地线损耗受导线相序和换位方式的影响

钱耀东+杨季

摘 要：本文分析了地线损耗研究现状和地线损耗计算方法，为了突出实验结果以额定电压为1000KV的特高压交流输电路为例进行试验，旨在研究导线不同相序和不同换位方式对地线电能损耗的影响，为石油化工企业的化工仪表等耗电设备降低地线损耗提供有效参考。

关键词：地线损耗；相序；换位；导线

地线又称避雷线，是用来将电流引入大地的导线。地线损耗通常是指在交流输电线路中因相线和地线的磁耦合造成的地线损耗，虽然有研究得出逆向序排列导线会降低地线损耗，但是并没有研究证明导线不同排列的相序和换位会对地线损耗产生不同的影响[1]。

1 地线损耗研究现状

我国近年的高压交流输电广泛采用光纤复合架空地线与普通地线相配合的地线系统，这个地线系统采用逐搭接地以及全线贯通连接的技术，目的是为了满足线路防雷和线路通讯的要求。在实际的高压交流输电线路中，相电流与地线发生磁耦合在地线中产生感应电动势，产生的感应电动势在地线与大地构建的回路中产生感应电流，产生的感应电流在经过电路和铁塔时会造成地线电能损耗。随着我国石油化工企业规模的扩大和所需电压等级的提升，特别是近年出现的特高压，使石油化工企业再也不能忽视电能损耗。社会上不断有相关专家投入此电能损耗的研究，经过国内外多年的研究，通过地线的接线方式降低地线损耗的办法越来越受研究者关注。研究至如今，专家们提出的降低地线损耗的措施主要有地线分段绝缘、地线换位、电线开环和单点接地。其中运用最广泛的措施是普通接地线分段绝缘措施或者逐搭接地措施，但是这种措施容易导致光缆遭受雷击，使电缆断股损坏。因为电缆与光纤具有连续性的特点在运用地线分段绝缘措施降低地线损耗时，必须对其进行接续盒和绝缘保护间隙的特殊处理，这种特殊处理不但会提高沿线的感应电位还会增加石油企业化工仪表电网工程造价和电网维修难度，因此分段绝缘措施也不理想。结合电缆和光纤连续的特性和新地线接地方式等因素，研究者提出了电缆和普通地线采用地线换位、单点接地电线开环等多种措施巧妙结合的新方式降低地线损耗，但是这种新方式是在导线逆相序排列的条件下进行试验研究得出的，没有考虑导线换位和正相序等其它相序对地线损耗的影响。[2]

2 地线损耗计算方法

2.1 地线的感应电动势计算方法

交流双向输电线路中相导线相序为逆向序，相电流在地线中产生工频变化的电磁场，通过磁耦合作用产生感应电动势，继而和地线与大地构成的回路产生感应电流，感应电流经过电网产生地线电能损耗。下图1是交流双向输电线路相线和地线的排布示意图：

忽略导线之间的互电容，磁耦合用互阻抗表示，编号7、8的地线产生的感应电动势分别用E7、E8表示，编号1-6的相电流用In表示，标号导线与地线间的互阻抗用Z（n，7）Z（n，8）表示。如此，图中两条地线产生的感应电动势计算公式[3]为：

1.2 地线损耗计算方法

通过地线感应电动势计算公式得出E7、E8后，根据物理的电路分析方法计算地线的感应电流，根据感应电流计算地线的电能损耗。下图2为地线正常运行下建立的逐级模型。

这个模型的建立，综合考虑了地线的各种情况。每条地线都可与大地、水平电气绝缘，并分别设置开关，用不同电阻模拟图2中电路可得出电路计算模型。根据回路电流分析可列出每条地线的回路电流方程，根据方程求解可得出地线损耗电功率△P公式[5]：

3 实例分析

石油化工企业一般采用耐高温的交联电缆，比较适用于35KV以下的额定电压，其中化工仪表系统一般选用控制电缆，适用于750V以下的额定电压，仪表电压比较低不适合实验，35KV高压虽然适合但实验结果不明显，为了突出不同相序和不同换位方式对地线损耗的影响，本文以额定电流为1000KV的特高压为例，旨在研究导线不同相序和不同换位方式对地线电能损耗的影响，为石油化工企业的化工仪表等耗电设备降低地线损耗提供有效参考。

3.1 实例计算条件

下图3是20KV高压交流输电路中的普通地线与电缆的排布情况，其中线路中导线的最低弧垂高度为26m，此接地线路系统运行条件是单回输送功率为6500MW，土壤电阻率是500Ω·m，电网的等效接地电阻是10Ω，功率因数是0.95，高压交流输电路的线路总长度为300Km，总共有600档地线，地线型号是JLB20A -240，且每档地线长度均为500m，相导线的型号是8 × LGJ -630 /45，相导线的分裂间距是400mm，光缆的型号是OPGW - 240。

3.2 导线不同相序对地线损耗的影响

为研究导线不同相序对地线感应感动势的影响，本实例采取正序、逆序和异序三种同塔双回交流输电线路中常见序列进行分析研究。下表1是不同相序排列下地线感应电动势的变化情况，由表1可知同种相序下普通地线的幅值差和相位差相近。但是不同相序排列下的普通地线感应电动势无论是幅值差还是相位差都有很大差异，且正序下的地线幅值差最大，没有相位差，逆序相序下的地线幅值差最小，相位差最大，异序处于两者之间。由此可知同一种地线系统中导线逆序排列对地线的感应电动势的影响最小，异序排列次之，正序排列最大。由导线不同相序对地线感应电动势的影响可推断出其对导线损耗的影响，其影响是逆序对地线损耗最小，异序次之，正序最大。

3.3 换位方式对地线损耗的影响

电气不平衡度研究表明超过一定长度的导线一般应将其合理换位，使导线首端与导线末端的相序相同，且每种导线的相序排列长度各占交流输电线路长度的三分之一，这种情况下的换位称为一个全换位。同塔双回交流输电线路中两种导线的换位方式分别采用同向位和反向位全换位，其中同向位全换位的排列相序采用逆序和两种不同的逆序，反向全换位采用三种逆序。对电路采用三种接地方式，方式一是光缆和普通地线分段绝缘接地，方式2是单点接地和分段绝缘结合接地，方式3是单点接地结合两条地线每隔5Km换位一次接地。下表2是不同换位方式下三种接地中地线损耗比较：

由表2可知同向换位下三种接地方式的光缆损耗、地线损耗、铁塔损耗和总损耗皆比反向换位大，在方式1中同向换位的地线损耗比反向换位大16.9MW，由此可推出反向换位比同向换位的效果好。三种接地方式，方式1和方式2无论是反向全换位还是同向全换位降低地线的损耗效果都比较显著，而方式3只有在反向全换位下效果才比较显著，同向不明显。[5]

4 结束语

研究者结合光缆的连续性特性对降低地线损耗進行研究得出了电缆和普通地线采用地线换位、单点接地电线开环等多种措施巧妙结合的新方式，但是这种新方式是在导线逆相序排列的条件下进行试验研究得出的，没有考虑导线换位和正相序等其它相序对地线损耗的影响。本文以额定电压为1000KV的特高压交流输电路为例进行试验研究，得出同一种地线系统中导线逆序排列对地线的损耗最小，异序排列次之，正序排列最大，反向全换位比同向权换位降低地线损耗的效果好。

参考文献

[1]张勇，郎需军，杨博. 1 000 kV 特高压输电线路导线排列方式和换位对地线能耗的影响[J].电网技术，2011 （4）：22-27.

[2] 彭向阳，刘毅刚，张穂强.OPGW 光纤复合架空地线异常发热现场测量分析及仿真[J].电网技术，2012（2）：206-211.

[3]蒋陶宁，徐亮，卞鹏.导线相序及换位方式对地线损耗的影响[J].电力建设， 2011， 32（11）： 16-20.

[4]赵丹丹，韩政，郭洁. 750 kV架空地线接地方式及损耗研究[J].高压电路，2013（2）：65-69.

[5] 彭向阳，王锐，毛先胤，王宇，王建国. 输电线路架空地线电能损耗特性测量及仿真[J].广东电力，2016（3）：121-125.

作者简介

钱耀东，本科，工程师，天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，研究方向：化工仪表电路。

杨季，本科，工程师，天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，研究方向：化工仪表电路。