输电线路工程已综合考虑了相序排列、同塔长度、土壤电阻率、回路间距及其他因素对电气不平衡的影响，并已经完成了此输电线路工程的建设。在此基础上，本文分析研究500 kV换顺线-220 kV顺吉线同塔四回输电线路在不同运行方式下，检修线路上产生感应电压和感应电流的特征[1-14]。感应电压、感应电流的理论计算一般采用广义欧姆定律进行计算；但在不同运行方式下，对同塔多回路感应电压、感应电流采用理论公式进行计算较为困难，因此，对500 kV换顺线-220 kV顺吉线同塔四回线路进行仿真计算，计算模型如图3所示。

图3 仿真计算模型Fig.3 Simulation calculation model

输电线路主力塔型、导地线空间位置和相序如图4所示，图4的导地线对地距离均为导地线平均高度，分别以500 kV换流站至500 kV顺德站、500 kV顺德站至220 kV吉安站为线路的前进方向。线路未加装高压并联电抗器和中性点小电抗，线路采用π型电路模型，变电站接地网的电阻取0.5 Ω，导线输送电流取0.9 A/mm2，负荷端的功率因数取0.9。为便于对不同电压等级的同塔多回线路进行比较，线路长度均取17 km。计算结果均为稳态值。

图4 典型塔型、导地线平均高度及相序布置Fig.4 Schematic diagram of typical tower type, average height of ground wire and phase sequence arrangement

500 kV换顺双回线正常运行送2×2 000 MW潮流、220 kV顺吉双回线正常运行送2×400 MW潮流时，系统的等值参数和等值阻抗见表1；500 kV换顺双回线“N-1”工况送1×3 600 MW潮流、220 kV顺吉双回线“N-1”工况送1×750 MW潮流时，系统的等值参数和等值阻抗见表2。表1、表2中，R0、X0分别为系统零序等值电阻和零序等值电抗，R1、X1分别为系统正序等值电阻和正序等值电抗。

利用ATP-EMTP建立输电线路模型[17-20]，输入完整的线路参数、电源参数(包括幅值和相角)、

表1 系统等值参数和等值阻抗(正常运行)Tab.1 Equivalent parameters and equivalent impedance of the system (in normal operation)

表2 系统等值参数和等值阻抗(“N-1”工况)Tab.2 Equivalent parameters and equivalent impedance of the system (under “N-1” condition)

系统等值阻抗(包括零序和正序短路阻抗)、网络连接关系及相关计算控制参数设置等进行计算。

2.1 换顺线感应电压和感应电流

计算500 kV换顺甲线或乙线在规划潮流下(“N-1”工况时送1×3 600 MW，220 kV顺吉线双回路正常运行时送2×400 MW，“N-1”工况时送1×750 MW，220 kV顺吉线双回路均停运)的感应电压和感应电流值，见表3至表8。

表3 换顺甲线感应电压、感应电流计算值1Tab.3 Calculated values 1 of induced voltage and induced current of line A from Jiangmen to Shunde converter stations

表4 换顺乙线感应电压、感应电流计算值1Tab.4 Calculated values 1 of induced voltage and induced current of line B from Jiangmen to Shunde converter stations

表5 换顺甲线感应电压、感应电流计算值2Tab.5 Calculated values 2 of induced voltage and induced current of line A from Jiangmen converter station to Shunde

表6 换顺乙线感应电压、感应电流计算值2Tab.6 Calculated values 2 of induced voltage and induced current of line B from Jiangmen converter station to Shunde

表7 换顺甲线感应电压、感应电流计算值3Tab.7 Calculated values 3 of induced voltage and induced current of line A from Jiangmen to Shunde converter stations

表8 换顺乙线感应电压、感应电流计算值3Tab.8 Calculated values 3 of induced voltage and induced current of line B from Jiangmen to Shunde converter stations

由表3至表8计算结果可知，各种运行方式下，500 kV换顺线三相静电感应电压最大为15.2 kV，电磁耦合感应电压最高为6.5 kV，静电感应电流最高为8.1 A，电磁感应电流最高为205.6 A。220 kV顺吉线双回运行、单回运行、双回停运的运行方式下，运行线路对500 kV换顺甲乙线的检修线路感应电压、感应电流的影响较小。

2.2 顺吉线感应电压和感应电流

计算220 kV顺吉甲乙线在规划潮流下(500 kV换顺线双回正常运行时送2×2 000 MW，“N-1”工况时送1×3 600 MW，500 kV换顺线双回停运，220 kV顺吉线“N-1”工况时送1×750 MW)感应电压和感应电流值，见表9至表14。

由表9至表14计算结果可知，500 kV换顺线双回运行、单回运行对220 kV顺吉甲乙线的检修感应电压、感应电流的影响很大。尤其在500 kV

表9 顺吉甲线感应电压、感应电流计算值1Tab.9 Calculation values 1 of induced voltage and induced current of line A from Shunde to Ji’an converter stations

表10 顺吉乙线感应电压、感应电流计算值1Tab.10 Calculated values 1 of induced voltage and induced current of line B from Shunde to Ji’an converter stations

表11 顺吉甲线感应电压、感应电流计算值2Tab.11 Calculation values 2 of induced voltage and induced current of line A from Shunde to Ji’an converter station

表12 顺吉乙线感应电压、感应电流计算值2Tab.12 Calculated values 2 of induced voltage and induced current of line B from Shunde to Ji’an converter stations

表13 顺吉甲线感应电压、感应电流计算值3Tab.13 Calculation values 3 of induced voltage and induced current of line A from Shunde to Ji’an converter stations

表14 顺吉乙线感应电压、感应电流计算值3Tab.14 Calculated values 3 of induced voltage and induced current of line B from Shunde to Ji’an converter stations

换顺线“N-1”工况运行方式下，运行线路对220 kV顺吉甲乙线的检修线路感应电压、感应电流的影响更大，顺吉线三相静电感应电压最大为67.09 kV，电磁耦合感应电压最高为5.96 kV；静电感应电流最高为3.99 A，电磁感应电流最高为492.99 A。

2.3 线路接地开关参数选择

通过以上仿真计算分析可知：静电感应分量基本不随运行电流变化(500 kV线路双回停运除外)，电磁感应分量随运行电流增大不断增大，呈正比例关系；500 kV线路运行电流变化对220 kV检修线路中产生的感应电压、感应电流影响较大，220 kV线路运行电流变化对500 kV检修线路的影响较小，即高电压等级线路对低电压等级线路的影响较大。500 kV单回线路运行比双回线路运行对220 kV停电线路的电磁感应电流的影响更大，且远大于相关标准中规定的标准值，因此必须对500 kV顺德站和220 kV吉安站站内线路接地开关进行改造，选择参数满足要求的接地开关。表15给出了相关标准的A类和B类接地开关的额定参考值。

表15 接地开关额定感应电压和额定感应电流的标准值Tab.15 Standard values of rated induced current and rated induced voltage of grounding switches

由于500 kV换顺线-220 kV顺吉线同塔四回线路的接地开关需要承受的感应电压和感应电流远远大于表15中的标准值，需要对线路接地开关的参数提出具体要求[21-22]。

考虑留有一定裕度，建议500 kV换顺线的接地开关参数满足如下要求：①静电耦合感应电压为50 kV；②电磁耦合感应电压20 kV；③静电耦合感应电流25 A；④电磁耦合感应电流300 A。

建议220 kV顺吉线的接地开关参数满足如下要求：①静电耦合感应电压为100 kV；②电磁耦合感应电压20 kV；③静电耦合感应电流25 A；④电磁耦合感应电流600 A。

3 顺德站—吉安站线路接地开关改造

3.1 顺德站—吉安站线路接地开关现状分析

顺德站500 kV线路原有B类接地开关为平高东芝气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，GIS)/HGIS类型接地开关，其静电耦合感应电压为50 kV，静电耦合感应电流为50 A，电磁耦合感应电压为40 kV，电磁耦合感应电流为700 A，满足500 kV换顺甲乙线接地开关的参数要求。

顺德站220 kV线路原有B类接地开关为山东鲁能恩翼帕瓦电机有限公司生产的户外GIS接地开关，其静电耦合感应电压为50 kV，静电耦合感应电流为25 A，电磁耦合感应电压为20 kV，电磁耦合感应电流为300 A，不能满足220 kV顺吉甲乙线接地开关的参数要求，需要进行改造。

吉安站220 kV线路原有接地开关类型是泰开电气有限公司生产的户外GIS接地开关，也不满足要求，需要进行改造。

3.2 顺德站—吉安站两侧均进行改造的方案

旧站改造首先考虑原厂设备改造，有困难再考虑采用他厂设备。由于顺德站—吉安站均为户外GIS设备，对GIS接地开关改造可采取方案有3种：方案1——拆除站内线路TYD型电容式电压互感器(capacitance type voltage transformer，CVT)(A相)及其基础，在原CVT位置加装1组敞开式接地开关，原线路CVT重新安装在GIS出线终端A相套管边上，接地开关及CVT基础新建；方案2——更换GIS出线间隔线路侧快速接地开关；方案3——更换GIS出线间隔。

运维单位、设计单位、设备厂家对以上3种方案的安全性、可行性和经济性评估如下：

a)安全性方面：方案2、方案3不改变原有接线形式，方案1同时存在2组接地开关，需完善防误操作措施。安全性方案2、方案3优于方案1。

b)经济性方面：方案2、方案3均涉及GIS设备改造，方案2的经济性优于方案3，但由于原厂家原因，方案2不可行；方案3更换GIS出线间隔需要总经费达68万元(需要单一来源谈判招标，GIS设备费51万元，施工安装费17万元)；方案1拆除站内线路CVT(A相)及其基础需要费用0.85万元，1组敞开式接地开关设备需要费用1.8万元(包安装)，接地开关及CVT基础新建需要费用0.55万元；方案2、方案3经济性不如方案1。

c)可行性方面：经厂家确认方案2不可行，方案3可行但费用很高，方案1较容易实现。方案1可行性优于方案2、方案3。

d)经综合比较，推荐采用方案1。

220 kV吉安站的220 kV配电装置为泰开电气有限公司生产的户外GIS接地开关。220 kV顺吉甲乙线电磁感应电流最大为492.99 A(5.96 kV)，静电感应电压最大为66.97 kV(3.99 A)，拆除站内线路CVT(A相)及其基础，在原CVT位置加装1组敞开式超B类接地开关，原线路CVT重新安装在GIS出线终端A相套管边上，接地开关及CVT基础新建。

500 kV顺德站的220 kV配电装置为山东鲁能恩翼帕瓦电机有限公司生产的户外GIS接地开关，且220 kV吉安甲乙线避雷器及CVT(A相)在GIS内部。220 kV顺吉甲乙线电磁感应电流最大为491.73 A(5.96 kV)，静电感应电压最大为67.09 kV(3.99 A)，在距220 kV吉安甲乙线出线终端套管1.5 m处加装1组超B类接地开关，其基础新建。

3.3 顺德站—吉安站单侧进行改造的方案

由于旧站原设备改造存有许多困难(尤其是GIS设备的改造)，并考虑到500 kV换顺线与220 kV顺吉线同时停电检修的几率非常小，所以讨论采用500 kV双回线路限值运行方式时的接地开关能承受220 kV顺吉线任一回停运的感应电压和感应电流，但必须规定两侧接地开关的操作顺序。

如限制500 kV换顺线双回正常运行送2×2 000 MW时的220 kV顺吉线任一回停电检修，超B类接地开关(静电感应电压100 kV、静电感应电流25 A，电磁感应电压20 kV、电磁感应电流600 A)能承受表9、10中的电磁感应电流和静电感应电压，则可通过严格规定两侧接地开关的操作顺序来实现只改造线路一侧的接地开关，这样既经济又安全且可行。由于吉安站比顺德站改造方便，只改造吉安站线路侧的接地开关，在满足表16的条件下，必须严格规定两侧接地开关的操作顺序。

表16 吉安站改造的超B类接地开关须满足的条件Tab.16 Conditions for the modified super class B grounding switches in Ji’an station

a)顺吉甲乙线任一待检修线路退出运行的操作顺序如图5所示。

图5 顺吉甲乙线任一待检修线路退出运行操作顺序Fig.5 Operation sequence diagram of overhaul and withdrawal of any lines A and B from Shunde to Ji’an converter station

①状态1：顺吉甲乙线任一待检修线路两侧接地开关等待合闸。此时吉安站侧超B类接地开关承受静电感应电压、感应电流和电磁感应电压、感应电流的能力满足要求，顺德站侧B类接地开关承受静电感应电压的能力不满足要求，先合上吉安站侧超B类接地开关。

②状态2：顺吉甲乙线任一待检修线路顺德站侧B类接地开关等待合闸。此时顺德站侧B类接地开关承受电磁感应电压和电磁感应电流的能力满足要求，再合上顺德站侧B类接地开关。

③状态3：顺吉甲乙任一待检修线路两端接地，退出运行。

b)顺吉甲乙任一检修线路投入运行时的操作顺序及图解如图6所示。

图6 顺吉甲乙线任一检修线路投入运行操作顺序Fig.6 Operation sequence diagram of any maintenance lines A and B from from Shunde to Ji’an converter station

①状态1：顺吉甲乙线任一检修线路两侧接地开关等待分闸。此时顺德站侧B类接地开关承受电磁感应电流和电磁感应电压的能力满足要求，先打开顺德站侧B类接地开关。

②状态2：顺吉甲乙线任一检修线路吉安站侧超B类接地开关等待分闸。此时吉安站侧超B类接地开关承受静电感应电流和静电感应电压的能力满足要求，再打开吉安站侧超B类接地开关。

③状态3：顺吉甲乙线任一检修线路投入运行。

4 结束语

a)通过对顺德站—吉安站500 kV/220 kV混压同塔四回输电线路检修线路的感应电压、感应电流仿真分析可知：500 kV线路运行电流变化对220 kV检修线路产生的感应电压、感应电流影响较大，而220 kV线路运行电流变化对500 kV检修线路的影响较小；500 kV单回线路运行比双回线路运行对220 kV停电线路的电磁感应电流的影响更大。

b)旧站改造首先考虑原厂设备改造，改造措施有GIS接地开关改造、敞开式接地开关改造和加装超B类接地开关3种，顺德站—吉安站220 kV线路均为GIS接地开关，原厂家改造接地开关有困难，所以采用在两侧加装敞开式超B类接地开关的方法。

c)旧站原GIS设备改造存在很大困难，且500 kV换顺甲乙线与220 kV顺吉甲乙线同时停电检修的几率非常小，所以500 kV双回线路限值运行时，可通过严格规定接地开关操作顺序来实现只改造线路一侧的接地开关。由于吉安站比顺德站改造方便，只在吉安站侧加装超B类接地开关，顺德站侧采用原接地开关，但必须严格规定两侧接地开关的操作顺序。

d)220 kV顺吉甲乙线任一线路停电检修时，假设500 kV换顺线双回运行出现故障单回跳闸且重合闸失败，则检修的220 kV线路将无法承受超过B类的感应电压、感应电流，此时顺德站侧的B类接地开关将不满足开合感应电压、感应电流的要求。因此，在进行旧站原设备改造时，在充分考虑经济性和可行性时，应改造两侧的接地开关，确保任何情况下的安全性。

e)单侧改造方法已成功应用在肇庆—佛山500 kV线路中的蝶岭—沧江段，由于蝶岭站线路侧接地开关承受线路感应电压、感应电流能力不满足要求，在线路转检修操作时，必须先合沧江站侧线路接地开关，再合蝶岭站侧线路接地开关；在线路转投运操作时，则先打开蝶岭站侧线路接地开关，再打开沧江站侧线路接地开关，按此操作顺序确实解决了感应电流和感应电压过大的问题。