地市公司架空線路阻抗實用 計算工具的探討

楊雪梅 楊劍梅 樊彥琴 高 輝

（天水供電公司，甘肅 天水 741000）

架空線路阻抗是電網設備校核及保護整定計算中十分重要且比較特殊的參數，由于架空線路的阻抗與桿塔設計、導線布置、地線布置等有著直接的關系，因此與其他一次設備不同，線路銘牌參數中無阻抗參數，目前國內也無標準的線路阻抗參數計算軟件。

獲取線路阻抗參數理想的辦法是實測，但是在工程實踐中實測參數仍有局限性，阻抗速算方法的研究有極大的必要性：①開展實測工作需要專業的技術人員和測量設備，大部分地市公司由于所轄線路電壓等級不高，未對線路實行百分之百實測；②實測工作需要線路全線貫通后才能進行，實測結果的獲取比較滯后，不能滿足設計人員及保護整定計算人員的工作時間需求；③線路阻抗實測結果也需要與理論計算參數進行對比驗證；④架空線路阻抗的理論計算公式非常復雜，如果依靠人工手動計算，工作效率低且易出錯。因此，迫切需要對架空線路阻抗參數的速算方法展開研究，開發相應的計算軟件，及時為電網短路電流校核及保護整定提供可靠、正確的基礎數據。

本文正是基于架空線路阻抗實測工作的局限性和理論速算工具研發的迫切性，將理論研究與實踐論證相結合，對架空線路阻抗速算方法展開研究，目的在于解決當前設計、保護整定等環節中無實測參數的棘手問題，也為開發相應的計算工具提供清晰且符合工程實際需求的設計思路。

1 研究內容

在變電站設計階段，設計人員在進行電氣一次部分設計時，需要校核變電站各電壓等級設備的短路電流水平以便進行設備選型工作[1]，對線路阻抗參數精度要求不高，且此時架空線路還未架設，線路桿塔型號架設方式也未確定，只能根據導線型號及長度來估算線路阻抗，可采用簡化計算的方式。

但是，為防止保護裝置發生“拒動”或“誤動”，保護整定計算對線路阻抗參數精確度要求較高，應采用較為精確的計算方式，而且電網保護整定計算工作是在線路設計工作結束后進行，此時能詳細掌握整條線路導線、地線信息及桿塔架設情況，具備精確計算的條件。

因此，根據設計人員與保護整定計算人員工作內容的差異以及對線路阻抗精確度要求的不同，以《電力工程高壓送電線路設計手冊》[2]中關于單回、雙回架空線路阻抗計算公式為基礎，將計算模塊分為簡化計算和精確計算兩個部分。

2 簡化計算模塊

簡化計算模塊主要應用于架空線路基礎信息（如桿塔型號、地線等）不全的情況下對導線阻抗進行粗略計算，滿足電網規劃期進行設備短路電流水平校核的需求。下面以路為例進行說明：

具有兩根避雷線的單回架空線正序電抗X1、零序阻抗Z0計算公式[2]如下：

其中：

rm為導線的有效半徑（幾何半徑）；

dgh為兩避雷線間的距離；

rm(g)為避雷線的等價半徑；

Rg為避雷線的電阻；

dag、dbg、dcg、dah、dbh、dch分別為各導線至避雷線的距離。

通過上述公式可以看出，架空線的阻抗值與許多因素相關，包括架空線路參數（半徑、電阻）、地線參數（半徑、電阻）、導線間距、地線間距、大地電阻率等信息。

在電網規劃階段，首先可根據規劃區域的地理圖估算導線的長度，進而根據負荷預測估算出線路的最大負荷電流，從而確定導線的型號。在確定了架空導線長度和型號這兩個重要參數后，阻抗計算所需的其他參數可選用典型參數進行計算。

在桿塔型號未知的情況下可選擇典型單回塔（如ZM、J1 型等）的相間距作為基礎參數，從而計算出相應的正序電抗值；計算零序阻抗參數時，可選擇常用的鋼絞線（如GJ-50、GJ-70 等）的參數作為地線基礎參數進行計算。

簡化計算中選擇典型參數代替未知參數，無需掌握線路詳細的桿塔明細表，在工程實踐中計算結果可用于設備選型時的短路電流校核工作。

3 精確計算模塊

精確計算模塊適用于架空線路桿塔明細表信息完整的情況，桿塔明細表信息包括導線型號、地線型號、桿塔型號、桿塔排列、地理位置等。

精確計算就是通過桿塔明細表掌握計算相關的基礎信息（導線型號、地線型號、桿塔型號、桿塔排列等），嚴格按照理論公式計算出線路阻抗。架空線路阻抗的理論計算過程和計算公式都非常復雜，對于接線形式多樣，有多級桿塔的長線路，計算量就更加龐大，所以有必要開發相關的計算軟件，下面介紹一種符合工程實際需求的計算軟件的主要設計思想，可在減少輸入量的前提下快速計算出線路阻抗。

3.1 建立桿塔數學模型

以 1D6-SZ2 型桿塔為例進行說明，圖1為1D6-SZ2 型桿塔的塔頭結構圖，類型為具有兩根避雷線的雙回線桿塔（桿塔絕緣子串長度設為1.5m）。

架空線路正序、零序阻抗與導線-導線、導線-地線、地線-地線的間距相關，如果手動計算出每一級桿塔導線與導線間距（dab、dbc、dca），導線與地線間距（dag、dbg、dcg、dah、dbh、dch）等，再將這些數據作為基礎參數輸入軟件，手動計算量非常大，因此首先解決桿塔結構的數學建模問題。本文采用建立平面坐標的方式來建立桿塔塔頭的模型，如圖2所示，各點坐標相關數據可直接從桿塔設計圖上獲取，無需計算。

圖1 1D6-SZ2 型桿塔塔頭結構圖

圖2 1D6-SZ2 桿塔塔頭結構坐標圖

根據桿塔明細表將整條線路的桿塔型號進行分類匯總，對不同類型的桿塔建立坐標，將a、b、c、g、h 各點坐標輸入到設備參數管理模塊中，如圖3所示，建立起桿塔模型的數據庫，系統能根據坐標快速計算出各點之間的距離，從而為計算阻抗提供基礎參數。

圖3 桿塔基礎參數輸入界面

3.2 建立架空線、地線的基礎參數庫

架空線路正序阻抗與導線的半徑電阻相關，零序阻抗還與地線的半徑、電阻及地理環境相關，因此在圖3所示的設備參數模塊中應添加架空導線、避雷線的相關參數等信息，其中同類型導線、地線等信息只需添加一次，大大提高工作效率。在實際工作中，獲取架空導線、地線的基礎參數可參考設計手冊，也可由生產廠家提供。

3.3 計算界面主要設計思想

在計算模塊的輸入界面中對照桿塔明細表的設計圖，逐級輸入桿塔信息，所需錄入的信息如圖4所示。通常在同一條線路中，各級桿塔所對應的導線型號、地線型號是相同的，所處的地質環境差異也不大，這種情況下導線型號、地線型號、大地電阻只需輸入一次，下一級桿塔中相關信息會自動顯示（顯示值也可修改），這樣大大減少基礎參數輸入量。

圖4 桿塔明細表輸入界面

需要說明的是，在實際工程中經常遇到線路改造的情況，需要拆除或新建部分桿塔。為了避免重復導入線路信息，只需在圖4中輸入“拆除桿塔”及“新建桿塔”的編號及改造部分的桿塔信息，并可實現線路桿塔信息及阻抗計算結果的更新。

在輸入導線、地線及桿塔型號后，計算程序自動匹配到數據庫中與計算相關的參數（如導線半徑、電阻；地線半徑、電阻；桿塔塔頭坐標等），按照理論計算公式快速完成計算過程，輸出計算結果。

4 分析驗證

本文以110kV 社岷（1112）線路為例（線路長42km）進行實例分析和驗證，精確計算模塊的計算結果如圖5所示。

圖5 線路（1112）阻抗計算結果

為驗證理論計算結果的實用性，首先將線路阻抗的計算結果與統計數據進行對比分析。社岷（1112）線路類型為具有剛性避雷線的單回路線路，參考《電力工程高壓送電線路設計手冊》的統計數據，該類線路的零序電抗與正序電抗的比值X0/X1≈3.0，實用程序的計算結果為3.05，說明計算結果與經驗值相符。

為了進一步驗證理論計算值是否符合實際工程應用的計算要求，整理了該線路在近幾年的金屬性短路故障信息（短路電流、實際故障點位置、測量阻抗），并將理論計算值輸入繼電保護整定計算仿真系統，進行保護整定并計算同類型故障下的短路電流，將實際統計數據與仿真數據進行對比，對比結果見表1。

表1 故障信息對比表

根據保護整定計算原則[3]，將線路阻抗理論計算值用于距離保護，零序電流、過流保護的整定計算，從表1對比數據可以看出距離Ⅰ段、Ⅱ段定值均能正確反應故障范圍，距離保護能正確動作；同時仿真系統計算的短路電流與實際故障電流接近，根據整定原則在考慮一定的靈敏度的情況下完全能滿足保護整定計算的要求，使電流保護（零序、過流）正確動作。因此，圖5中的理論計算結果具有工程應用價值。

5 管理模塊

管理功能的目的是對輸入的信息、計算結果、設備參數、用戶信息、實測參數輸入進行管理，以實現數據信息的查詢、修改、導入、導出等功能，管理模塊設計如圖6所示，下面對其主要功能做簡要說明。

在圖4所示模塊中輸入架空線路信息后，可在圖6顯示的“輸入參數”中查詢到整條線路的完整信息。由于“輸入參數”包含信息較多，可通過“選擇列”根據需要選擇部分信息輸出。

在“輸出參數”中可以查詢到線路的計算參數（正序阻抗、零序阻抗、線路電容），而且在“桿塔模式”下還可以查看兩級桿塔間的線路的阻抗值，這樣可以很容易計算出一條線路任意兩級桿塔間的阻抗值，若線路中含T 接線，主干線中門架至T 節點的阻抗為已知，只需計算T 接線部分的阻抗。

圖6 數據管理中心界面

在“設備參數”中可將已知的桿塔信息、地線信息、架空線信息等全部輸入，建立較為完善的數據庫，這樣計算下一條線路時能自動匹配，無需重復輸入，提高工作效率。

在“實測數據輸入”中將已獲取的實測參數輸入，可將實測參數與理論計算參數進行對比分析。

6 結論

本文在總結多年工程實踐經驗的基礎上，對架空線路阻抗的理論計算方法展開研究，給出了相應計算軟件的主要設計思想。簡化計算模塊的計算結果能滿足設計階段一次設備短路電流水平校核的要求；精確計算模塊緊密聯系工程實際情況，滿足線路新建、改造、T 接等多種情況下的計算需求，在減少輸入量的前提下快速計算出架空線路阻抗。它較好地解決了地市公司部分架空線路無實測參數難題，完全消除手動計算環節，大大提高工作效率，而且還能對線路信息進行全面管理，滿足查詢、導出、更新等工作需求。因此本文的研究內容具有重要的工程應用價值。

[1] 傅知蘭.電力系統電氣設備選型與實用計算[M].北京: 中國電力出版社,2004.

[2] 能源部東北電力設計院.電力工程高壓送電線路設計手冊[M].北京: 水利電力出版社,1991.

[3] 崔家佩,孟慶炎,陳永芳,等.電力系統繼電保護與安全自動裝置整定計算[M].北京: 中國電力出版社,2001.