基于架空地線電能損失計算的分段絕緣段長度經濟最優取值方法

胡淑兵，劉方平，黃 強，王 瓊

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

目前中國110 kV 及以上輸電線路架空地線主要采用普通地線（common overhead ground wire，CGW）和光纖復合架空地線（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW）兩種形式[1-3]，通常采取CGW 分段絕緣、單點接地，OPGW 逐塔接地的方式[4-5]。參考國內外幾十年的實際運行經驗可知CGW 分段絕緣、單點接地的接地方式產生的電能損耗非常小，而且與直接接地相比較，并不降低其保護性。而OPGW 同時承擔著光纖通信功能，出于對光纖通信的連續性和通信質量的考慮，OPGW 至今仍普遍逐塔接地[6-7]。當輸電線路較長時，架空地線全線的電磁感應電壓將可能超過1 000 V，在這種情況下可采用地線分段的方式來降低架空地線絕緣單點接地時首末兩端的電磁感應電壓[8-11]。地線分段是指首先將架空地線劃分成若干絕緣段，之后在每一段的一基桿塔處接地[12-13]。目前對于如何合理劃分絕緣段長度以及劃分絕緣段的長度對地線接地產生電能損失的大小的研究較少，因此對于地線分段絕緣段長度對電能損失的影響在工程實際中對絕緣段的合理劃分具有很重要的指導意義。

1 仿真計算方法及研究模型

文中以單回路及雙回路輸電線路模型為研究計算對象，首先研究在各種接地方式下電能損耗，通過比對選出較為合理的接地方式；在較為合理的接地方式的基礎上對應不同絕緣長度分別對地線的感應電流及電能損耗進行仿真計算，并總結在不同的接地方式下絕緣段長度對電能損耗的影響趨勢。考慮到便于理論研究以及所得到結論的通用性，檔距均采用平均檔距，架空地線分段導線的對地高度及間距均采用典型桿塔所對應數據。

1.1 單回路輸電線路模型

本文研究的單回路500 kV 輸電線路的線路全長為115.6 km，取其中典型10 km 線路進行研究計算，線路輸送功率為1 187.5 MW，線路成直線排列，其排列方式從左至右依次為：A-B-C；四根四分裂子導線（4XJL/G1A-400/50）采取正方形排列，分裂距離為450 mm；采用一根CGW（JLB20A-150）與一根OPGW（OPGW-150）平行對稱架設，線路上典型桿塔模型如圖1 所示。平均檔距為400 m，接地排流線圈工頻電阻為20 Ω，導線a、b、c 平均對地高度為36 m，地線平均對地高度為43.5 m。

圖1 單回路典型桿塔

1.2 雙回路輸電線路模型

雙回路線路500 kV 輸電線路全長123.8 km，取其中10 km 典型線路進行研究計算，單回線路輸送功率為1 187.5 MW，導線（4XJL/G1A-400/50，分裂同單回路）成垂直對稱排列，其排列方式左邊從上到下依次為：A-B-C，右邊從上之下依次為：C-B-A；采用一根CGW（JLB20A-150）與一根OPGW（OPGW-150）平行對稱架設，線路上典型桿塔如圖2所示。平均檔距為400 m，接地排流線圈工頻電阻為20Ω，導線a、b、c 平均對地高度依次為56.5 m、44.5 m、33 m，地線平均對地高度為64.5 m。

圖2 雙回路典型桿塔

1.3 接地方式

系統在正常穩定運行時，常見的接地方式可采取以下幾種：

1）OPGW與普通地線均逐塔接地；

2）OPGW 逐塔接地，普通地線分段絕緣，兩端經排流線圈接地；

3）OPGW 及普通地線均分段絕緣，兩端經排流線圈接地；

4）OPGW 逐塔接地，普通地線分段絕緣，首端經排流線圈接地；

5）OPGW 及普通地線均分段絕緣，首端經排流線圈接地。

2 仿真計算結果分析

2.1 接地方式能耗比對

仿真計算首先研究了在1.3 節敘述的5 種接地方式下單回路正常運行以及雙回路正常運行時，CGW及OPGW 沿線的感應電流以及電能損耗；地線分段長度均為5 km；年損失小時數按4 000 h計算。

單回路結果如表1所示，雙回路結果如表2所示?？梢钥闯?，當采用方式3和方式5時，兩種回路地線電能損耗較方式1、2、4 大幅度降低，因此在采用接地方式3 和方式5 的條件下，對于絕緣段長度對電能損耗影響的研究比較有意義。

表1 單回路不同接地方式下感應電流以及電能損耗

表2 雙回路不同接地方式下感應電流以及電能損耗

2.2 分段絕緣長度的經濟最優取值

在方式3（以后簡稱兩端接地）和方式5（以后簡稱單端接地）的接地方式下，電能損耗均較小，但兩者所需接地設備的數量不同，而絕緣段長度的取值對接地設備的數量亦有影響，因此需要在不同絕緣長度下，兩種接地方式電能損耗所造成的經濟損失與額外增加的接地設備支出做綜合比對，選取最優的分段絕緣長度與接地方式的組合。表3、表4 分別為不同接地方式下單回路及雙回路年電能損耗；其電能損耗隨絕緣段長度變化趨勢如圖3、圖4所示。

可以觀察出隨著絕緣段長度的減小電能損耗在逐漸減小，減小趨勢逐漸變緩，因此隨著絕緣段長度變短，電能損耗所造成的經濟損失開始變小，但由于絕緣段分段過多而導致接地設備數量增多而帶來的設備支出費用在增加，因此如何選取合適絕緣長度需要綜合考慮設備支出及電能損耗所帶來的總損支。

預設每套接地設備支出成本2 000 元（包括金具成本，安裝、改造及更換成本），平均工作壽命10 年，則可計算十年電費損失與設備支出總和。單回路與雙回路隨絕緣段長度與總損支對應如表5、表6所示，變化趨勢如圖5、圖6所示。

可以看出在在單回路中，單端接地總損支最低點出現在2 km，兩端接地總損支最低點出現在3.3 km，然而考慮到兩端接地絕緣段為3.3 km 時，絕緣段最大電壓為167.359 5 V小于單端接地時絕緣段2 km時的最大電壓202.86 V。

因此經過綜合考慮采取兩地線均分段絕緣，兩端經排流線圈接地，絕緣段長度為3.3 km 的接地方式為該單回路輸電線路的經濟最優接地方案。雙回路與單回路分析情況相同亦采取此方案。

表3 單回路不同絕緣段長度年電能損耗

圖3 單回路不同絕緣段長度年電能損耗

表4 雙回路不同絕緣段長度年電能損耗

圖4 雙回路不同絕緣段長度年電能損耗

表5 單回路不同絕緣段長度總損支

圖5 單回路不同絕緣段長度總損支

表6 雙回路不同絕緣段長度總損支

圖6 雙回路不同絕緣段長度總損支

3 結語

文中編程設計了一種針對于單回路以及雙回路架空地線輸電線路算法；對兩者地線電流、最高電壓以及電能損耗進行計算；同時研究了絕緣段長度對電能損耗以及最大電壓的影響。得出以下結論：

1）兩根地線均采取分段絕緣的接地方式電能損耗最低；

2）同一絕緣段長度下，單端接地方式電能損耗大于兩端接地電能損耗；

3）地線年電能損耗量隨絕緣段長度呈非線性增長趨勢。

基于以上結論，考慮絕緣段長度所對應接地設備支出與電能損耗進行綜合分析計算，可選取出經濟最優的絕緣段長度及接地方案。對于文中所采取實際算例最優方案為：

兩地線均分段絕緣，絕緣段兩端經排流線圈接地，絕緣段長度為3.3 km。