輸電線路架空地線節能接地技術

彭向陽，毛先胤，胡衛，王宇，王建國

(1.廣東電力科學研究院，廣州市510080;2.重慶電力公司江津供電分公司，重慶市400026;3.武漢大學電氣工程學院，武漢市430072)

0 引言

我國110kV及以上輸電線路架空地線主要有普通地線(common overhead ground wire，CGW)和光纖復合地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)2種，基于防雷和通信考慮，架空地線大多采取逐基接地方式，由于架空地線與導線間存在電磁感應，架空地線中產生較大的感應電流。對廣東電網部分交流線路架空地線感應電流實測發現，500kV線路2條地線逐基接地時，典型感應電流達70 A，電能損耗達2.84×104kW·h/(a·km)?？梢姡芸盏鼐€電能損耗不容忽視，但傳統輸配電線損計算只考慮導線電能損耗，其大小基于負荷電流和導線電阻，對架空地線電能損耗未足夠重視。

為減小架空地線逐基接地或多點接地引起的電磁感應電流及電能損耗，實現架空地線節能，并綜合考慮架空地線防雷、通信性能，架空地線可采用絕緣單點接地方式，且地線端部電磁感應電壓宜限制在500～1 000 V以下，以保證架空地線帶電作業安全。

當輸電線路長度較短，如不超過5 km時，若架空地線全線電磁感應電壓未超過1 000 V，架空地線應采用絕緣單點接地方式，接地點可設置在絕緣架空地線端部或中部;當輸電線路較長時，若架空地線全線電磁感應電壓超過1 000 V，可采取地線分段、地線換位、導線換位、導地線配合換位等措施降低絕緣架空地線單點接地時端部電磁感應電壓［1-3］。

單回線路和同塔多回(或雙回)線路架空地線感應電壓沿線分布規律是不同的，可根據其不同特性總結出單回線路、多回線路架空地線典型接地方式，既能實現架空地線的節能降損，又能限制架空地線感應電壓低于1 000 V。

本文對輸電線路架空地線節能工程實施過程中的若干關鍵技術進行研究，相關技術已在廣東電網5個供電局20余回110kV及以上冰區、非冰區線路中實際應用，效果良好。

1 單回線路架空地線接地方式

1.1 單根地線

我國單根架空地線一般用于35kV及以下電壓等級，部分110kV線路有時也會采用單根地線。單回線路只有1根地線時，為控制絕緣架空地線單點接地時地線端部的感應電壓，可采取地線分段配合地線接地點選擇位置的措施，使地線端部感應電壓控制在500～1 000 V以下。

1.1.1 接地點在各分段端部

架空地線接地點設置在各分段地線的端部時，接地方式如圖1所示，架空地線的最大感應電壓U0出現在各分段地線的另一端部。地線分段節距l0按式(1)計算確定。

圖1 接地點在各分段地線端部Fig.1 Ground point at the end of each part ground wire

根據架空地線感應電壓計算公式，地線感應電壓與導、地線互感成正比，與導線電流成正比，這與式(1)結果是一致的。

1.1.2 接地點在各分段中部

架空地線接地點設置在各分段地線的中部時，接地方式如圖2所示，架空地線的最大感應電壓U0出現在各分段地線的2個端部。

地線分段節距l0按式(2)計算確定。

圖2 接地點在各分段地線中部Fig.2 Ground point at the middle of each part ground wire

式(1)～(2)中:l0為地線分段節距，km;U0為地線感應電壓限值(建議取500～1 000 V)，下同，V;I為輸電線路運行電流，A;k為電壓等級系數，110kV取12～15，35kV 及以下電壓等級取15～18。

1.2 2根地線

單回線路采用2根架空地線時，為控制絕緣地線單點接地時端部感應電壓，可采取地線分段的措施［4］，并配合接地點位置選擇，使地線端部電磁感應電壓控制在500～1 000 V以下。

接地點設置在各分段地線端部時，接地方式如圖3所示。地線分段節距l1按式(3)計算確定。

圖3 接地點在各分段地線端部Fig.3 Ground point at the end of each part ground wire

接地點設置在各分段地線中部時，接地方式如圖4所示。地線分段節距l2按式(4)計算確定。

式(3)～(4)中:l1、l2為地線分段節距，km;U0為地線感應電壓限值，V;I為輸電線路運行電流，A;k為電壓等級系數，500kV取8～10，220kV取10～12，110kV 取12～15。

圖4 接地點在各分段地線中部Fig.4 Ground point at the middle of each part ground wire

2 同塔多回線路架空地線接地方式

同塔多回(含雙回)線路絕緣架空地線單點接地時宜采用地線分段單點接地方式降低感應電壓，并配合接地點位置選擇。

2.1 分段地線端部接地

架空地線接地點設置在各分段地線端部時，接地方式如圖5所示。地線分段節距l3按式(5)計算確定。

圖5 接地點在各分段地線端部Fig.5 Ground point at the end of each part ground wire

2.2 分段地線中部接地

圖6 接地點在各分段地線中部Fig.6 Ground point at the middle of each part ground wire

架空地線接地點設置在各分段地線中部時，接地方式如圖6所示。地線分段節距l4按式(6)計算確定。式(5)～(6)中:l3、l4為地線分段節距，km;U0為地線感應電壓限值，V;I為輸電線路運行電流，A;k為電壓等級系數，500kV取5～7，220kV取7～9，110kV取9～12。

3 非冰區地線絕緣子及其間隙選擇

非冰區地線絕緣子選型需綜合考慮架空地線機械強度和電氣性能，目前廣泛使用的地線絕緣子有懸垂、耐張絕緣子2類，主要有XDP-70C、XDP-70CN、XDP-100C、XDP-100CN等多種型號。耐張絕緣子間隙宜向上布置，懸垂絕緣子間隙宜向線路外側布置，以減少工頻及雷電電弧對絕緣子的灼傷。

節能設計時非冰區地線絕緣子間隙距離選擇應滿足以下要求:

(1)地線絕緣子間隙工頻(干或濕)放電電壓應高于正常運行時架空地線最大感應電壓;

(2)地線絕緣子間隙工頻(干或濕)放電電壓不應高于地線絕緣子工頻放電電壓;

(3)地線絕緣子間隙雷電放電電壓不應高于地線絕緣子雷電放電電壓。

3.1 標準大氣壓條件下間隙距離

架空地線感應電壓可通過地線換位或者地線分段控制在較低水平，如不超過1 000 V。選擇地線絕緣子可承受工頻過電壓倍數一般為3倍。

因地線絕緣子間隙濕工頻放電電壓小于干工頻放電電壓，故確定間隙距離時以濕工頻放電電壓為準。為防止地線絕緣子間隙被鳥糞等短接，考慮地線絕緣子間隙距離最小值為15 mm。

針對絕緣架空地線不同的感應電壓，選擇地線絕緣子間隙距離如表1。最大感應電壓不超過3kV時，間隙距離可選擇為15 mm;最大感應電壓在3～5kV時，間隙距離可選擇為25 mm;最大感應電壓在5～7kV時，間隙距離可選擇為35 mm。

按照以上原則，既能保證正常運行時地線絕緣子可靠承受絕緣地線感應電壓，又能保證過電壓時絕緣子間隙放電，有效保護地線絕緣子。

表1 標準大氣條件下間隙距離Tab.1 Gap distance under standard atmospheric condition mm

3.2 不同海拔下間隙距離

折算標準大氣條件下地線絕緣子工頻放電電壓值到不同海拔高度時，可確定海拔高度分別為2 000，3 000，4 000m處，絕緣地線不同感應電壓應選擇的間隙距離，如表2所示。

絕緣架空地線最大感應電壓不超過1kV時，海拔不高于4 000m地區間隙距離可取15 mm;絕緣架空地線最大感應電壓不超過3kV時，海拔不高于3 000m地區間隙距離可取15 mm，海拔3 000～4 000m地區間隙距離可取20 mm;最大感應電壓不大于5kV時，海拔不高于2 000m地區間隙距離可取30 mm，海拔2 000～3 000m地區間隙距離可取35 mm，海拔3 000～4 000m地區間隙距離可取40 mm;最大感應電壓不大于7kV時，海拔分別低于2 000，3 000，4 000m地區，間隙距離可分別取45，50，55 mm。

3.3 不同溫度下間隙距離

表2 不同海拔高度下間隙距離Tab.2 Gap distance at different altitude mm

根據標準大氣條件下的工頻放電電壓Up，可折算到不同環境溫度下的工頻放電電壓。針對絕緣地線不同的感應電壓，選擇環境溫度分別為－40、－20、0、20、40℃時間隙距離如表3所示。

表3 不同溫度下間隙距離Tab.3 Gap distance at different temperature mm

最大感應電壓不超過3kV時，環境溫度－40～40℃地區間隙距離可取15 mm;最大感應電壓不超過5kV時，環境溫度－40～0℃地區間隙距離可取20 mm，環境溫度0～40℃地區間隙距離可取25 mm;最大感應電壓不超過7kV時，環境溫度－40～－20℃地區間隙距離可取30 mm，環境溫度－20～0℃地區間隙距離可取35 mm，環境溫度0～40℃ 地區間隙距離可取40 mm。

3.4 嚴重濕度下間隙距離

地線絕緣子間隙電場屬于不均勻電場，不能忽略空氣濕度影響。

為確保不同空氣濕度下地線絕緣子能可靠承受架空地線的感應電壓，地線絕緣子保護間隙的距離應按最苛刻濕度條件。取相對濕度為80%，根據標準大氣條件下工頻放電電壓Up可計算相對濕度為80%時的工頻放電電壓。

針對絕緣地線不同的感應電壓，可按表4確定地線絕緣子間隙距離。最大感應電壓不大于3kV時，地線絕緣子保護間隙可選擇15 mm;最大感應電壓不大于5kV時，間隙可選擇30 mm;最大感應電壓不大于7kV時，間隙可選擇45 mm。

表4 嚴重濕度下(相對濕度80%)間隙距離Tab.4 Gap distance in high humidity

4 冰區地線絕緣子及其間隙選擇

冰區架空地線進行節能設計時，還必須同時考慮地線直流融冰問題［5-6］，因此，地線絕緣子除需滿足上述非冰區地線絕緣子技術要求，還需同時滿足覆冰條件及直流融冰技術要求:

(1)地線絕緣子間隙直流覆冰耐受電壓應高于最高直流融冰電壓;

(2)地線絕緣子間隙直流覆冰耐受電壓不應高于地線絕緣子直流覆冰耐受電壓。

4.1 普通地線絕緣子

傳統地線絕緣子覆冰情況下間隙距離30 mm時直流放電電壓為7～9kV，間隙距離40 mm時直流放電電壓為10kV，間隙距離50 mm時直流放電電壓為12kV，間隙距離60 mm時地線絕緣子可能閃絡，即絕緣子間隙失去保護作用［7-8］。在滿足冰區地線絕緣子及間隙電氣性能要求的前提下，地線直流融冰電壓小于10kV時間隙距離可取40 mm，直流融冰電壓小于12kV時間隙距離可取50 mm。

4.2 融冰地線絕緣子

地線長度大于40 km時直流融冰電壓可達15kV甚至更高，而直流融冰裝置輸出電壓主要有15、20kV，因此，可開發新型能兼顧直流融冰的地線絕緣子，以滿足架空地線節能與融冰需要，如圖7所示。

圖7 兼顧融冰的地線復合絕緣子Fig.7 Ground wire composite insulator with taking account of melting ice

兼顧直流融冰的地線絕緣子包括地線復合絕緣子、角狀電極和帽式保護罩。地線復合絕緣子覆冰情況下覆冰直流耐壓不小于30kV，其采用一大兩小或一大一小的傘形結構，大傘裙間插小傘裙，結構高度取300～600 mm，爬電距離為900～1 800 mm，以滿足覆冰情況下直流耐壓不小于30kV。

角狀電極和帽式保護罩構成并聯間隙，覆冰時直流放電電壓不小于15kV，其角狀電極采用等效直徑為8～14 mm的鍍鋅圓鋼或扁鋼，通過抱箍固定在地線復合絕緣子下端部金具上。角狀電極與帽式保護罩位置相對，構成復合絕緣子并聯間隙，間隙距離為50～80 mm。

帽式保護罩兼有間隙電極、防鳥糞污染及減小覆冰累積作用。保護罩頂部采用鋁合金壓延封閉構成，帽沿采用鋁合金管，底部鋁合金厚度為0.25～1 mm，鋁合金管等效直徑為8～20 mm，頂部與帽沿采用嵌入式壓接或焊接，帽式保護罩外徑為200～400 mm。

5 OPGW絕緣接續

OPGW作為架空地線，其出廠長度一般為4～6 km，故無論采用地線全線絕緣單點接地還是分段絕緣單點接地的方式，為保證OPGW光路連續性，都存在OPGW光纖接續問題［9-10］。

改變OPGW接地方式為單點接地之后，在非接地點的OPGW接續處，需要將OPGW接續盒做絕緣化處理，目前尚無廠家生產這類專用產品。但在35～110kV光纖復合架空相線(optical phase conductor，OPPC)工程中已開發出類似產品作為光纜終端接續盒。為實現OPGW全線絕緣單點接地方式或分段絕緣單點接地方式［11-15］，可使用以下3種不同型式的光纖接續盒。

5.1 終端絕緣接續

當要求光纖接續盒一側OPGW金屬接地而另一側OPGW對地絕緣時，兩側的OPGW需要電氣隔離。在終端時或當OPGW分段絕緣且接地點在各分段地線端部的分段點處，均需要此類光纖接續盒。

該類型OPGW接續盒結構如圖8所示，包括OPGW接續上盒、OPGW 接續下盒、隔離絕緣子、絕緣子內置光纖和OPGW固定夾具。絕緣子內置光纖可使用全介質自承式(all dielectric self-supporting，ADSS)光纜進行光路連通。在需要對地絕緣的OPGW接續上盒(或者下盒)，使用ZS6－12/4戶外棒式瓷絕緣子將OPGW光纖接續盒對鐵塔絕緣。

圖8 隔離型OPGW光纖接續盒Fig.8 Isolated OPGW fiber splice box

該類OPGW接地方式還可使用ADSS光纜進行光路連接，從而實現兩側OPGW電氣隔離。如條件所限，也可使用35kV OPPC接續盒代替，如圖9所示。

圖9 35kV OPPC接續盒Fig.9 35kV OPPC fiber splice box

5.2 中間絕緣接續

5.2.1 隔離型OPGW絕緣接續

該類型光纖接續盒兩側OPGW均對地絕緣，但需兩側OPGW金屬部分電氣隔離。當OPGW分段絕緣，且接地點在各分段地線中部時，OPGW分段處要求光纖接續盒兩端的OPGW電氣隔離。

該類型OPGW接續盒結構如圖10所示，包括OPGW接續上盒、OPGW 接續下盒、隔離絕緣子、絕緣子內置光纖、絕緣底座和OPGW固定夾具。絕緣子內置光纖可使用ADSS光纜進行光路連通。使用ZS6－12/4戶外棒式瓷絕緣子將OPGW光纖接續盒對鐵塔絕緣。如條件所限，也可使用35kV OPPC接續盒代替。該類OPGW還可使用ADSS光纜進行光路連接，實現兩側OPGW電氣隔離。

圖10 隔離型絕緣光纖接續盒Fig.10 Isolated insulation fiber splice box

5.2.2 連續型OPGW絕緣接續

該類型光纖接續盒兩側OPGW均對地絕緣，兩側OPGW金屬部分不需電氣隔離，適用于OPGW盤長較短、僅需單純完成OPGW光路和電路連通性的情況。使用ZS6－12/4戶外棒式瓷絕緣子將OPGW光纖接續盒對鐵塔絕緣，如圖11所示。

6 OPGW金具

圖11 光纖絕緣接續盒Fig.11 Fiber insulation splice box

OPGW金具可沿用目前成熟技術，包括產品、設計、施工及運行維護各方面，一般采用以下配套金具安裝OPGW。為實現OPGW單點接地，可在逐基接地的OPGW金具上進行改進。

6.1 懸垂金具

改預絞式懸垂線夾為雙聯結構預絞式懸垂線夾，并在其中串入帶放電間隙的絕緣子，如圖12所示。

圖12 懸垂線夾Fig.12 Suspension clamp

6.2 耐張金具

改預絞式耐張線夾為雙聯結構預絞式耐張線夾，并在其中串入帶放電間隙的絕緣子，如圖13所示。

圖13 耐張線夾Fig.13 Strain clamp

6.3 防振金具

采用預絞絲式防振錘，如圖14所示。

圖14 預絞式防振錘Fig.14 Preformed damper

7 結論

為實現架空地線節能運行，并兼顧架空地線直流融冰以及基本防雷、通信功能，傳統的逐基接地方式不能滿足運行要求，架空地線需要采取單點接地、分段、換位、導地線配合換位等節能接地技術，地線端部感應電壓宜控制在500～1 000 V以下，以保證帶電作業安全。

地線絕緣子及其并聯間隙的選型參數應綜合考慮機械強度和電氣性能要求，選擇間隙距離需考慮不同海拔高度、不同環境溫度和濕度的影響，冰區地線絕緣子還應同時滿足覆冰條件以及直流融冰技術要求，絕緣子間隙直流覆冰耐受電壓應高于直流融冰電壓。

OPGW節能接地方式下，為保證光路連續性，必須解決OPGW光纖接續問題。提出了終端絕緣接續以及中間隔離型、連續型絕緣接續等3種不同型式的光纖接續盒方案，以及OPGW金具選用型式，可以滿足工程設備選型需要。

［1］DL/T 832—2003光纖復合架空地線［S］.北京:中國電力出版社，2003.

［2］程慕堯.架空輸電線路導線換位及絕緣地線運行方式優化方案［J］.中國電力，2000，31(1):57-58.

［3］DL/T 763—2013架空線路用預絞式金具技術條件［S］.北京:中國電力出版社，2013.

［4］吳康平.500kV線路絕緣地線的設計［J］.電力建設，2001，22(11):11-13，16.

［5］彭向陽，周華敏，潘春平.2008年廣東電網輸電線路冰災受損情況及關鍵影響因素分析［J］.電網技術，2009，33(9):108-112.

［6］彭向陽，周華敏，毛先胤，等.輸電線路融冰初期易冰閃機理試驗研究［J］.高壓電器，2012，48(11):82-86.

［7］彭向陽，周華敏，楊楚明.廣東電網直流融冰裝置安裝調試及實冰演練［J］.高壓電器，2010，46(3):98-102.

［8］文明浩，吳伯華.絕緣地線間隙放電對距離保護影響的研究［J］.繼電器，2000，29(10):25-27.

［9］彭向陽，劉毅剛，張穗強.OPGW光纖復合架空地線異常發熱現場測量分析及仿真［J］.電網技術，2012，36(2):206-211.

［10］曹佩榮，孟濤，宋愛成，等.對我國特高壓電網中OPGW應用問題的探討［J］.電力建設，2007，28(6):1-6，9.

［11］臧劍欣，游懷仁.OPGW 的熱穩定計算及應用［J］.電力建設，2004，25(6):17-20.

［12］杜天蒼，張堯，夏文波.利用短路電流熱效應的OPGW分流地線選型［J］.高電壓技術，2007，33(9):110-114.

［13］蔣陶寧，徐亮，卞鵬，等.導線相序及換位方式對地線損耗的影響［J］.電力建設，2011，32(11):16-21.

［14］傅賓蘭.光纖復合架空地線OPGW運行狀況和防雷［J］.中國電力，2005，38(10):29-34.

［15］謝書鴻，何倉平，徐擁軍.輸電線路節能增效技術發展［J］.中國電力，2012，45(8):15-19.