胡 科， 陳國初

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 201306)

國內(nèi)500 kV及以上電壓等級輸電線路避雷線普遍采用2根地線對稱架設(shè)的方式，1根為光纖復(fù)合架空地線(Optical Power Grounded Waveguide，OPGW)和1根為普通地線(GJ地線)。為了保證線路運(yùn)行的可靠性，OPGW普遍采用逐塔接地的運(yùn)行方式，普通地線采用分段絕緣、一點(diǎn)接地方式。目前，我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各產(chǎn)業(yè)用電需求逐年增加，輸送容量和電壓等級也在增大，雖然地線損耗在線路總損耗所占比例不大，但其損失的電能總量也是不可忽視的一部分[1]，導(dǎo)致運(yùn)營成本越來越高。

目前，對在不同地線接地方式下地線損耗的研究有很多。文獻(xiàn)[2]中提出了OPGW換位和普通地線分段絕緣的地線連接方式，并比較了不同接地方式下的地線損耗。文獻(xiàn)[3]中計算了架空輸電地線在不同接地方式下線路的零序參數(shù)，并討論了大地電特性和架空地線電特性對輸電線路零序參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[4]中利用仿真軟件計算了同塔雙回輸電線路在不同換位線路情況下的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流。文獻(xiàn)[5]中計算了國內(nèi)不同電壓等級輸電線路地線損耗，比較了國內(nèi)、外地線損耗的大小，但OPGW的線損耗問題未能解決。文獻(xiàn)[6]中計算了同塔雙回接地線路普通地線分段絕緣、一點(diǎn)接地和OPGW逐基接地的地線損耗，提出了OPGW經(jīng)導(dǎo)弧間隙接地的方式。目前，雖然對不同地線接地方式下地線損耗的研究已較為成熟，但考慮不同導(dǎo)線排列方式對地線能量損耗的影響的研究尚顯不足。

本文在我國已有500 kV緊湊型架空輸電線路設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合已制定的超高壓架空接地技術(shù)新標(biāo)準(zhǔn)，采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)軟件建立500 kV緊湊型架空輸電線路模型，對可能采用的導(dǎo)線排列方式(倒三角、正三角、平行)下地線的感應(yīng)電壓、感應(yīng)環(huán)流以及能量損耗進(jìn)行了計算，并提出了相關(guān)建議。

1 計算原理

1.1 地線損耗產(chǎn)生的原因

電路正常運(yùn)行時，三相導(dǎo)線與兩根地線的空間位置是不對稱的，但地線上仍然會同時存在電磁和靜電感應(yīng)分量，即產(chǎn)生感應(yīng)電壓；當(dāng)?shù)鼐€與大地之間導(dǎo)通時，就會產(chǎn)生電流，引起架空地線電能損耗[7-9]。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，在地線上會出現(xiàn)一定的感應(yīng)電壓，此時若地線與大地形成回路，就會形成環(huán)流，從而造成大量的電能損耗?，F(xiàn)假設(shè)Ⅱ回路為發(fā)生故障的檢修線路，檢修線路的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流如圖1所示。圖中，CAa,CBa,CCa和MAa,MBa,MCa分別為I回線路對 II回線路a相單位長度的相間電容和互感；C0為II回檢修線路中a相導(dǎo)線單位長度的對地電容。

圖1 同塔雙回線路感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流示意圖

1.1.1 靜電感應(yīng)電流 靜電感應(yīng)電流是由導(dǎo)線和地線之間的耦合電容引起的[10-12]。根據(jù)麥克斯韋方程，導(dǎo)線和地線均不換位時可得到

φ=pq,i=jωCφ

(1)

式(1)中，當(dāng)?shù)鼐€絕緣和地線接地時，地線的電荷和電位均為0，因此，可利用式(1)求出q或φ，再根據(jù)式(2)求出地線靜電感應(yīng)電流。

1.1.2 電磁感應(yīng)電流 地線電磁感應(yīng)電流可通過電磁感應(yīng)矩陣求得，即

U=ZI

(2)

式中:U為電壓矩陣；Z為導(dǎo)、地線全阻抗矩陣；I為導(dǎo)線負(fù)荷電流及地線感應(yīng)電流。

為求得地線電磁感應(yīng)電流，在計算時可令地線感應(yīng)電壓U1，U2為零。線路的長度、負(fù)荷電流及導(dǎo)線的排列方式都會影響電磁感應(yīng)電流的大小[13-15]。OPGW上的電能損耗主要由感應(yīng)電流和地線電暈兩方面引起[16-17]。

1.2 地線功率損耗的計算

在計算地線回路功率損耗時，可設(shè)電源輸出有功功率為Ps，負(fù)荷消耗有功功率為P1，相導(dǎo)線消耗有功功率為Pp，地線與大地回路的損耗為Pg，則

式中:l為線路長度；r1為相導(dǎo)線單位電阻長度；Ip為相導(dǎo)線中的電流。由于相導(dǎo)線首末端電流Is、Ir不等，故Ip取相導(dǎo)線首末端電流的平均值，即

(5)

(6)

2 計算模型

2.1 線路模型

本文模型中的線路為同塔雙回線路，起始電壓550 kV，為額定電壓的110%，線路全長15 km且不換位，線路中間地線分30盤，每盤0.5 km。線路導(dǎo)線采用6XJL/G1A-300/40 鋼芯鋁絞線，2根地線中1根為OPGW，1根為JLB40-150的GJ地線。GJ地線采用分段絕緣、首端接地；OPGW采用逐塔接地。導(dǎo)線參數(shù)如表1所示。

表1 導(dǎo)線參數(shù)

導(dǎo)線弧垂取10 m，沿線桿塔接地電阻均為5 Ω，大地電阻率為500 Ω·m。模型采用某條緊湊型架空輸電線路，其參數(shù)及布置見下圖2所示。

2.2 導(dǎo)線排列模型

目前，國內(nèi)的緊湊型架空線路導(dǎo)線排布大多采用倒等三角形分布，500 kV交流輸電線路導(dǎo)線排布主要可以分為倒三角形排列、正三角形排列、水平排列3種形式[10]，它們的排列結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 同塔雙回排列示意圖 (m)

(a) 倒三角排列

(b) 正三角排列

本文研究這3種導(dǎo)線排列方式下的感應(yīng)電流、電壓和地線損耗。

2.3 仿真模型

利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)軟件建立500kV架空地線仿真模型，其中，架空線路中LCC模塊包括大地電阻率、相序、線路長度、導(dǎo)線型號、塔桿幾何尺寸等參數(shù)見2.1。仿真模型如圖4所示,PI為ATPDraw中的線路模型之一，一般用于短線路。

圖4 某線路ATP-EMTP模型

3 仿真計算

對于同塔雙回輸電線路，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，通常采用Ⅰ回運(yùn)行、Ⅱ回停運(yùn)的方式進(jìn)行檢修，以減小停電范圍。本文利用仿真模型分別計算雙回線路在系統(tǒng)正常雙回運(yùn)行、Ⅰ回運(yùn)行Ⅱ回停運(yùn)情況下，不同導(dǎo)線排列方式的感應(yīng)電流、電壓和地線損耗；并根據(jù)沿線各電量分布的最大值獲取其分布規(guī)律，綜合比較每種導(dǎo)線排列方式下的大地電能大小。

3.1 系統(tǒng)正常雙回運(yùn)行

3.1.1 不同導(dǎo)線排列方式下感應(yīng)電量比較 表2所示為該系統(tǒng)正常雙回運(yùn)行下，不同導(dǎo)線排列方式下OPGW和GJ地線上感應(yīng)電量最大值。

表2 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)雙回正常運(yùn)行時GJ,OPGW上感應(yīng)電量的最大值

由表2可見，在其他條件相同的情況下，① 當(dāng)導(dǎo)線倒三角排列時，GJ地線感應(yīng)電壓比OPGW略大，且在3種排列方式中感應(yīng)電壓最大；當(dāng)導(dǎo)線正三角排列方式時，OPGW感應(yīng)電壓約為GJ地線的165.82%；當(dāng)導(dǎo)線水平排列時，OPGW和GJ地線的感應(yīng)電壓數(shù)值較接近，且都在3種排列方式中最小。② 在導(dǎo)線水平排列下，OPGW的感應(yīng)環(huán)流最小；在導(dǎo)線正三角排列下，GJ地線的感應(yīng)環(huán)流最小。③ 當(dāng)導(dǎo)線水平排列時，接地?fù)p耗為115.99 W，是3種排列方式中損耗最低的；倒三角形排列的損耗最大，為1 928.78 W，約為水平排列方式的166%。

由于GJ地線采用分段絕緣、一點(diǎn)接地的方式，產(chǎn)生的地線電流為容性感應(yīng)電流，故GJ地線的電流很小。

由上述分析可得，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)雙回方式正常運(yùn)行時，采用導(dǎo)線水平排列方式，地線的損耗更小，故推薦使用。

3.1.2 不同導(dǎo)線排列方式下沿線電量分布 圖5所示為系統(tǒng)雙回運(yùn)行方式時，不同導(dǎo)線排列方式下OPGW的電流幅值變化情況。

圖5 系統(tǒng)雙回穩(wěn)定運(yùn)行時，OPGW感應(yīng)環(huán)流沿線分布

由圖可見，在3種導(dǎo)線排列方式下，它們的感應(yīng)環(huán)流都呈現(xiàn)“n”型，在線路的首、末兩端，OPGW的感應(yīng)環(huán)流較小。這是由于OPGW逐塔接地，桿塔塔身、接地電阻流過的環(huán)流是由相鄰網(wǎng)孔電流方向相反的環(huán)流構(gòu)成。隨著塔桿段號的增加，OPGW的感應(yīng)環(huán)流先增大，在線路的中路，其感應(yīng)環(huán)流保持穩(wěn)定，到線路的后段又減小到近似初始值的位置。在導(dǎo)線的3種排列方式中，當(dāng)導(dǎo)線水平排列時，OPGW的感應(yīng)環(huán)流在整個線路中變化最小，且感應(yīng)環(huán)流的值也是3種方式中最小的，因此，其地線電能損耗也是3種排列方式中最低的。

3.2 系統(tǒng)Ⅰ回運(yùn)行、Ⅱ回停運(yùn)的方式

3.2.1 不同導(dǎo)線排列方式下感應(yīng)電量比較 表3所示為系統(tǒng)Ⅰ回運(yùn)行、Ⅱ回停運(yùn)方式下，不同導(dǎo)線排列方式下OPGW和GJ上的感應(yīng)電流的最大值。

由表可見，在該方式運(yùn)行時，OPGW上感應(yīng)電壓從大到小對應(yīng)的導(dǎo)線排列方式如下：正三角排列>倒三角排列>水平排列；地線上功率損耗從大到小對應(yīng)的導(dǎo)線排列方式如下：倒三角排列>正三角排列>水平排列。若導(dǎo)線水平排列，OPGW上的最大感應(yīng)環(huán)流為7.13 V，遠(yuǎn)小于其他2種排列方式，其地線損耗約為導(dǎo)線倒三角形排列時的1/14。盡管導(dǎo)線倒三角形排列是國內(nèi)常用的導(dǎo)線排列方式，但是，從減小地線損耗的角度來看，地線排列的方式應(yīng)該選擇導(dǎo)線水平排列方式。

表3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)Ⅰ回運(yùn)行、Ⅱ回停運(yùn)時GJ,OPGW上感應(yīng)電量的最大值

3.2.2 不同導(dǎo)線排列方式下沿線電量分布 圖6所示為系統(tǒng)Ⅰ回運(yùn)行、Ⅱ回停運(yùn)時，不同導(dǎo)線排列方式下OPGW的感應(yīng)環(huán)流變化情況。

圖6 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)Ⅰ回運(yùn)行、Ⅱ回停運(yùn)方式時OPGW感應(yīng)環(huán)流沿線分布

由圖可見，總體上，導(dǎo)線在不同排列方式下，OPGW的感應(yīng)環(huán)流也呈現(xiàn)為“n”型變化；與系統(tǒng)雙回運(yùn)行時相比，導(dǎo)線在倒三角和正三角排列方式下，OPGW的感應(yīng)環(huán)流變化幅度均有所減少。在導(dǎo)線的3種排列方式中，導(dǎo)線倒三角排列下的OPGW感應(yīng)環(huán)流變化的幅度最大；導(dǎo)線水平排列方式下的OPGW感應(yīng)環(huán)流變化的幅值最小，且其感應(yīng)環(huán)流小于另外兩種排列方式，因此，其地線損耗也小于另外2種排列方式。

由于實(shí)驗(yàn)所得GJ地線的地線環(huán)流值較小，對地線總損耗的影響不大，故本文不再對GJ地線的感應(yīng)環(huán)流及損耗進(jìn)行研究。

4 結(jié) 論

文中以500 kV緊湊型同塔雙回輸電線路為背景，利用ATP-EMTP軟件建立了500kV架空地線仿真，分別計算了導(dǎo)線在倒三角、正三角、水平排列方式下的感應(yīng)電壓、感應(yīng)環(huán)流和地線損耗以及電量沿線分布情況，并進(jìn)行了分析比較。得出如下結(jié)論：

(1) 若導(dǎo)線采用倒三角形排列方式，感應(yīng)環(huán)流和功率損耗均為最大，不建議采用。

(2) 在系統(tǒng)Ⅰ回運(yùn)行、Ⅱ回停運(yùn)方式下，3種導(dǎo)線排列方式的感應(yīng)環(huán)流、感應(yīng)電壓和地線損耗均小于系統(tǒng)雙回穩(wěn)定運(yùn)行時。

(3) 導(dǎo)線在3種排列方式下，沿線OPGW的感應(yīng)電流均呈現(xiàn)“n”型分布，該感應(yīng)環(huán)流主要是由相鄰網(wǎng)孔電流方向相反的環(huán)流構(gòu)成。導(dǎo)線水平排列下的感應(yīng)環(huán)流變化最小。

(4) 無論在系統(tǒng)雙回運(yùn)行，還是Ⅰ回運(yùn)行、Ⅱ回停運(yùn)方式下，導(dǎo)線水平排列下的感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓和地線損耗均為3種排列方式中最小，該導(dǎo)線排列方式可作為今后線路設(shè)計的參考。

[1] 劉凱，吳田，施榮，等．750kV輸電線路光纖復(fù)合架空地線損耗分析 [J]．高電壓技術(shù)，2011，37(2)：497-504．

[2] 李本良，袁兆祥，惠旭，等．降低高壓交流輸電線路地線損耗的運(yùn)行方式 [J]．電網(wǎng)技術(shù)，2011,35(3)：98-102．

[3] 劉博，盧明，呂中賓，等. 同塔雙回輸電線路零序阻抗的測量及分析 [J].高壓電器，2011，47(8)：108-111，116.

[4] 曾林平，張鵬，馮玉昌，等. 750kV線路架空地線感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流仿真計算 [J].電網(wǎng)與清潔能源，2008,24(6):21-23.

[5] 周響凌.OPGW與輸電線路損耗之間的關(guān)系探討 [J].電力系統(tǒng)通信，2001，22 (6): 14-16.

[6] 胡毅，劉凱.輸電線路OPGW接地方式的分析研究 [J].高電壓技術(shù)，2008，34(9)：1885-1888.

[7] 傅賓蘭. 光纖復(fù)合架空地線OPGW 運(yùn)行狀況和防雷 [J].中國電力，2005，38(10)：29-33.

[8] 劉凱． 某超高壓線路OPGW 斷股原因試驗(yàn)與分析 [J]．高壓電器，2010，46(6)：79-82．

[9] 陳潔，郭潔，崔龍躍，等． 330 kV OPGW 感應(yīng)電壓分布計算和影響因素研究 [J]． 高壓電器，2014，50(5)：93-98．

[10] 李振強(qiáng)，戴敏，婁穎，等． 特高壓線路地線布置方式對地線電能損耗及潛供電流的影響 [J]． 電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(2)：24-28．

[11] 胡丹暉，涂彩琪，蔣偉，等.500 kV同桿并架線路感應(yīng)電壓和電流的計算分析 [J]. 高電壓技術(shù)，2008,34(9):1927-1931.

[12] 張亞婷，高博，施圍． 750 kV 輸電線路架空地線損耗的影響因素及降低方法研究 [J]． 電瓷避雷器，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，夏成軍，杜天蒼，等. OPGW雷擊破壞的數(shù)值分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J]. 高壓電器，2010, 46(6):50-54,59.

[16] 曹佩榮，孟濤，宋愛成，等. 對我國特高壓電網(wǎng)中OPGW應(yīng)用問題的探討 [J].電力建設(shè)，2007, 28(6):1-7.

[17] 黃旭峰. 光纖復(fù)合架空地線接地力式的改進(jìn) [J].高電壓技術(shù)，2010，36(2):356-364.