1 000kV 同塔雙回線路地線感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流計(jì)算分析

郭志濤

（海南電力設(shè)計(jì)研究院，海南 海口570100）

0 引言

架空輸電線路沿線架設(shè)地線是高壓輸電線路最基本的防雷措施，其主要作用為防止雷直擊導(dǎo)線。一般地線至各相導(dǎo)線的距離是不相等的，導(dǎo)致地線與各相導(dǎo)線之間的互感也不一樣，盡管各相導(dǎo)線上的負(fù)荷電流平衡，但在地線上仍然要感應(yīng)出一個(gè)縱電動(dòng)勢。如果地線逐基接地，與大地形成一個(gè)回路，則在地線上就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，其結(jié)果就是增加了線路的電能損失。

1 000kV 線路的架空地線通常一根采用普通地線絕緣運(yùn)行，另一根采用OPGW 光纜接地運(yùn)行。普通地線一端接地，另一端絕緣，在普通地線上會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。OPGW 光纜逐基接地，在OPGW 光纜上會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流。

為此，本文以1 000kV 同塔雙回線路為研究對象，利用ATP－EMTP程序計(jì)算分析同塔雙回線路地線感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，并對導(dǎo)地線距離、接地電阻、耐張段長度、輸送容量、單回運(yùn)行等影響因素進(jìn)行分析。

1 計(jì)算條件

1.1 計(jì)算參數(shù)

本工程系統(tǒng)額定電壓1 000kV，系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓1 100kV；系統(tǒng)輸送功率6 000MW，極限輸送功率12 000MW；功率因數(shù)0.95；導(dǎo)線型號(hào)為8×JL/G1A－630/45，導(dǎo)線相序排列方式為逆相序；地線型號(hào)：一根普通地線為LBGJ－240－20AC，另一根OPGW 光纜為OPGW－240；絕緣子串長取11m；桿塔呼高取57m；對地距離取22m；導(dǎo)線弧垂24 m，地線弧垂17 m；土壤電阻率取500Ω·m；桿塔接地電阻15Ω。

1.2 桿塔型式

在本文的計(jì)算中，采用導(dǎo)線垂直排列方式的傘型塔的塔頭尺寸作為計(jì)算條件，塔頭尺寸如圖1所示。

2 計(jì)算方法

本文研究采用國際上通用的電力系統(tǒng)分析軟件ATPEMTP對1 000kV 線路架空地線的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流進(jìn)行計(jì)算分析。每個(gè)耐張段長度為5km，每檔檔距為500 m，每個(gè)耐張段內(nèi)有11 基鐵塔（含兩端的耐張塔），連續(xù)7 個(gè)5km長耐張段，對于普通地線絕緣運(yùn)行，在每個(gè)耐張段的第一基鐵塔上接地，其余鐵塔絕緣，OPGW 光纜逐基接地，計(jì)算普通地線和OPGW 上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。考慮到耐張段較多，本文計(jì)算取線路中間第4 個(gè)耐張段的計(jì)算結(jié)果來代表實(shí)際線路的情況，計(jì)算結(jié)果中的電壓、電流均為峰值。

圖1 雙回路I串塔型

3 感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的計(jì)算與分析

3.1 感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流計(jì)算

保持計(jì)算用系統(tǒng)參數(shù)和塔頭尺寸不變，計(jì)算第4 個(gè)耐張段普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 感應(yīng)電流，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流

由表1 可以看出，由于普通地線在一個(gè)耐張段內(nèi)一端接地，因此其靜電感應(yīng)電壓分量接近于0；受導(dǎo)線上電流的影響，地線上產(chǎn)生電磁感應(yīng)電壓，而且其幅值與距接地點(diǎn)的長度呈正比關(guān)系。

由于OPGW 光纜逐基接地，形成閉合回路后，將會(huì)在OPGW 光纜上產(chǎn)生電磁感應(yīng)電流，根據(jù)結(jié)算結(jié)果，其幅值遠(yuǎn)大于靜電感應(yīng)電流，可達(dá)133A 左右。如果地線上的電流增加，則在地線上的損耗也將相應(yīng)地增加。

3.2 導(dǎo)地線間距離對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響

保持計(jì)算用系統(tǒng)參數(shù)和塔頭尺寸不變，僅改變導(dǎo)地線間距離，計(jì)算第4個(gè)耐張段普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流的最大值，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同導(dǎo)地線間距離下普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流

由計(jì)算結(jié)果可知，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流均隨著導(dǎo)地線間距離的增大而減小。比如導(dǎo)地線間距離由22m 增加到23m，普通地線感應(yīng)電壓減少48.1V，減幅為5%；OPGW 地線感應(yīng)電流減少4.4A，減幅為3%。

3.3 桿塔接地電阻對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響

保持計(jì)算用系統(tǒng)參數(shù)和塔頭尺寸不變，僅改變桿塔接地電阻，計(jì)算第4個(gè)耐張段普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流的最大值，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同桿塔接地電阻下普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著桿塔接地電阻的增加，絕緣的普通地線上感應(yīng)電壓也隨之增加，接地電阻從10Ω 增加到25 Ω時(shí)，地線感應(yīng)電壓從920.1V 增加到940.4V，增加20.3V，增幅為2.2%。

OPGW 地線感應(yīng)電流隨著接地電阻的增加而增大，接地電阻從10Ω 增加到25Ω 時(shí)，OPGW 感應(yīng)電流從132.1A 增加到136A，增加3.9A，增幅為3%。地線感應(yīng)電流的增大表明地線損耗的增加，因此在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量降低桿塔的接地電阻，這樣可以降低絕緣地線上的感應(yīng)電壓和接地地線上的感應(yīng)電流。同時(shí)，降低桿塔接地電阻還可以提高線路的反擊耐雷水平，對于1 000kV 同塔雙回輸電線路而言，考慮到鐵塔全高在100m 左右，很容易遭受雷擊，因此為提高線路供電的安全性，應(yīng)盡量降低桿塔接地電阻。

3.4 耐張段長度對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響

保持計(jì)算用系統(tǒng)參數(shù)和塔頭尺寸不變，僅改變耐張段長度，計(jì)算第4個(gè)耐張段普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流的最大值，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同耐張段長度下普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著線路耐張段長度的增加，絕緣的普通地線上感應(yīng)電壓也隨之增加，基本呈線性關(guān)系，OPGW 地線感應(yīng)電流有所減小。耐張段長度從5km 增加到6km 時(shí)，地線感應(yīng)電壓從926.3V 增加到1 113.6V，增加187.3V，增幅為20.2%；OPGW 地線感應(yīng)電流從133.5A 減少到132.8A，略有降低，變化較小。

3.5 輸送容量對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響

保持計(jì)算用系統(tǒng)參數(shù)和塔頭尺寸不變，僅改變線路的輸送容量，計(jì)算第4個(gè)耐張段普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流的最大值，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 不同輸送容量下普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著輸送容量的增加，絕緣的普通地線上感應(yīng)電壓也隨之增加，OPGW 地線感應(yīng)電流也隨之增加，基本呈線性關(guān)系。輸送容量從4 000 MW 增加到6 000 MW 時(shí)，地線感應(yīng)電壓從618.6V 增加到926.3V，增加307.7V，增幅為49.7%；OPGW 感應(yīng)電流從89.4 A 增加到133.5 A，增加44.1A，增幅為49.3%。

3.6 雙回線路單回運(yùn)行對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響

同塔雙回線路在實(shí)際運(yùn)行中存在單回運(yùn)行的情況，有必要對這種情況下地線上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流進(jìn)行分析。計(jì)算靠近普通地線側(cè)回路運(yùn)行、靠近OPGW 側(cè)回路運(yùn)行和雙回路同時(shí)運(yùn)行時(shí)地線上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 單回運(yùn)行時(shí)普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)絕緣普通地線側(cè)單回路運(yùn)行時(shí)，絕緣普通地線上感應(yīng)電壓最高，大于雙回路同時(shí)運(yùn)行時(shí)的感應(yīng)電壓，OPGW 側(cè)單回運(yùn)行時(shí)絕緣普通地線上的感應(yīng)電壓最??；當(dāng)OPGW 側(cè)單回路運(yùn)行時(shí)，OPGW 地線上感應(yīng)電流最大，大于普通地線側(cè)單回運(yùn)行時(shí)的OPGW 地線上感應(yīng)電流，雙回運(yùn)行時(shí)OPGW 地線的感應(yīng)電流最小。由此可以看出，當(dāng)單回路運(yùn)行時(shí)，由于系統(tǒng)參數(shù)的不對稱性，導(dǎo)致了地線電量的變化，因此在進(jìn)行線路各種參數(shù)的確定時(shí)，必須考慮這種不對稱運(yùn)行帶來的影響。

3.7 地線直徑對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響

保持計(jì)算用系統(tǒng)參數(shù)和塔頭尺寸不變，僅改變地線直徑，計(jì)算第4個(gè)耐張段普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流的最大值，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 不同地線直徑下普通地線感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流

由計(jì)算結(jié)果可知，地線直徑對普通感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流的影響均很小，地線直徑從16mm 增加到20mm，地線上的最大感應(yīng)電壓增加3.6V，增幅約為0.4%；感應(yīng)電流增加1.3A，增幅約為1%。因此，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流對直徑的變化不敏感。

4 結(jié)論

綜合本文的計(jì)算和分析，主要結(jié)論如下：

（1）1 000kV 線路正常運(yùn)行情況下，耐張段長5km 時(shí)，普通地線感應(yīng)電壓最大值為926.3V，感應(yīng)電壓幅值與距接地點(diǎn)的長度呈正比關(guān)系；OPGW 地線感應(yīng)電流在133A 左右。

（2）感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流均隨著導(dǎo)地線間距離的增大而減??；隨著桿塔接地電阻的增加，絕緣的普通地線上感應(yīng)電壓和OPGW 地線感應(yīng)電流均隨之增加；隨著線路耐張段長度的增加，絕緣的普通地線上感應(yīng)電壓也在增加，基本呈線性關(guān)系，OPGW 地線感應(yīng)電流略有降低，變化較小。

（3）線路輸送容量、雙回線路單回運(yùn)行等因素對感應(yīng)電壓感應(yīng)電流均有較大影響，在進(jìn)行線路各種參數(shù)的確定時(shí)，必須考慮上述因素的影響；地線直徑對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流影響較小。

［1］劉振亞.特高壓電網(wǎng)［M］.北京：中國經(jīng)濟(jì)出版社，2005：167－172.

［2］GB50665—2011 1 000kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊［M］.2 版.北京：中國電力出版社，2003.

［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(jì)算［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（6）：21－23.

［5］李寶聚，周浩.淮南～皖南～浙北～滬西1 000kV 交流同塔雙回線路架空地線感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流仿真分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（10）：86－89.

［6］Dommel H W.電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算理論［M］.李永莊，林集明，曾昭華，譯.北京：水利電力出版社，1991：68.

［7］施圍，郭潔.電力系統(tǒng)過電壓計(jì)算［M］.2版.北京：高等教育出版社，2006：175－186.