已建線路架空地線短路熱穩容量校核計算

竇 飛，喬黎偉

(江蘇省電力公司電網規劃研究中心，江蘇南京210024)

江蘇電網接線復雜，且與華東電網主網緊密相聯，隨著系統容量的不斷增大，當前江蘇220 kV電網單相接地短路電流水平不斷提升，220 kV樞紐站一般為35～50 kA，與其相鄰的一、二級220 kV站為20～40 kA，其余普通220 kV站為15～30 kA。江蘇電網早期建設的220 kV輸電線路，架空地線多采用GJ-50、GJ-70等短路容量較小的地線，雖然滿足了當時電網規劃建設的要求，但隨著系統容量的增大和線路π接、改接，部分已建線路的地線已不能滿足短路熱穩要求，此問題在近期江蘇220 kV輸變電工程的建設中較為突出。如架空地線的短路熱穩容量不足，當電網發生單相接地故障時，將引起地線損傷斷股，斷股修復需要停電，如果股線松絞伸向帶電的相線，將造成單相或多相接地短路。因此已建線路架空地線熱穩容量的校核，應在電網規劃設計階段中予以足夠重視，以免給電網安全運行帶來隱患。文中提出了單相接地短路電流分布以及地線短路熱穩容量的工程計算簡化方法；并計算出已建線路常用地線的短路熱穩容量，作為地線是否需要開展短路熱穩增容改造的評判依據；并提出了地線短路熱穩的增容改造方案。

江蘇電網接線復雜，且與華東電網主網緊密相聯，隨著系統容量的不斷增大，當前江蘇220 kV電網單相接地短路電流水平不斷提升，220 kV樞紐站一般為35～50 kA，與其相鄰的一、二級220 kV站為20～40 kA，其余普通220 kV站為15～30 kA。江蘇電網早期建設的220 kV輸電線路，架空地線多采用GJ-50、GJ-70等短路容量較小的地線，雖然滿足了當時電網規劃建設的要求，但隨著系統容量的增大和線路π接、改接，部分已建線路的地線已不能滿足短路熱穩要求，此問題在近期江蘇220 kV輸變電工程的建設中較為突出。如架空地線的短路熱穩容量不足，當電網發生單相接地故障時，將引起地線損傷斷股，斷股修復需要停電，如果股線松絞伸向帶電的相線，將造成單相或多相接地短路。因此已建線路架空地線熱穩容量的校核，應在電網規劃設計階段中予以足夠重視，以免給電網安全運行帶來隱患。文中提出了單相接地短路電流分布以及地線短路熱穩容量的工程計算簡化方法；并計算出已建線路常用地線的短路熱穩容量，作為地線是否需要開展短路熱穩增容改造的評判依據；并提出了地線短路熱穩的增容改造方案。

1短路電流在架空地線中的分布計算

1.1計算模型

當輸電線路發生單相接地故障時，短路電流從故障點沿架空地線向兩側擴散；從故障點往線路的方向看，桿塔接地電阻和地線的阻抗形成了鏈形網絡[1]。在工程計算中，一般采用圖1所示的等值電路，其中Rti為桿塔接地電阻，Zgi為地線的阻抗。

圖1鏈形網絡等效電路

假設圖1鏈形網絡無限長、桿塔之間的檔距和接地電阻全部相等，即Rti=Rt，Zgi=Zg，則圖 1等效阻抗Z可用（1）式表達。

輸電線路的兩端，特別是進變電站的終端塔發生單相接地故障時，進線檔地線承受的短路電流分量最大，因此將故障點選取在終端塔上進行分析。假設連接L站和R站的輸電線路在L站的終端塔k處發生單相接地故障，故障電流的分布如圖2所示，等值電路如圖3所示。

圖3短路電流計算的等值電路

其中：IL，IR為自 L，R 站的單相接地短路電流；IL1，IL2為自地線1，2返回故障點左側的電流；IR1，IR2為自地線1，2返回故障點右側的電流；IL'為經L站變壓器中性點返回故障點的短路電流；Ik，Ig為經桿塔接地體和L站接地網的入地電流；Rtk為終端塔k接地電阻；ZL為終端塔和變電站間的進線檔架空地線阻抗；ZR為短路點右側鏈形網絡等效阻抗，按式（1）計算；Rg為L站的接地電阻；Re為L站的等效接地電阻，Re=β×Rg（0＜ β＜1），工程計算中取 β=0。

短路電流自k點注入后，大部分經L站變壓器中性點返回故障點，只有少部分返回R站或經L站接地網和終端桿塔 k 的接地體入地。 （IL1＋IL2）與（IL＋IR）的比值，即注入的短路電流由進線檔地線承擔的比例，主要由線路長度決定，文獻[2]曾以典型參數對不同長度的輸電線路進行計算，線路路徑長度25 km時約為70%，線路路徑長度189 km為87%。對于220 kV的工程計算，可以偏保守采取90%進行校核。

1.2 2根地線中的短路電流分布

兩根地線中短路電流分配的等值電路如圖4所示，其各自分配到的短路電流按式（2）計算[3]。

圖4短路電流在2根地線中的分布等效電路

式中：I為2根地線承受的總短路電流，A；I1，I2為地線 1，2 承受的短路電流，A；Z11，Z22為地線 1，2 的自阻抗，Ω/km；Z12為地線1和2之間的互阻抗，Ω/km，工程計算中，一般不考慮導線和地線間的互感，僅考慮2根地線間的互感。

地線的自阻抗和互阻抗分別按式（3）和式（4）進行計算[4]。

式中：Zii為地線的自阻抗，Ω/km；Zij為地線的互阻抗，Ω/km；R為地線的直流電阻，Ω/km；De為地中電流等效深度，m；re為地線的有效半徑，m；Dij為地線i，j之間距離，m。

2架空地線短路熱穩容量計算

2.1截面校驗公式

（1）鋼絞線和鋼芯鋁絞線的簡化計算。由DL/T 621－1997、DL/T 5222－2005提出的接地線截面校驗公式，推導出地線熱穩容量表達式（5）[5，6]，鋼絞線和鋼芯鋁絞線可采用該式計算。

式中：Q為地線的短路熱穩容量，kA2·s；S為載流部的截面，mm2；C為熱穩定系數，可自上述兩標準直接查取：工作溫度40℃、短路允許溫度400℃[7]時，鋼的熱穩定系數C=70；工作溫度40℃、短路允許溫度200℃[7]時，鋁的熱穩定系數C=99。

鋼絞線采用單一金屬材質絞合而成，故其全部鋼截面均可視作載流部。當地線由不同金屬線絞合而成，由于金屬絞線之間接觸不緊密，短路電流的持續時間很短，因此電流在外層金屬線中產生的熱量，來不及擴散到內層不同金屬材質的單線中，因此一般只考慮將外層同材質的金屬作為載流部。鋼芯鋁絞線短路容量計算時，不考慮鋼芯的熱容量，僅以鋁作為載流部。據此計算出常用型號地線短路熱穩容量，如表1所示。

表1鋼絞線和鋼芯鋁絞線短路熱穩容量

（2）鋁包鋼絞線和鋁包鋼芯鋁絞線。鋁包鋼單線是在鋼的表面均勻包覆一定厚度的鋁，通過連續強制拉拔形成的高效雙金屬材料，具有電流集膚效應較小、鋁鋼接觸緊密的特點。鋁包鋼絞線全部由鋁包鋼單線絞合而成，熱穩容量計算時，可將其視作單一材質地線，即短路過程中鋁、鋼等溫，并計入鋼的熱容量。 鋁包鋼芯鋁絞線，外層鋁單線的結構同于鋼芯鋁絞線；其內層為鋁包鋼單線，熱穩計算時，不考慮鋼的熱穩容量，但需計入表面鋁的熱容量。

前述兩型地線短路熱穩容量采用式（6）計算[7]。

式中：Q為地線的短路熱穩容量，kA2·s；C為絞線的熱容量，J/（℃·km）；α0為絞線 20 ℃時的電阻溫度系數，℃-1；R0為絞線 20 ℃時的電阻，Ω/km；t1為地線初始溫度，℃，一般取40℃；t2為地線短路熱穩定允許溫度，℃，鋁包鋼絞線的短路最高允許溫度取300℃，鋁包鋼芯鋁絞線取200℃。

整根絞線的綜合熱容量C按式（7）計算。

式中：Mi為材料 i的單位質量，g/cm3，鋁取 2.7，鋼取7.8；Ci為材料 i的熱容量，J/（g·℃），鋁取 0.888，鋼取0.46；Si為材料i的截面，mm2。據此計算出常用型號地線短路熱穩容量如表2所示。

2.2短路電流的持續時間

架空地線的短路容量確定后，其最大允許短路電流按式（8）計算。

表2鋁包鋼絞線和鋁包鋼芯鋁絞線短路熱穩容量參考值

式中：Q為地線的短路熱穩容量，kA2·s；t為短路電流持續時間，s；Imax為與短路電流持續時間相對應的最大允許短路電流，kA。t主要由繼電保護及斷路器動作時間決定[8，9]。

當前220 kV線路工程計算主要有0.12 s，0.15 s，0.20 s，0.25 s等 4 種取值。 0.12 s：主保護動作及斷路器單相開斷時間一般在0.12 s以內，該值用于極端情況下的驗算；0.15 s：在前述0.12 s基礎上考慮一定裕度，用作普通地線驗算；0.20 s：已建線路的普通地線更換為復合光纜地線（OPGW）時，再考慮一定裕度所采取的驗算時間；0.25 s：考慮主保護動作-短路切除-重合閘-重合閘不成功（故障未消除）-主保護再次動作等步驟，由保護動作時間、通道時間、斷路器動作時間、重合閘及保護再次動作時間、短路電流非周期分量等組成的持續等效時間，其值約為0.25 s，近期新建工程一般取用，該值驗算。

普通地線和OPGW的短路電流持續時間應區別對待，OPGW除用作普通地線外，還用于系統通信，故須保證內部纖芯的溫升在容許范圍內，以防光纖過快老化或過熱損壞；而普通地線，僅需避免機械強度的明顯下降及不可回復的塑性變形，這種情況往往是在長期的效應積累后才可能發生，所以瞬間的高溫不會對分流地線造成大的影響。

根據以上分析，建議已建線路架空地線熱穩容量校核時短路電流的持續時間，普通地線取0.15 s、OPGW取0.20 s。

3地線熱穩增容改造方案

3.1某實際220 kV工程舉例

江蘇電網2011年220 kV H輸變電工程，需將已建的220 kV J變電站至D變電站的單回線路（以下簡稱J-D線）π入新建的H變電站。J-D線建設年代較早，兩根地線均為GJ-50型鋼絞線；H變電站投運后的電網網架結構和系統容量，較J-D線當初設計時所考慮的邊界條件發生了較大變化，H站、D站短路電流接近30kA，J站短路電流接近50 kA，GJ-50地線已明顯不能滿足短路熱穩要求，必須采取一定的增容措施。

3.2可采取的措施

3.2.1更換地線

地線短路熱穩增容，最有效的方法是將其更換為較高熱穩容量的良導體地線，如將鋼絞線更換為鋁包鋼絞線或結合通信網的規劃，更換為OPGW。地線更換時，需注意鐵塔及基礎強度校驗、檔距中央導地線電氣距離校驗（特別是大檔距）。鐵塔和基礎的強度校驗，仍沿用已建線路的原設計標準，如不滿足強度要求，原則上不更換鐵塔主材，僅更換地線支架和部分塔身斜材。根據工程經驗，對于水泥桿，由于服役期較長、桿體狀況差等原因，往往不具備單獨更換地線支架和塔身斜材的條件，只能整體改造為角鋼塔。需要指出的是，前述更換地線支架和塔身斜材的方案，由于鐵塔受力后的形變以及鐵塔施工圖與放樣圖的差異，其工程實施相對較為困難，不宜大范圍應用。

3.2.2降低桿塔接地電阻

降低桿塔的接地電阻可以增加短路電流的入地分量，從而減少流經架空地線的短路電流。江蘇省220 kV桿塔的接地電阻一般按不高于5～10 Ω設計；根據工程經驗，采取一定措施后可以將接地電阻控制在3 Ω，但需采用特殊接地裝置，且對場地布置要求高，很難實現。因此如已建線路架空地線的短路容量偏緊，可對變電站進出口段的數基桿塔進行接地裝置改造，將桿塔的接地電阻控制在3 Ω以內。

此外，由于變電站的接地電阻一般要求在0.5 Ω以內，因此對于承受最大短路電流的終端塔，可將其接地體與變電站的接地網相連，以降低桿塔接地電阻，增加短路電流的入地分流。

3.2.3保證地線與塔身的可靠連接

地線引流線可保證地線與桿塔的可靠連接，普通地線設計時，一般僅通過金具與塔身相連，其可靠性不高；如已建線路架空地線的短路容量偏緊，可考慮在塔身上增加接地孔，加裝地線接地引流線。

3.2.4采用地下分流線

在線路比較平坦的地區，如具備場地條件，可通過敷設接地帶，將變電站出口段1～2 km范圍內的桿塔接地裝置聯結起來，其作用原理相當于架設了第三根地線，當桿塔發生導線單相接地故障時，可對地線起分流作用，同時又可作為桿塔的接地裝置。

3.2.5多回路地線并聯

將變電站出口不同出線回路的數個終端塔接地體連接起來，則短路電流可沿多個出線回路的地線流進變電站，這樣回路電流可大幅減小。但如連接的終端塔過多，則須注意過流零序保護問題[10]。

4結束語

短路電流在架空地線和桿塔接地體間的分布，如精確計算，需求解由線路各檔構成的大規模網絡，計算煩瑣。本文提出的工程計算方法，簡化了計算過程，滿足工程計算精度要求。計算出的已建線路常用架空地線的熱穩容量值，可以作為地線是否需要開展短路熱穩增容改造的評判依據。已建線路架空地線不滿足熱穩容量要求時，可采用更換地線、降低桿塔接地電阻、保證地線與塔身的可靠連接、建設地下分流線、多回路地線并聯等措施。

[1]趙勝利.對避雷線熱穩定校驗的探討[J].電力建設，1996，17（4）：22-25.

[2]袁建生，馬信山，鄒 軍，等.關于OPGW設計選型中的最大短路電流計算[J].電力建設，2001，22（10）：51-54.

[3]杜天蒼，張 堯，夏文波.利用短路電力熱效應的OPGW分流地線選型[J].高電壓技術，2007，33（9）：110-114，119.

[4]刑樹清.3根架空地線的等值電路及分流計算[J].電力建設，1996，17（3）：33-36.

[5]DL/T 621－1997，交流電氣裝置的接地[S].

[6]DL/T 5222—2005，導體和電器選擇設計技術規定[S].

[7]DL/T 5092—1999，110～500 kV架空送電線路設計技術規程[S].

[8]趙全江，孟恒信.500 kV線路地線熱穩定校驗時的故障時間的取值問題[J].電力建設，2004，25（1）：20-21.

[9]水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊(第一冊)[M].北京：中國電力出版社，1989.

[10]臧劍欣.光纖復合架空地線（OPGW）熱穩定計算分析[J].電力系統通信，2004，25（5）：12-14，42.