高壓架空輸電線路地線熱穩(wěn)定的計(jì)算

1、高壓架空輸電線路地線熱穩(wěn)定的計(jì)算摘要隨著超高壓電網(wǎng)的發(fā)展出現(xiàn)了大功率的電力樞紐，其特點(diǎn)是在這些電力樞紐附近短路電流值非常大，需要計(jì)算地線熱穩(wěn)定，本文就純鋼絞線地線、鋼絞線地線與OPGW 、良導(dǎo)體與OPGW 之間的配合計(jì)算加以研究，本文提出得計(jì)算方法對該類工程的計(jì)算有一定的指導(dǎo)意義。【關(guān)鍵詞 】 地線 短路電流 熱穩(wěn)定1問題的提出隨著超高壓電網(wǎng)的發(fā)展出現(xiàn)了大功率的電力樞紐，其特點(diǎn)是在這些電力樞紐附近短路電流值非常大，使得架空地線返回電流可高大數(shù)千安培，且與短路點(diǎn)的位置、架空地線的材料、截面以及是否絕緣、桿塔的接地電阻、檔距長度等因素均有關(guān)。當(dāng)由于懸垂絕緣子串或空氣間隙閃絡(luò)，而在架空線路桿塔上發(fā)生

2、單相短路時(shí)，地線會(huì)因由于地線返回的短路電流非常大缺乏足夠的熱穩(wěn)定性而發(fā)生損壞，因此，就要求校驗(yàn)地線的熱穩(wěn)定性。在檔距中央相導(dǎo)線對地閃絡(luò)時(shí)，地線將直接耐受電弧的作用。但是，如果正確的選擇檔距中央導(dǎo)線與地線間的距離，這種閃絡(luò)就很少發(fā)生，故在本次討論、計(jì)算中不予考慮。2計(jì)算方法的確定2.1基本假設(shè)條件一般地說來流經(jīng)地線的電流由以下條件共同決定：發(fā)生短路的桿塔的接地電阻；該桿塔與相鄰桿塔間一段地線的電阻，或是當(dāng)?shù)鼐€與變電所（發(fā)電廠）的接地網(wǎng)相連時(shí)，該桿塔與此接地網(wǎng)間一段地線電阻；相鄰桿塔或者變電所（發(fā)電廠）接地網(wǎng)的接地電阻。應(yīng)當(dāng)指出，一旦離開發(fā)電廠或變電所，短路電流就急劇下降。因此，為了校驗(yàn)地線的穩(wěn)定

3、性（特別是如果熱穩(wěn)定性不足，需要加大發(fā)電廠或變電站附近的地線截面時(shí)），則必須知道短路點(diǎn)沿線路移動(dòng)時(shí)流經(jīng)線路兩端的短路電流變化情況。本文對如何計(jì)算單相短路電流不做介紹。導(dǎo)線流過短路電流時(shí)，其中由地線和相導(dǎo)線間的感應(yīng)所引起的電流，由于鋼地線的電阻比較高，在校驗(yàn)其熱穩(wěn)定時(shí)，該部分地線的電流可以忽略不計(jì)；但是良導(dǎo)體作架空地線時(shí)，該部分地線的電流的是不容忽略的。地線的熱穩(wěn)定性由短路電流及其持續(xù)時(shí)間長短來決定對地線進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，應(yīng)取相應(yīng)于最不利條件下得計(jì)算短路電流；而計(jì)算時(shí)間，則取計(jì)及自動(dòng)重合閘動(dòng)作的整個(gè)主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。2.2基本計(jì)算方法鋼地線的電流分布，可按所示計(jì)算網(wǎng)絡(luò)來確定。當(dāng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，在所研究區(qū)段上

4、的線路檔距都取相同的值，桿塔間地線的電阻r 取用相等值，各桿塔接地電阻R 也取用相等值。 ( (2+=r thm r thm Z z z z z z M C C C M BX式中(rR z C =； R r r /=；m短路點(diǎn)每側(cè)均勻線路的檔距數(shù)；Zm使均勻線路形成閉路的阻抗，。當(dāng)?shù)鼐€與發(fā)電廠或變電站接地網(wǎng)相連時(shí), 阻抗Zm 等于接地網(wǎng)的接地電阻Z m = R n1. 如果計(jì)算線段與帶絕緣地線的線路段相連, 或地線未與發(fā)電廠或變電所的接地網(wǎng)相連, 則Zm =。此時(shí), 上式改寫為：Z Z C BX = 相鄰桿塔間的地線電阻：r CT ×= 式中 CT =0.14.mm2/m 鋼導(dǎo)體的有

5、效電阻率，在電流值較大（大于5kA）時(shí)，取作常數(shù)；l線路檔距長度，m；S所校驗(yàn)的地線截面，mm2。 因?yàn)槌邏壕€路通常帶有相同型號(hào)雙地線，所以此時(shí)桿塔間的地線電阻為：r CT ××= 短路點(diǎn)兩側(cè)地線中的電流為： I 1= IK ×Z0/ZBX1I 2= IK ×Z0/ZBX2式中 1/ Z0=1/ ZBX1+1/ ZBX2+1/RIK 所研究地點(diǎn)得計(jì)算短路電流，kA。當(dāng)線路上采用兩根型號(hào)相同的地線時(shí)，所得到短路電流由兩根地線均勻承擔(dān)，即每根地線的電流等于式I 1、 I2值的一半。假如研究地點(diǎn)得計(jì)算短路電流值比較大（超過10 kA），則必須考慮到因受桿塔接

6、地電阻的影響而有所降低。 則修正后的短路電流：U I R I e KKX 22+= ， （ kA ） 式中U e 線路的額定電壓，kV。地線截面積按有關(guān)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)，并要求t I A d d d 式中 Ad 同時(shí)滿足熱穩(wěn)定和滿足機(jī)械強(qiáng)度的最小截面積，mm2；t d 為短路的等效持續(xù)時(shí)間，按主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間并考慮自動(dòng)重合閘不成功或斷路器拒動(dòng)等因素，一般取0.51.0s；C架空地線材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，鋼絞線C=70，鋁絞線C=120。在某一計(jì)算段內(nèi)兩根地線為不同型號(hào)和截面時(shí)r 為并聯(lián)值，求出短路點(diǎn)兩側(cè)地線中的電流后再進(jìn)行分流計(jì)算。（其中令Z 1阻抗較小為后續(xù)表達(dá)帶來方便）即：(1211222

7、1Z Z Z Z I =式中 I1短路時(shí)流過地線1的電流，kA；I 2短路時(shí)流過地線2的電流，kA；Z 12地線1、地線2之間的互阻抗，/km；Z 1地線1自阻抗，/km；Z 2地線2自阻抗，/km；在這種情況下一般可能是一根良導(dǎo)體與一根鋼絞線（或良導(dǎo)體），這時(shí)導(dǎo)線流過短路電流，在地線（良導(dǎo)體）上與相導(dǎo)線感應(yīng)所誘起的電流：11Z Z I I Mk d =式中 Id1在良導(dǎo)體上所誘起的電流，kA；I K 導(dǎo)線上流過的短路電流，kA；Z M 流過短路電流的導(dǎo)線與良導(dǎo)體地線間的互阻抗，/ m；Z 1良導(dǎo)體地線的自阻抗，/ m。mnM D j Z 0lg 145. 005. 0+= D 0地中電流的等

8、值深度，m；mn d 流過短路電流的導(dǎo)線與良導(dǎo)體地線間距離，m。 地中電流的等值深度取決于大地電導(dǎo)率，且為：f D 1. 0. 20= (4式中 線路路徑經(jīng)過地區(qū)大地電導(dǎo)率,S/m這種在良導(dǎo)體中所誘起的電流應(yīng)該疊加在分流所得值上，即良導(dǎo)體地線上的電流：11I I I d +=OPGW 地線短路熱穩(wěn)定允許電流 I= 120120ln 24. 0102000+t t T R C 式中：I地線短路熱穩(wěn)定允許電流C載流部分的熱容量，cal/cm；0載流部20時(shí)的電阻溫度系數(shù)，-1；R 0載流部20時(shí)的電阻，/ cm；T計(jì)算短路熱穩(wěn)定的時(shí)間，S；t 1地線初始溫度，；t2地線短路熱穩(wěn)定允許溫度，； 幾個(gè)

9、問題的討論：當(dāng)計(jì)算的短路電路較大，所取得地線不能滿足熱穩(wěn)定性要求，同 時(shí)我們也知道：零序電流跟線路短路點(diǎn)與變電站、發(fā)電廠的距離關(guān)系密切，短路點(diǎn) 與變電站、發(fā)電廠的距離越近，短路電流就越大，架空地線承受的返回電流也越大 一般說來，當(dāng)然地線選型也越大；短路點(diǎn)與變電站、發(fā)電廠的距離越遠(yuǎn)，短路電流 就越小，架空地線承受的返回電流也越小，當(dāng)然地線選型在滿足熱穩(wěn)地的機(jī)械強(qiáng)度 情況也越小。 為此，我們可以有以下的幾種方法來解決： 加大地線截面； 將進(jìn)線檔、段地線絕緣； 與 OPGW 配合的地線應(yīng)加大截面來滿足 OPGW 的熱穩(wěn)定要求； 在同一線路上選用兩種規(guī)格的 OPGW； 采用地下回流線。 當(dāng)選用更大的地

10、線型號(hào)時(shí)： 我們一般的估算：110 千伏，LGJ70/40；220 千伏，LGJ95/55； 因地線熱穩(wěn)定性不夠?qū)Φ鼐€采用絕緣懸掛時(shí)： 在變電站或發(fā)電廠進(jìn)線段我們可以將其地線進(jìn)行絕緣， 絕緣選擇是按線路單相 短路時(shí)，地線絕緣子并聯(lián)火花間隙不得擊穿這個(gè)條件來決定分段最大可能長度。 地線絕緣懸掛采用一片絕緣子時(shí)，火花間隙通常取 40mm。要防止地線絕緣子 的并聯(lián)火花間隙擊穿，應(yīng)當(dāng)滿足不等式： U J ET k y k1k2 式中： U J 地線絕緣子 的并聯(lián)火花間隙放電電壓，kV； ET 線路電流在地線上感應(yīng)的電動(dòng)勢，kV； k y 考慮線路短路時(shí)過渡過程中存在著自由分量的一個(gè)系 -6- 數(shù)； k

11、1 計(jì)及火花間隙放電電壓統(tǒng)計(jì)分散性系數(shù) ， k1 =1.05 1.10 ； k2 計(jì)及氣象條件對火花間隙放電電壓影響的系數(shù) ， k2 =1.051.10 ； 考慮到取用所引入的系數(shù)值，其必要的條件為： ET0.5UJ (1 對于并聯(lián) 40mm 火花間隙單片絕緣子，UJ=36kV，則 ET18 kV。 感應(yīng)的電動(dòng)勢為：ET=-jMILY (2 式中：電流的角頻率，=2f（f=50Hz） M導(dǎo)線與地線間的互感系數(shù)，H/km； I線路電流，I= 3I0，I0=單相短路時(shí)的零序電流，kA。 LY地線絕緣分段長度，km。 導(dǎo)、地線之間的距離通常不會(huì)超過導(dǎo)線的平均懸掛高度。對此情況： M=4.62

12、5;10-4lgD/d 式中 D地中電流的等值深度，m； d各相任一導(dǎo)線對地線的最小距離，m。 地中電流的等值深度取決于大地電導(dǎo)率，且為： D=2.085/（0.1f） 式中 (4 (3 線路路徑經(jīng)過地區(qū)大地電導(dǎo)率,S/m 由(2(4上式可以推導(dǎo)出: LY= ET/(I×4.62×10-4lg2.085/(d(0.1 f 或者考慮到式(1并代入已知條件,可得地線絕緣分段的最大允許 長度為: LYmax1.15U/(I0lg2.085/(d(0.1 f -7- 對于采用并聯(lián)火花間隙 40mm 的單片絕緣子懸掛的地線,有: LYmax41.5/(I0lg2.085/(d(0.1

13、 f 需要討論幾個(gè)問題: 用 I0 試算至符合正常選用地線時(shí)，則地線可以對地不絕緣。 1.零序電流跟線路短路點(diǎn)與變電站、發(fā)電廠的距離關(guān)系密切。 2. 一條架空線路沿線的大地電導(dǎo)率， 特別是經(jīng)過不同地質(zhì)條件的架空線路不可能 是不變的，或許變化很大。當(dāng)然，為解決進(jìn)線檔的熱穩(wěn)定問題，我們不需很長距離， 這樣，大地電導(dǎo)率很可能用同一值。 3.線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)也可能變化。 ， 因此，在一條架空線路范圍內(nèi)，分段的最大允許長度不是固定不變的。一般地為 滿足地線的熱穩(wěn)定性而采取的絕緣，線路不會(huì)很長，一般一、兩個(gè)分段即夠。 三、結(jié)論： OPGW 光纜、地線的熱穩(wěn)定計(jì)算方法與地線截面積配合問題較為復(fù)雜、提出得計(jì)算 方法也很多且計(jì)算結(jié)果彼此相差較大， 而計(jì)算結(jié)果是否正確關(guān)系到 OPGW 光纜是否能 安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在。作者把在工作中經(jīng)過長期的學(xué)習(xí)所得的心得和體會(huì)提出來同 大家討論。 主要參考文選： 超高壓架空線路機(jī)械部分設(shè)計(jì)蘇A.C.澤利琴科