节能地线在架空线路中的应用

蔡理树

（福建亿兴电力设计院有限公司，福建泉州 362000）

0 引言

目前，架空电力线路的地线一般以OPGW 复合地线为主，地线接地形式一般为全线杆塔逐基接地。因为这种接地形式简易，无绝缘子安装方便，一次性投入成本低，因而地线感应损耗长期不受重视。以某110 kV 架空线路为例，阐述采用节能地线给架空线路带来的效益。

1 OPGW 产生损耗的原因

在架空输电线路的运行中，地线与带电导线之间会发生电磁场与静电场的耦合。常规的全线杆塔逐基接地形式形成的纵向感应电动势，将在两根地线通过杆身构成闭合回路。而与大地又分别构成两个闭合回路，由于闭合回路的电流热阻效应，不断产生类似导线的损耗。

OPGW 地线加装绝缘子，相当于避免双地线构成闭合回路，降低感应电动势，相当于降低输电线路的附加功率损耗。每个部分都有可靠的接地点，雷击时，在避雷先锋放电阶段击穿接地线的绝缘间隙，使接地线一一接地，不影响防雷效果。

交流线路于地线上存在感应电压，一般情况下地线均为全线直接接地，感应电形成闭合回路产生电能损耗，拟于耐张段一侧转角塔直接接地，另一侧耐张塔及所有直线塔采用带放电间隙绝缘子进行电气隔断，断开感应电回路，避免电磁损耗。

2 绝缘地线能量损耗计算的理论依据

地线上主要存在两种感应电动势，电磁感应电动势分量和静电感应电动势分量。虽然三相导线的U、I 基本平衡，但由于架空线路中，双地线与三相导线之间的空间位置存在不对称，不可避免存在两种感应电动势。

2.1 电磁感应的计算

2.1.1 电磁感应电动势计算

对单回路的线路：

在常规对称布置，则（d1a=d2c，d1b=d2b，d1c=d2a）有：

式中，a=∠120°；d1a为地线1 和导线a 之间的净空距离，其余类推。

2.1.2 电磁感应产生的感应电流计算

式中，Zt为两端环流线圈的工频阻抗；Z11为OPGW 地线与大地构成回路的自阻抗；L 为架空线路总长；K 为导线换位系数，导线不换位时，K=1；OPWG 地线换位时，E1和E2应用它们的垂直分量EL=（E1+E2）/2。

2.1.3 电能损耗

由于双OPGW 地线以逐塔接地形式，两侧电磁感应电动势并不相等，杆塔与大地也会构成闭合回路，这两部分产生的损耗即要求解的总线损。具体如下：

线间的环流分量：

单回线的年电能损失：

式中，L 为架空线路总长；t 为按一年的总损失小时时长；Ri为OPGW 地线1 km 的电阻；d12为两根OPWG 地线之间的净空距离；I=|Ia|，A 相的相间电流。

地中分量：

单回线的年电能损失：

则总电能损失ΔA=ΔAM+ΔAL。

2.2 静电感应的计算

静电感应电压是由于OPWG 地线接地，与大地形成闭合回路，具体求解如下：

其中，ω=314，为电位系数。若OPWG 地线换位，则静电感应电流I=（I1+I2）/2。

3 节能OPWG 地线选型

3.1 工程线路概况

110 kV 架空线路线路，线路始于220 kV 后坑变，止于110 kV紫帽变，路径总长度7.90 km，其中电缆0.16 km、架空7.74 km。有四回路架线四回4.08 km，三回路架线三回2.18 km，三回路架线两回1.05 km，双回路双回挂线长度约0.13 km，单回路长度约0.30 km。系统额定电压110 kV；线路输送容量103.7 MW、65.89 MW、82.36 MW；功率因数0.95；最大负荷利用小时数为3000 h。导线型号：2*JLHA3-275 中强度铝合金绞线，后坑至加工区、塘上为1*JLHA3-335 中强度铝合金芯绞线。导线垂直排列。地线型号：后坑至紫帽线路全线两条OPGW，分支线路地线为一条OPGW、JLB40-80。土壤电阻率：70～450 Ω·m；杆塔接地电阻：电缆终端杆不大于4 Ω，其余不大于10 Ω。相导线、地线技术参数见表1。

表1 相导线、地线技术参数

3.2 地线接地方式选择

根据系统规划的短路电流大小，采用双光缆OPGW-68 做为地线进行组合。根据工程线路初步设计的杆塔及档距的具体情况，后坑至紫帽线路左侧OPGW 光缆共分3 盘、右侧OPGW光缆共分2 盘。在热稳定性检查中，当接地线要求具有流路作用情况下，分流接地线也应可靠接地，对于其他无分流要求的接地线段，可采用分段绝缘单点接地。由于工程线路没有分流要求，所以可以对整段线路接地线进行接地运行方式分析。

（1）方案A：两根OPGW 全线均逐塔接地。由于两根接地线是全线杆塔接地的，所以在两根接地线之间形成了一个环路。接地电缆上的感应电压很低，但感应电流很大，避雷线的损耗也比较大。

（2）方案B：OPGW 绝缘端一端接地，另一端全线杆塔接地。左OPGW 线逐塔接地，右侧OPGW 的每个耐张串一端绝缘，另一端接地。其中一根地线加装绝缘子，以杜绝构成回路，避免产生线损，进而大大降低了传输线的附加功率损耗，但在另一OPGW 上仍存在较大的功率损耗。此外，方案B 与方案A 一样，不能降低构成闭合回路产生的电磁感应和静电感应，相应的感应电流还是较大，造成的线损依旧没有降低。

（3）方案C：两根OPGW 光缆分段绝缘，单点接地。具体方法为：2 个OPGW 各张紧段一端绝缘，另一端接地。通过这种方式，将两根OPGW 光缆分段绝缘，可以消除线路间环流组件的损耗，降低接地组件的损耗，从而大大降低传输线的附加功率损耗。同时，该方法减少了OPGW 的接地次数，在一定程度上降低了OPGW 被雷击的概率。

3.3 3 种接地线全寿命周期成本（LCC）比较

接地线损耗分为两部分，即接地线中感应电流造成的电能损耗和塔内加热过程中漏电流产生的线损，由欧姆定律公式W=I2Rt 进行计算。

现行电价标准为每度0.555 元，为方便计算取0.5 元/度，全寿命周期取30 年，相电流为250 A，最大电阻损耗小时数为3000 h，计算出组合地线3 种接地方式下电能损耗费用，见表2。

表2 组合地线3 种接地方式下的电能损耗比较

方案B 和方案C 对地线绝缘需增加相应的地线绝缘子费用。根据线路杆塔明细情况，工程OPGW 光缆约有17 基耐张塔及13 基直线塔需增加地线复合绝缘子，地线复合绝缘子价格取每套89 元，接地方案B 投资需增加绝缘子投资费用约0.79 万元，接地方案C 需增加绝缘子投资费用约1.58 万元。组合地线3 种接地方式LCC 年费用比较见表3。

表3 组合地线3 种接地方式LCC 年费用 万元

由组合地线3 种接地方式LCC 计算结果表可知，采用两根光缆均分段绝缘单点接地方式LCC 最低，仅为方案A 的21.17%，相对于方案A，采用方案C 在寿命周期内共可节省费用18.43 万元。工程仅按相电流为250 A 为基准进行损耗计算，在220 kV 及以上线路，因线路更长，节省的损耗也越可观。因此本工程推荐采用方案C。

3.4 节能分析

工程使用两根光缆均分段绝缘单点接地方式，比OPGW 逐塔接地方式节能主要体现在每年减少电能损耗3630 kW·h/km，全线减少电能损耗26 680.5 kW·h，30 年寿命周期全线路减少电能损耗800 415 kW·h，按每千瓦时电排放二氧化碳0.785 kg计算，可减少碳排放628 t。

4 绝缘间隙的选择

从防雷角度看，是否避过避雷线直击导线取决于电场图形，若绝缘地线很长（如数十千米的地线全线绝缘），则在逐步发展的过程中不可能在绝缘地线上感应出明显的对地电位，从而影响地线的防雷性能。若绝缘地线很短，则可通过限制地线绝缘水平的办法，以达到效果。据计算，工程5 km 耐张段分流地线最高感应电压为3.75 kV，因此绝缘间隙值参照以往的工程并考虑1 mm 的裕度，推荐采用14 mm。

5 结论

经过比较，推荐地线运行方式采取方案C，具体实施方案为：

（1）两根OPGW 光缆均分段绝缘、单点接地，每段OPGW 在一端接续塔全绝缘、另一端接续塔全接地。

（2）每盘OPGW 除了在其中1 个光缆接续塔上接地外，在其他铁塔上均通过地线绝缘子与铁塔保持绝缘。

（3）为提高地线绝缘子使用周期，地线绝缘子应采取并联连接。经计算，保护间隙值取14 mm 即可满足要求。