降低地線感應(yīng)電壓方法及絕緣間隙電壓分析

馬愛清，袁雪元

（上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090）

0 引言

目前，國內(nèi)220 kV以上的輸電線路都要求使用雙避雷線，最普遍的接地方式就是普通地線一點絕緣接地、OPGW逐塔接地[1-3]。由于地線與導(dǎo)線之間的電磁感應(yīng)會在每座桿塔接地的OPGW中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這將會引起能源損耗和增加相當(dāng)大的電力傳輸成本。為了減小地線損耗，國內(nèi)外學(xué)者也提出很多有效的方法：地線開環(huán)[4]、地線換位[5-7]、絕緣一點接地[8-9]等。但是這些方法（比如CGW單點接地技術(shù)）可能會引起過大的地線感應(yīng)電壓，導(dǎo)致絕緣間隙誤放電，對帶電作業(yè)人員的人身安全產(chǎn)生威脅。所以在減小OPGW感應(yīng)電流的同時，也要將單點接地的CGW的感應(yīng)電壓限制在500 V以下[10]。

從電路角度分析，要想從根本上消除損耗，就要切斷電流回路，這就是絕緣的降損原理。切斷地線感應(yīng)電流的同時，還要保證地線的泄流能力。所以最好的方式就是在架空地線和桿塔之間安裝帶放電間隙的絕緣子[11]。對于絕緣間隙的要求[12-13]是能在線路正常運行工況時保持地線的絕緣狀態(tài)（即正常運行工況下，地線上的感應(yīng)電壓不能將絕緣間隙擊穿）；在線路故障或遭受雷擊時，間隙被擊穿，使得地線電流能及時泄入大地。對于不同電壓等級輸電線路，有著不同的地線電壓，當(dāng)然對于絕緣間隙電壓要求也不同，而目前并沒有絕緣間隙大小的要求標(biāo)準(zhǔn)，所以計算絕緣間隙電壓對間隙大小的選擇有很重要的意義。

本文針對淮南至滬西的“皖電東送工程”，對其輸電線路導(dǎo)線、地線布置及參數(shù)，利用ATP-EMTP軟件搭建模型，計算幾種常用接地方式下的地線感應(yīng)電壓，分析了導(dǎo)線排序、地線換位和分段等幾種降低地線感應(yīng)電壓的方法。根據(jù)回路電流法建立網(wǎng)絡(luò)方程，計算地線正常運行工況和故障下的絕緣間隙電壓，并確定絕緣間隙大小，為特高壓工程帶放電間隙絕緣子的選擇提供技術(shù)支持。

1 地線感應(yīng)電壓及損耗的理論分析

根據(jù)實際線路布置，地線等效的電路圖見圖1。

圖1 地線等效電路模型Fig.1 Circuit model of ground wire

圖中，Z1和Z2分別是普通地線和OPGW的自阻抗；jωM是第n檔兩地線間的互電抗；RK1和RK2分別表示普通地線和OPGW的接地狀況（0 Ω表示地線接地，無窮大表示地線絕緣）；Rg是桿塔等效接地電阻；E1和E2分別表示普通地線和OPGW上的感應(yīng)電壓，通過改變圖1中各數(shù)據(jù)參數(shù)來模擬絕緣、接地、換位等情況。根據(jù)導(dǎo)線和地線之間的互阻抗，可以求得E1和E2:

式（1）和（2）中：k是線路回路數(shù)；j是每回線路相數(shù)；Z是各相導(dǎo)線與地線之間的互感。由網(wǎng)孔電流法可列出求解第n檔電流矩陣：

由式（3）可解得第n檔電流I1（n）和I2（n），k是導(dǎo)線換位系數(shù)（導(dǎo)線不換位時，k=1），地線換位只需要將U1（n）和U2（n）位置互換即可。桿塔入地電流與n-1檔和n檔的4個環(huán)電流有關(guān)，由節(jié)點電流法知：

2 仿真模型搭建及實例分析

2.1 計算實例

為了計算地線感應(yīng)電流帶來的損耗，需要建立同塔雙回線路的模型?；茨?皖南-浙北-滬西1 000 kV交流同塔雙回輸電線路全長共642.5 km，總共1 421座桿塔（選取其中100座左右進(jìn)行仿真計算）。系統(tǒng)運行條件：額定電壓1 000 kV，單回路輸送功率為6 000 MW，功率因數(shù)為0.95。采用雙地線，普通地線和OPGW光纖復(fù)合地線，其導(dǎo)線布置見圖2，其中A1、B1、C1和A2、B2、C2分別表示Ⅰ回線路和Ⅱ回線路的三相；G1、G2分別表示地線CGW和OPGW。

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圖2 導(dǎo)線布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of wire arrangement

圖2中，普通地線CGW與復(fù)合光纜OPGW水平距離33 m，其懸掛高度為97 m；三相導(dǎo)線垂直排列，LAB、LBC分別表示三相間距離為22 m，LC表示C與地面的垂直距離為48 m；LGA表示地線與A相的垂直距離為5 m。兩回輸電線路水平對稱布置，A相與塔中心距離為15 m，B相與塔中心距離為18 m，C相與塔中心距離16 m，地線距塔中心距離為16.5 m，弧垂10 m。

圖2中總共8根導(dǎo)線，導(dǎo)線間存在電磁耦合和靜電感應(yīng)的作用，光纜OPGW上會產(chǎn)生幾百甚至上千伏的感應(yīng)電動勢，并在光纜大地回路中產(chǎn)生電流，從而造成能量損耗。本文將對不同運行方式下的地線損耗進(jìn)行研究。實例中具體的導(dǎo)線型號及參數(shù)見表1。此時的土壤電阻率為500 Ω·m，導(dǎo)線采用六分裂導(dǎo)線，分裂間距為400 mm，外徑為33.8 mm。

表1 導(dǎo)線參數(shù)Table 1 Parameter of wire

2.2 建立模型

ATP-EMTP軟件將穩(wěn)態(tài)分析和電磁暫態(tài)結(jié)合在一起，是電磁暫態(tài)程序中應(yīng)用最為廣泛的一種版本[14]。根據(jù)圖2對同塔雙回輸電線路的導(dǎo)線進(jìn)行布置[15]，基于表1的導(dǎo)線參數(shù)，利用ATP-EMTP軟件搭建仿真模型見圖3，其中模擬線路采用恒壓源，接地點用0.1 Ω電阻，對地絕緣點用10 MΩ的電阻模擬，設(shè)置了若干個電壓觀測點，若干個電流觀測點。

圖3 UHVAC同塔雙回輸電線路仿真模型Fig.3 UHVAC transmission lines simulation model

2.3 不同地線運行方式下的感應(yīng)電壓

根據(jù)線路普遍的使用地線運行方式，本文對以下3種接地方式進(jìn)行了計算。以CGW分段絕緣一點接地為基礎(chǔ):

方式一：OPGW逐基接地；

方式二：OPGW分段絕緣，一點接地；

方式三：OPGW逐基接地，2條地線在普通地線分段處換位（10 km一次）。

3種地線運行方式下，分別計算CGW上的感應(yīng)電壓和OPGW感應(yīng)電流，見表2。

表2 地線感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流計算結(jié)果Table 2 Calculation results of induced voltage and current of ground wires

地線上感應(yīng)電壓和電流分布規(guī)律見圖4和圖5。

圖4 不同運行方式下地線感應(yīng)電壓分布Fig.4 Induced voltage distribution of ground wires with different operation modes

圖5 不同運行方式普通地線上的感應(yīng)電流Fig.5 Induced current of CGW with different operation modes

從降低地線損耗的角度，選擇運行方式二（無損接地方式），但是這種方式對應(yīng)的地線感應(yīng)電壓很高，長距離輸電時必須被限制。

3 降低感應(yīng)電壓的方法

3.1 地線分段和中點接地

方式二地線都采用分段方式（分段距離10 km），但是地線電壓依然很大，所以對其進(jìn)行進(jìn)一步分段，分段距離為5 km，接地點在端點或中點，電壓分布規(guī)律如圖5所示。分段距離5 km最大值867.4 V，接近方式二的一半。當(dāng)中點接地時，電壓從接地點向兩邊線性增長，端點處，電壓最大值為440 V左右，為方式二的1/4。

3.2 導(dǎo)線異相序排列

通過不同的導(dǎo)線排序方式，使得導(dǎo)線表面電荷均勻分布和降低表面場強最大值，從而改善線路周圍電磁環(huán)境。如圖6所示是同塔雙回輸電線路常見的幾種導(dǎo)線排列方式，分別為同相序、異相序、逆相序。地線分段距離為10 km，中點接地的情況下，不同相序下的地線感應(yīng)電壓見表3。

圖6 導(dǎo)線排列方式Fig.6 Phase sequences of power lines

從表3中可看出，同相序下CGW和OPGW的電壓幅值和相位相差不大，但是幅值是所有相序中最大的，這種排序方式最差；導(dǎo)線逆相序排列時，地線感應(yīng)電壓最小，相位相差180°，這種排序方式最優(yōu)。4種異相序排列介于同相序和異相序之間。所以導(dǎo)線采用異相序排列可以減小地線感應(yīng)電壓。

表3 不同相序下的地線感應(yīng)電壓Table 3 Induced voltage of ground wires under different phase sequences

3.3 地線換位

由于兩條地線上的感應(yīng)電壓相位相差大，尤其是導(dǎo)線異相序排列時。地線換位之后，地線上的感應(yīng)電壓因相互抵消而減小。在10 km的分段距離中點處換位一次，接地點為分段末端或中點，OPGW和CGW感應(yīng)電壓計算結(jié)果見圖7。絕緣地線在線路的末端接地（1號桿塔）的情況下，兩地線感應(yīng)電壓從接地位置開始沿線增加，直到在換位塔達(dá)到最大值810.4 V，然后逐漸下降直到分段線路的另一端。如在換位節(jié)距的中點接地（6號桿塔），兩地線的感應(yīng)電壓從接地位置開始沿兩側(cè)線路線性增大，左邊增至分段線路端部，右邊增至換位塔，然后下降至線路末端。最大值為467.33 V，出現(xiàn)在分段線路兩端和換位塔處，約占方式二下感應(yīng)電壓的1/4。

圖7 地線換位感應(yīng)電壓分布Fig.7 Induced voltage distribution after ground wires transposition

因此，分段距離為10 km，中點換位一次，并在換位間距中點接地一次，地線感應(yīng)電壓可以滿足500 V以下的要求。

4 絕緣間隙電壓

4.1 正常運行工況下絕緣間隙電壓計算

絕緣是非常有效的抑制電能損耗的方法，多數(shù)采用的分段絕緣就是在地線分段處加裝帶放電間隙的絕緣子。為保證線路安全運行，絕緣間隙需滿足以下要求：1）線路正常運行時，保證地線處于絕緣狀態(tài)；2）線路遭受雷擊或者短路故障時，該絕緣間隙要保證及時被擊穿形成導(dǎo)流通道。此時絕緣間隙電壓的確定就非常有必要。由2.3節(jié)可知，地線運行方式二的感應(yīng)電壓最大，只要計算正常運行工況下方式二的感應(yīng)電壓，保證絕緣間隙擊穿電壓大于感應(yīng)電壓最大值即可。假設(shè)線路使用兩地線均分段絕緣的運行方式，分段距離為10 km、中點接地，帶放電間隙的絕緣子安裝在分段點處，絕緣間隙電壓分布見圖8。

圖8 正常運行工況下的絕緣間隙電壓Fig.8 Voltage of insulation gap under normal operating conditions

這種方式下的絕緣間隙電壓兩邊高，中間平穩(wěn)，最大電壓為900 V左右，絕緣間隙擊穿電壓不低于正常運行工況電壓的3倍，取不低于3 kV。

4.2 單相短路故障下絕緣間隙電壓計算

單相接地短路是線路運行中常見的故障，但故障點可能發(fā)生在靠近變電站附近，也可能發(fā)生在線路中間位置。所以針對這兩種情況分別進(jìn)行計算絕緣間隙電壓，見圖9。

圖9 短路故障下的絕緣間隙電壓Fig.9 Voltage of insulation gap under short-circuit fault

短路點位于中間位置時，絕緣間隙電壓大于短路點靠近變電站附近；最大值都位于短路點附近，達(dá)到45 kV左右；短路點位于中間位置時，絕緣間隙電壓最小值小于短路點靠近變電站附近，電壓值約為9 kV。絕緣間隙電壓必須滿足小于故障下的電壓最小值，以保證線路故障時，間隙被擊穿快速形成泄流通道。

由正常運行工況和故障下的絕緣間隙電壓計算結(jié)果知，正常運行工況下電壓最大值＜絕緣間隙電壓＜故障下電壓最小值，即絕緣間隙電壓取值3～9 kV，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的間隙距離取15～35mm。

5 結(jié)語

通過1 000 kV輸電線路地線感應(yīng)電壓和絕緣間隙電壓的計算和分析，得出以下結(jié)論：

1）采用雙地線均分段絕緣、單點接地運行方式，可以實現(xiàn)地線無損耗運行，但同時會引起高電壓。所以采用縮小地線分段距離、中點接地、地線換位和導(dǎo)線異相序排列等方法減小感應(yīng)電壓，使其低于500 V，以保證帶電作業(yè)人員的人生安全。

2）地線感應(yīng)電壓與分段距離和換位間距成線性關(guān)系，并且中點接地最大電壓約為末端接地最大電壓的一半；對于長距離輸電線路，宜采用地線分段或換位，而對于小于10 km的短輸電線路，宜采用中點接地的方法來減小電壓。

3）在地線分段處安裝帶放電間隙的絕緣子，使得線路故障時及時產(chǎn)生泄流通道，以保證線路安全運行。正常運行工況下，絕緣間隙電壓不能低于3 kV，故障下絕緣間隙不能高于9 kV，對應(yīng)的絕緣間隙距離為15～35mm。

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