高压架空输电线路地线热稳定的计算

-1-高压架空输电线路地线热稳定的计算〖摘要〗随着超高压电网的发展出现了大功率的电力枢纽，其特点是在这些电力枢纽附近短路电流值非常大，需要计算地线热稳定，本文就纯钢绞线地线、钢绞线地线与OPGW、良导体与OPGW之间的配合计算加以研究，本文提出得计算方法对该类工程的计算有一定的指导意义。【关键词】地线短路电流热稳定1问题的提出随着超高压电网的发展出现了大功率的电力枢纽，其特点是在这些电力枢纽附近短路电流值非常大，使得架空地线返回电流可高大数千安培，且与短路点的位置、架空地线的材料、截面以及是否绝缘、杆塔的接地电阻、档距长度等因素均有关。当由于悬垂绝缘子串或空气间隙闪络，而在架空线路杆塔上发生单相短路时，地线会因由于地线返回的短路电流非常大缺乏足够的热稳定性而发生损坏，因此，就要求校验地线的热稳定性。在档距中央相导线对地闪络时，地线将直接耐受电弧的作用。但是，如果正确的选择档距中央导线与地线间的距离，这种闪络就很少发生，故在本次讨论、计算中不予考虑。2计算方法的确定2.1基本假设条件一般地说来流经地线的电流由以下条件共同决定：①发生短路的杆塔的接地电阻；②该杆塔与相邻杆塔间一段地线的电阻，或是当地线与变电所（发电厂）的接地网相连时，该杆塔与此接地网间一段地线电阻；③相邻杆塔或者变电所（发电厂）接地网的接地电阻。-2-rRn1rrrrrZmRRRRRRRZBX1ZBX2应当指出，一旦离开发电厂或变电所，短路电流就急剧下降。因此，为了校验地线的稳定性（特别是如果热稳定性不足，需要加大发电厂或变电站附近的地线截面时），则必须知道短路点沿线路移动时流经线路两端的短路电流变化情况。本文对如何计算单相短路电流不做介绍。导线流过短路电流时，其中由地线和相导线间的感应所引起的电流，由于钢地线的电阻比较高，在校验其热稳定时，该部分地线的电流可以忽略不计；但是良导体作架空地线时，该部分地线的电流的是不容忽略的。地线的热稳定性由短路电流及其持续时间长短来决定对地线进行校验时，应取相应于最不利条件下得计算短路电流；而计算时间，则取计及自动重合闸动作的整个主保护动作时间。2.2基本计算方法钢地线的电流分布，可按所示计算网络来确定。当进行计算时，在所研究区段上的线路档距都取相同的值，杆塔间地线的电阻r取用相等值，各杆塔接地电阻R也取用相等值。短路点两侧回路段的输入阻抗为：-3-)()(2•••••••++=rthmrthmZzzzzzMCCCMBX式中)(rRzC=•；Rrr/=•；m—短路点每侧均匀线路的档距数；Zm—使均匀线路形成闭路的阻抗，Ω。当地线与发电厂或变电站接地网相连时,阻抗Zm等于接地网的接地电阻Zm=Rn1.如果计算线段与带绝缘地线的线路段相连,或地线未与发电厂或变电所的接地网相连,则Zm=∞。此时,上式改写为：thmrZZCBX=相邻杆塔间的地线电阻：SLrCT×=ρ式中CTρ=0.14Ω.mm2/m—钢导体的有效电阻率，在电流值较大（大于5kA）时，取作常数；l—线路档距长度，m；S—所校验的地线截面，mm2。因为超高压线路通常带有相同型号双地线，所以此时杆塔间的地线电阻为：SLrCT××=ρ21短路点两侧地线中的电流为：I1=IK×Z0/ZBX1I2=IK×Z0/ZBX2式中1/Z0=1/ZBX1+1/ZBX2+1/RIK—所研究地点得计算短路电流，kA。-4-当线路上采用两根型号相同的地线时，所得到短路电流由两根地线均匀承担，即每根地线的电流等于式I1、I2值的一半。假如研究地点得计算短路电流值比较大（超过10kA），则必须考虑到因受杆塔接地电阻的影响而有所降低。则修正后的短路电流：UIRUIIeKeKKX22+=，（kA）式中Ue——线路的额定电压，kV。地线截面积按有关规程规定进行热稳定校验，并要求ctIAddd≥式中Ad—同时满足热稳定和满足机械强度的最小截面积，mm2；td—为短路的等效持续时间，按主保护动作时间并考虑自动重合闸不成功或断路器拒动等因素，一般取0.5～1.0s；C—架空地线材料的热稳定系数，钢绞线C=70，铝绞线C=120。在某一计算段内两根地线为不同型号和截面时r为并联值，求出短路点两侧地线中的电流后再进行分流计算。（其中令Z1阻抗较小为后续表达带来方便）即：)()(12112221ZZZZII−−=式中I1—短路时流过地线1的电流，kA；I2—短路时流过地线2的电流，kA；Z12—地线1、地线2之间的互阻抗，Ω/km；Z1—地线1自阻抗，Ω/km；Z2—地线2自阻抗，Ω/km；在这种情况下一般可能是一根良导体与一根钢绞线（或良导体），这时导线流过短路-5-电流，在地线（良导体）上与相导线感应所诱起的电流：11ZZIIMkd=式中Id1—在良导体上所诱起的电流，kA；IK—导线上流过的短路电流，kA；ZM—流过短路电流的导线与良导体地线间的互阻抗，Ω/m；Z1—良导体地线的自阻抗，Ω/m。mnMdDjZ0lg145.005.0+=D0——地中电流的等值深度，m；mnd——流过短路电流的导线与良导体地线间距离，m。地中电流的等值深度取决于大地电导率，且为：γfD1.0085.20=(4)式中γ——线路路径经过地区大地电导率,S/m这种在良导体中所诱起的电流应该叠加在分流所得值上，即良导体地线上的电流：11IIId+=OPGW地线短路热稳定允许电流I=)()(120120ln24.0102000+−+−ttTRCααα式中：I地线短路热稳定允许电流C——载流部分的热容量，cal/℃/cm；α0——载流部20℃时的电阻温度系数，℃-1；R0——载流部20℃时的电阻，Ω/cm；T——计算短路热稳定的时间，S；t1——地线初始温度，℃；-6-t2—地线短路热稳定允许温度，℃；几个问题的讨论：当计算的短路电路较大，所取得地线不能满足热稳定性要求，同时我们也知道：零序电流跟线路短路点与变电站、发电厂的距离关系密切，短路点与变电站、发电厂的距离越近，短路电流就越大，架空地线承受的返回电流也越大一般说来，当然地线选型也越大；短路点与变电站、发电厂的距离越远，短路电流就越小，架空地线承受的返回电流也越小，当然地线选型在满足热稳地的机械强度情况也越小。为此，我们可以有以下的几种方法来解决：①加大地线截面；②将进线档、段地线绝缘；③与OPGW配合的地线应加大截面来满足OPGW的热稳定要求；④在同一线路上选用两种规格的OPGW；⑤采用地下回流线。当选用更大的地线型号时：我们一般的估算：110千伏，LGJ—70/40；220千伏，LGJ—95/55；因地线热稳定性不够对地线采用绝缘悬挂时：在变电站或发电厂进线段我们可以将其地线进行绝缘，绝缘选择是按线路单相短路时，地线绝缘子并联火花间隙不得击穿这个条件来决定分段最大可能长度。地线绝缘悬挂采用一片绝缘子时，火花间隙通常取40mm。要防止地线绝缘子的并联火花间隙击穿，应当满足不等式：21kkkEUyTJ≥式中：JU——地线绝缘子的并联火花间隙放电电压，kV；TE——线路电流在地线上感应的电动势，kV；yk——考虑线路短路时过渡过程中存在着自由分量的一个系-7-数；1k——计及火花间隙放电电压统计分散性系数，1k=1.05～1.10；2k——计及气象条件对火花间隙放电电压影响的系数，2k=1.05～1.10；考虑到取用所引入的系数值，其必要的条件为：ET≤0.5UJ(1)对于并联40mm火花间隙单片绝缘子，UJ=36kV，则ET≤18kV。感应的电动势为：ET=-jωMILY(2)式中：ω——电流的角频率，ω=2πf（f=50Hz）M——导线与地线间的互感系数，H/km；I——线路电流，I=3I0，I0=单相短路时的零序电流，kA。LY——地线绝缘分段长度，km。导、地线之间的距离通常不会超过导线的平均悬挂高度。对此情况：M=4.62×10-4lgD/d(3)式中D——地中电流的等值深度，m；d——各相任一导线对地线的最小距离，m。地中电流的等值深度取决于大地电导率，且为：D=2.085/√（0.1fγ）(4)式中γ——线路路径经过地区大地电导率,S/m由(2)～(4)上式可以推导出:LY=ET/(ωI×4.62×10-4lg2.085/(d√(0.1fγ)或者考虑到式(1)并代入已知条件,可得地线绝缘分段的最大允许长度为:LYmax≤1.15U/(I0lg2.085/(d√(0.1fγ)-8-对于采用并联火花间隙40mm的单片绝缘子悬挂的地线,有:LYmax≤41.5/(I0lg2.085/(d√(0.1fγ)需要讨论几个问题:用I0试算至符合正常选用地线时，则地线可以对地不绝缘。1.零序电流跟线路短路点与变电站、发电厂的距离关系密切。2.一条架空线路沿线的大地电导率，特别是经过不同地质条件的架空线路不可能是不变的，或许变化很大。当然，为解决进线档的热稳定问题，我们不需很长距离，这样，大地电导率很可能用同一值。3.线路的结构参数也可能变化。，因此，在一条架空线路范围内，分段的最大允许长度不是固定不变的。一般地为满足地线的热稳定性而采取的绝缘，线路不会很长，一般一、两个分段即够。三、结论：OPGW光缆、地线的热稳定计算方法与地线截面积配合问题较为复杂、提出得计算方法也很多且计算结果彼此相差较大，而计算结果是否正确关系到OPGW光缆是否能安全运行的关键所在。作者把在工作中经过长期的学习所得的心得和体会提出来同大家讨论。主要参考文选：《超高压架空线路机械部分设计》[苏]A.C.泽利琴科和Ь.и.斯米尔诺夫；《电力工程高压送电线路设计手册》东北电力设计院；《中国电力百科全书》第二版输电与配电卷、中国电力出版社；《电力系统光纤通信线路设计》云南省电力设计院；《电力线路对通信线路的影响和保护》庞廷智、崔鼎新、孙鼎等编著，水利电力出版社。作者：张晓东（1967—），男，高级工程师，在佛山设计院有限公司-9-从事线路设计工作；张栋（1980—），男，助理工程师，在佛山设计院有限公司从事线路设计工作。