輸電線路架空地線節能接地技術

輸電線路架空地線節能接地技術是一種針對架空線接地的節能技術。架空地線與導線之間存在電磁感應，由此帶來架空地線電能損耗問題。對架空地線節能接地技術進行系統研究，提架空地線感應電壓的控制原則，區分單回、多回線路提出架空地線節能接地方式以及地線分段節距公式。提出地線絕緣子及間隙選型要求，給出標準大氣壓以及不同海拔、溫度、濕度條件下間隙距離參數，對冰區絕緣子還提出了覆冰絕緣配置和直流融冰技術要求。

基本介紹

• 中文名：輸電線路架空地線節能接地技術
• 外文名：Power - saving grounding technology for transmission lines
• 類型：節能技術
• 作用：減少架空地線電能損耗
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

架空地線與導線之間存在電磁感應，由此帶來架空地線電能損耗問題。對架空地線節能接地技術進行系統研究，提出架空地線感應電壓的控制原則，區分單回、多回線路提出架空地線節能接地方式以及地線分段節距訓一算公式。提出地線絕緣子及間隙選型要求，給出標準大氣壓以及不同海拔、溫度、濕度條件下間隙距離參數，對冰區絕緣子還提出了覆冰絕緣配置和直流融冰技術要求。提出多種光纖複合地線(optical fiber composite overhead ground wire OPGW)節能接續方案，並介紹了OPGW常用金具。提出的架空地線節能接地技術已在廣東電網冰區、非冰區線路中實際套用。

我國110 kV及以上輸電線路架空地線主要有普通地線(common overhead ground wire CGW)和光纖複合地線(optical fiber composite overhead ground wireOPGW) 2種，基於防雷和通信考慮，架空地線大多採取逐基接地方式，由於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，500 kV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 x104 kW "h/a"km可見，架空地線電能損耗不容忽視，但傳統輸配電線損計算只考慮導線電能損耗，其大小基於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，並綜合考慮架空地線防雷、通信性能，架空地線可採用絕緣單點接地方式，且地線端部電磁感應電壓宜限制在500一1 000 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，架空地線應採用絕緣單點接地方式，接地點可設定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，可採取地線分段、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。

單回線路和同塔多回(或雙回)線路架空地線感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於1 000 V 。

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，相關技術己在廣東電網5個供電局20餘回110 kV及以上冰區、非冰區線路中實際套用，效果良好。

單根地線

我國單根架空地線一般用於35 kV及以下電壓等級，部分110 kV線路有時也會採用單根地線。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，可採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。

接地點在各分段端部

架空地線接地點設定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U。出現在各分段地線的另一端部。地線分段節距Z。按式(1)計算確定。 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W結果是一致的。lo=k*Uo/I。

接地點在各分段中部

架空地線接地點設定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U。出現在各分段地線的2個端部。地線分段節距Z。按式(2)計算確定。

lo=k* 2Uo/I (2)

式(1)一(2)中:L₀為地線分段節距，km;U₀為地線感應電壓限值(建議取500一1 000 V )，下同，V; l為輸電線路運行電流，A; k為電壓等級係數，110 kV取12一15，35 kV及以下電壓等級取15一18。

兩根地線

單回線路採用兩根架空地線時，為控制絕緣地線單點接地時端部感應電壓，可採取地線分段的措施，並配合接地點位置選擇，使地線端部電磁感應電壓控制在500一1 000 V以下。 接地點設定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按下式計算確定。

L1=k*U0/I

分段地線端部接地

架空地線接地點設定在各分段地線端部時，接地方式如圖5所示。地線分段節距按下計算確定。

L₂=k*2U₀/I

分段地線中部接地

架空地線接地點設定在各分段地線中部時，接地方式如圖6所示。

非冰區地線絕緣子選型需綜合考慮架空地線初械強度和電氣性能，目前廣泛使用的地線絕緣子有懸垂、耐張絕緣子兩類，主要有XDP 70C, XDP 70CN.XDP 00C,XDP 00CN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(乾或濕)放電電壓應高於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(乾或濕)放電電壓不應高於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於翅線絕緣子雷電放電電壓。

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。選擇地線經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於乾工瀕放電電壓，故確定間隙距離時以濕工頻放電電壓選準。為防止地線絕緣子間隙被鳥糞等短接，考慮地y絕緣子間隙距離最小值為25mm。

針對絕緣架空地線不同的感應電壓，選擇地線絲緣子間隙距離如表1。最大感應電壓不超過3 kV時，間隙距離可選擇為巧mm;最大感應電壓在35 kV時，間隙距離可選擇為25 mm;最大感應電壓在5一7 kV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綺子間隙放電，有效保護地線絕緣子。

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2 000，3 000，4 000 m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1 kV時，海拔不高於4 000 m地區間隙距離可取巧mm;絕緣架空地線最大感應電壓不超過3 kV時，海拔不高於3 000 m地區間隙距離可取15 mm，海拔3 000- 4 000 m地區間隙距離可取20 mm;最大感應電壓不大於5 kV時，海拔不高於2 000 m地區間隙距離可取30 mm，海拔2 000-3 000 m地區間隙距離可取35 mm，海拔3 000一4 000 m地區間隙距離可取40 mm;最大感應電壓不大於 7 kV時，海拔分別低於2 000，3 000，4 000 m地區，間隙距離可分別取45，50，55 mm。

不同溫度下間隙距離

根據標準大氣條件下的工頻放電電壓U.，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一40, -20,0,20,40℃時間隙距離如表3所示。

最大感應電壓不超過3 kV時，環境溫度一40-40℃地區間隙距離可取15 mm;最大感應電壓不超過5 kV時，環境溫度-40-0℃地區間隙距離可取20 mm，環境溫度0一40℃地區間隙距離可取25 mm;最大感應電壓不超過7 kV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 .

嚴重濕度下間隙距離

地線絕緣子間隙電場屬於不均勻電場，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U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。最大感應電壓不大於3 kV時，地線絕緣子保護間隙可選擇25mm;最大感應電壓不大於5 kV時，間隙可選擇30 mm;最大感應電壓不大於7 kV時，間隙可選擇45 mm。

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，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於最高直流融冰電壓;

2)地線絕緣子間隙直流覆冰耐受電壓不應高於地線絕緣子直流覆冰耐受電壓。

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10 kV，間隙距離50 mm時直流放電電壓為12 kV，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。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於10 kV時間隙距離可取40 mm，直流融冰電壓小於12 kV時間隙距離可取50 mm。

融冰地線絕緣子

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

兼顧直流融凍的地線絕緣子包括地線複合絕緣子、角狀電極和帽式保護罩。地線複合絕緣子覆冰情況下覆冰直流耐壓不小於30 kV，其採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於30 kV。

角狀電極和帽式保護罩構成並聯間隙，覆冰時直流放電電壓不小於15 kV，其角狀電極採用等效直徑為8-14 mm的鍍鋅圓鋼或扁鋼，通過抱箍固定在地線複合絕緣子下端部金具上。角狀電極與帽式保護罩位置相對，構成複合絕緣子並聯間隙，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。保護罩頂部採用鋁合金壓延封閉構成，帽沿採用鋁合金管，底部鋁合金厚度為0. 25-1 mm鋁合金管等效直徑為8-20mm，頂部與帽沿採用嵌入式壓接或焊接，帽式保護罩外徑為200-400 mm。

OPGW作為架空地線，其出廠長度一般為4}6 km，故無論採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。

改變OPGW接地方式為單點接地之後，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35-110 kV光纖複合架空相線(optical phaseconductor OPPC)工程中己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，可使用以下3種不同型式的光纖接續盒。

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}upporting}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ZS6一12 /4戶外棒式瓷絕緣子將OPGW光纖接續盒對鐵塔絕緣。 該類OPGW接地方式還可使用ADSS光纜進行光路連線，從而實現兩側OPGW電氣隔離。如條件所限，也可使用35 kV OPPC接續盒代替，如圖9所示。

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ZS6一12 /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35 kV OPPC接續盒代替。該類OPGW還可使用ADSS光纜進行光路連線，實現兩側OPGW電氣隔離。

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，適用於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ZS6一12 /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。

為實現架空地線節能運行，併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，架空地線需要採取單點接地、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500一1 000 V以下，以保證帶電作業安全。

地線絕緣子及其並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於直流融冰電壓。

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。