導線相序及換位方式對地線損耗的影響

蔣陶寧，徐亮，卞鵬，賈佳，康東升，孫成秋，李軍

(國核電力規劃設計研究院，北京市，100032)

0 引言

目前高壓交流輸電普遍采用光纖復合架空地線(opticalfiber composite overhead ground wire，OPGW)和普通地線配合使用的地線系統，為了滿足防雷和通訊的需要，該地線系統通常采用逐塔接地和全線貫通連接方式。線路工況下，相電流通過磁耦合在地線中產生感應電動勢，由于地線和大地構成回路，在地線感應電動勢的驅動下，地線和鐵塔中會產生感應電流，導致電能損耗。

隨著我國電力網絡電壓等級的提高，尤其是特高壓的出現，此電能損耗逐漸變得不可忽視。通過改善地線的接線方式來降低此損耗，逐漸成為研究者關注的課題。到目前為止，研究者提出的改善措施主要包括以下幾種:地線分段絕緣［1-8］，單點接地［1，3，5，8］，地線換位［1，8］，地線開環［1，9］，這些技術為降低地線損耗提供了重要參考。

目前工程中較多采用普通地線分段絕緣、OPGW逐塔接地的技術來降低地線損耗，但這種方式將使OPGW 更容易遭雷擊而斷股損壞［5］。而OPGW 由于耐熱性能［10-11］和光纖連續特性的限制，如果也采用分段絕緣技術，則需要特殊的接續盒和絕緣保護間隙［4-6］，同時會提升沿線的感應電位［12］，增加工程造價和維修難度。考慮OPGW特性和其他綜合因素的新地線接線方式研究的新進展可參見文獻［13］，文中，研究者提出了OPGW和普通地線均單點接地、普通地線分段絕緣和地線換位等多種技術巧妙結合的新方式，可將地線損耗降低至傳統地線接線方式的2.5%。然而該研究成果是在導線逆相序排列的條件下得出的，沒有研究其他相序的損耗特性，也沒有考慮實際長距離導線不同換位方式的影響。

本文是對文獻［13］工作的補充和完善。本文的進展在于:(1)研究了不同相序下地線感應電動勢的特性;(2)研究了不同導線換位方式下地線損耗的特性;(3)指出了文獻［13］中新技術的有效使用范圍和降低地線損耗最有利的導線排布和地線接線方式。

1 地線電能損耗計算方法簡介

1.1 地線中的感應電動勢

圖1為同塔雙回線路導、地線排布示意。相序為逆相序，相電流產生工頻變化的電磁場，通過耦合作用在地線上產生感應電動勢，并和大地形成回路產生感應電流和損耗。相線和地線的磁耦合關系反映到電路中可用互阻抗表示。忽略工頻情況下導線間的互電容，2條地線中產生的感應電動勢為

式中:E7和E8為圖1中編號為7和8的地線上產生的感應電動勢;In為圖1中1～6號導體中流過的相電流;Z(n，7)和Z(n，8)為n號導線和地線之間的互阻抗。

圖1 交流雙回輸電線路相線和地線的排布Fig.1 Disposition of phase line and ground wire in HVAC double circuit transmission lines

1.2 地線中的感應電流及損耗

得到地線中的感應電動勢E7和E8，然后按照電路的分析方法來求解地線上的感應電流和損耗。圖2為地線穩態運行的逐檔模型?？紤]比較復雜情況，每檔地線可與大地絕緣，也可水平電氣絕緣，分別設置開關，并且考慮2條地線之間的互感影響。

圖2 地線穩態運行模型Fig.2 Steady-state model of ground wires

用不同阻值的電阻來模擬圖中開關的狀態，即可將圖示模型轉換成電路計算模型。按照回路電流法，列寫圖示每檔線路所滿足的回路電流方程，形成矩陣方程組并求解，可得2條地線中的感應電流，進一步可以得到鐵塔入地電流、地線損耗和地線沿線電壓等指標。詳細求解步驟不再討論，可以參閱文獻［13］。

2 數值算例及分析

現以特高壓交流輸電線路為例，研究不同相序及不同導線換位方式下地線中感應電動勢及損耗的特性。

2.1 計算條件

圖3為本算例中導、地線排布情況，導線最低弧垂26 m。系統運行條件:額定電壓1000 kV，單回輸送功率 6500 MW，功率因數 0.95，土壤電阻率500 Ω·m，鐵塔等效接地電阻10 Ω。線路長300 km，共計600檔，每檔為500 m。相導線型號:8×LGJ－630/45，導線分裂間距400 mm;地線型號:JLB20A－240;光纜型號:OPGW －240。

圖3 線路的幾何結構Fig.3 Geometry of power lines

2.2 不同相序下地線中的感應電動勢

如圖4所示是同塔雙回交流輸電線路常見的幾種相序排列方式，分別命名為正序、異序(分4種)和逆序。

圖4 導線相序排列方式Fig.4 Phase sequences of power lines

按照公式(1)，計算不同相序下單位長度OPGW和普通地線中產生的感應電動勢，如表1所示。

表1 不同相序排列下的地線感應電動勢Tab.1 Induced electromotive forces of ground wire under various phase sequences

從表1可知:同種相序下OPGW和普通地線中感應電動勢幅值相差不大。但是不同相序下2個感應電動勢的幅值和相位差有較大差異:正序下的地線感應電動勢幅值最大，且無相位差;逆序下感應電動勢幅值最小，但相位差最大;4種異相序介于正序和逆序之間。

由此可以推斷，對于同樣的地線接線系統，導線正序排列的地線損耗最大，異序次之，逆序最小。

2.3 不同導線換位方式下的地線損耗

工程設計中根據電氣不平衡度的要求，對于超過一定長度的線路通常需要進行合理換位［14-15］。換位后達到首端和末端相序一致，每種相序排列各占1/3線路長度，稱為1個全換位。圖5為2種導線換位方式，分別為同向全換位和反向全換位。同向全換位的3種相序分別命名為“逆(a)、異(a)、異(b)”，反向全換位的3種相序分別命名為“逆(a)、逆(b)、逆(c)”。

定義3種地線接線方式，如圖6所示。

圖5 同塔雙回輸電線路導線換位Fig.5 Conductor transpositions in double-circuit power lines on the same tower

圖6 地線運行方式Fig.6 Operation mode of ground wires

方式1:OPGW和普通地線均逐塔接地全線貫通連接。

方式2:OPGW逐塔接地;普通地線單點接地(5 km接地1次)分段絕緣(2個接地點中間絕緣)。

方式3:OPGW也采用單點接地的方式，2條地線每隔5 km換位1次。該方式為文獻［13］推薦方式。

按照本文提到的計算方法，得到不同導線換位方式及地線接線方式下地線損耗情況，如表2所示。

表2 地線損耗比較Tab.2 Comparison of power loss of ground wire kW/km

從表2可以看出:

(1)導線反向換位降耗效果較好，地線損耗約為同向換位的58.9%(方式1)。

(2)地線接線方式，相對于方式1，方式2降耗效果顯著(約為方式1的63.2%和31.1%);方式3在導線反向換位情況下降耗效果顯著(約為方式2的9.3%)，但是在同向換位情況降耗不明顯(約為方式2 的87.4%)。

2.4 原因分析

由圖5中可知，導線正向換位方式下，該線路的1/3是逆相序運行，其他是異相序運行;導線反向換位方式下，線路全線均為逆相序排列。按照2.2節的分析方法，同樣得到圖5不同相序下地線中的感應電動勢，如表3所示。

表3 圖5中不同相序排列下的地線感應電動勢Tab.3 Induced electromotive forces of ground wire under various phase sequences in figure 5

從表3可知，逆相序下2條地線中感應電動勢的幅值為162 V/km左右，而異相序下感應電動勢幅值較大，異(a)為367 V/km，異(b)為337 V/km。這是導線同向換位地線損耗較大的本質原因。

圖7～8是方式1下不同導線換位方式的地線感應電流和鐵塔入地電流的分布規律。可見逆序下的地線感應電流(235 A)明顯小于異序(340 A)，且導線反向換位下鐵塔的入地電流較同向換位小。眾所周知損耗和電流的平方成正比，這是導線反向換位損耗較小的直接原因。

圖7 不同導線換位方式下地線感應電流分布Fig.7 Induced current distribution of ground wires under different conductor transposition modes

圖8 不同導線換位方式下鐵塔入地電流分布Fig.8 Current distribution of iron tower under different conductor transposition modes

關于不同地線接線方式下的損耗分析，文獻［13］中已經詳細分析和討論，本文不再贅述。本文只分析地線換位(方式3)對不同相序的損耗影響。圖9所示為本算例中1段5 km長的地線換位后感應電動勢分布示意，由文獻［13］可知地線換位降耗主要是利用了換位后地線感應電動勢可以互相抵消，前提是存在較大的相位差。從表1和表3都可以看出，該方式在逆序下很有效(E7+E8=98 V/km，遠小于E7和E8)，而在異序下效果不明顯，正序下則完全沒有效果。這就解釋了表2中方式3對導線反向換位降耗效果顯著，而對同向換位效果不明顯的現象。

圖9 方式3地線感應電動勢分布示意Fig.9 Induced electromotive forces distribution of ground wires under disposition 3

3 結論

本文基于電路模型的地線損耗計算方法，以特高壓同塔雙回交流輸電線路為例，分析和研究了不同導線相序及換位方式下，地線中感應電動勢和損耗的分布特征。

(1)交流輸電線路中2條地線中產生的感應電動勢幅值基本一致，但其大小及2個感應電動勢的相位差和導線的相序有關:正序下幅值最大，相位差為0;逆序下幅值最小，相位差最大;異序介于中間。

(2)相比導線同向換位，反向換位因為換位后各段仍然是逆相序，更有利于降低地線損耗。

(3)不管對導線同向換位還是反向換位，地線分段絕緣單點接地技術對降低地線損耗效果顯著。

(4)從降低損耗的角度，地線換位在逆序下效果顯著，但對同序和異序效果不明顯。

綜上所述，從降低地線損耗的角度出發，建議工程設計中導線采用逆相序反向換位，地線采用單點接地的接線方式。該方式的地線損耗約為地線逐塔接地的 2.9%。

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