不同接地方式下地线电位分布与损耗分析

李 刚，胡元潮，刘 斌，刘大鹏，王 珏，高晓晶

(1.国网山东省电力公司 烟台供电公司，山东 烟台264000； 2.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博255000； 3.国网湖北省电力有限公司 经济技术研究院，湖北 武汉430000)

架空地线(又称避雷线)是输电线路常用的雷电屏蔽措施，特别是在超高压及特高压输电线路中，架空地线通常采用全线架设的方式对输电线路进行过电压防护。为最大限度利用输电线路走廊，一些高压输电线路的架空地线通常采用普通地线和光纤复合地线(OPGW)平行架设的施工方式，用以兼顾输电线路防雷与光纤通讯功能[1-2]。输电导线与地线之间存在的电磁耦合作用可引起地线产生沿线分布的感应电动势，该电动势与杆塔、大地之间形成的导电回路将造成能量损失并加剧地线的老化速度[3-5]。导电回路产生的入地杂散电流将导致线路走廊附近的埋地管道、接地网、建筑基础等金属材料的电化学腐蚀速度剧增[6]。随着超高压及特高压输电线路的不断推进，由架空地线损耗带来的诸多问题及相关的有效防护措施受到越来越多的重视[7-10]。

由于普通地线与OPGW地线所承担的作用不同，实际工程中两者与大地连接点的数量也存在差异。实际运行经验及文献研究表明[11-13]：地线接地方式的不同将导致地线的感应电动势存在较大差别，从而使得不同接地方式下的地线损耗存在显著差异。高电压领域通常采用多种长间隙放电试验研究地线的雷电屏蔽特性，该实验结果也证实了地线上的感应电动势可对绝缘间隙、保护角、跳闸率以及重合闸动作时间等产生一定影响。实际工程中，地线接地方式的选择也将直接影响着地线选型、热老化速率以及杂散电流分布等。因此，研究高压输电线路导线与地线的电磁耦合特征、分析地线沿线感应电动势的分布规律对减少地线损耗、降低地线的全寿命周期成本具有重要的实际工程意义。

本文针对架空地线的不同接地方式，研究地线沿线感应电动势的分布特征，从而分析地线产生的能量损耗。通过电力系统暂态仿真计算软件EMTP-ATP建立仿真模型，分别计算不同地线接地方式下的地线电位、入地电流并分析地线能量损耗，为实际输电线路的防雷设计与优化提供理论参考。

1 架空地线感应电压产生机理

经典电磁学理论表明：由于不同电位的影响，长距离导体之间存在着电磁耦合作用。与配电线路感应过电压的产生机理类似，实际工程中输电导线与地线之间一方面存在电场耦合，另一方面还存在磁场的相互耦合，即存在静电感应与磁场感应。两者综合作用使得地线上存在一定的感应电压并产生沿线感应电动势。当两条地线之间或地线与大地之间构成回路时，地线上将产生感应电流，从而以焦耳热的形式产生地线损耗。

1.1 静电感应影响

输电线路正常运行时，三相导线上带有线电压，而架空地线的电位为零。二者之间的间隔一般在5 m以内，导线上的高电位使得地线产生静电感应，电位从而在地线上形成静电感应电动势。在外加电场作用下，地线内部的自由电子发生定向漂移与取向运动，使导体的两端聚集了大量的正、负电荷，从而产生了附加电场。此外，地线导体的静电平衡条件是其内部场强处处为零，因此电荷只能分布在导体表面，确切地说是分布在很薄的表面层，整个导体的表面是等位面，并且电场线的方向垂直于导体表面，场强大小取决于导体表面的面电荷密度。由此可知，地线与导线之间通过电场的耦合而相互影响，导致二者的电荷分布和电位发生变化。架空地线与导线的相互关系如图1所示。

图1 架空地线与导线的静电感应Fig. 1 Electrostatic induction of overhead and transmission line

(1)

(2)

(3)

由式(3)可得架空线与地线上的电位分别为

(4)

其中，各电位系数P的求解为

(5)

式中：ra、rb分别为线a、线b的半径；dab为线a、b间的距离；fa′b为线a对地面的镜像a′与线b之间的距离。

当线路正常运行时，输电导线上带有线电压而架空地线的电位为零，故当地线的泄漏电阻为无限大时，由式(4)和式(5)可求得地线上的静电感应电压Vb为

(6)

1.2 磁场感应影响

由电磁感应定理可知，当导线流过交变电流时，其周围将产生相应的交变电磁场。由于地线与导线相互交链，因此带电导线与地线之间的电磁感应可引起地线产生感应电动势，其大小与磁感应强度、线间耦合系数、线路等效平行长度等因素有关。

图2 架空地线与导线的电磁感应Fig. 2 Electromagnetic induction of overhead and transmission lines

由电磁场理论可知，在带电导线a的电磁场耦合作用下，地线b中的感应电势为

(7)

由式(6)与式(7)可知，精确计算地线电位需要求解架空导线与地线之间静电感应电压与电磁感应电压的矢量和。

2 地线感应电压仿真计算建模

2.1 地线感应电压求解计算模型

正常运行状态下，架空导线与地线之间通过静电感应与电磁感应相耦合，并且两者之间的电场与磁场耦合过程同时作用。求解架空导线上的感应电压与感应电流应采用统一的电磁模型。架空输电线路可以看作位于平均高度的相互平行的多导体传输线，其单位长度的等效电路模型如图3所示。

图3 架空线路单位长度的等效电路Fig. 3 The equivalent circuit of overhead line perunit length

图3中的电容、电导分别称为部分电容、部分电导，其中：

Ci0为第i条导线的自电容；

Cij为第i条与第j条导线间的互电容；

li为第i条导线回路单位长度的自电感；

lij为第i条与第j条回路间单位长度的互电感；

Zi′为第i条导线的内阻抗；

Z0′为参考导线(即大地)的单位长度内阻抗。

描述多导体传输线路数学模型的电报方程为

(8)

式中:[V(x)]为电压向量，[V(x)]=[V1(x),V2(x),…,Vn(x)]T；[I(x)]为电流向量，[I(x)]=[I1(x),I2(x),…,In(x)]T；[Z]为阻抗矩阵，即

(9)

[Y]为导纳矩阵，即

[Y]=

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

对于架空输电线路，导线间的绝缘介质为空气，线路间的电导可以忽略，以大地作为参考导线，每相导线及每根架空地线均作为一根导线，激励源为各相导线的电源电压，通过求解电报方程(8)即可求得地线的感应电压和感应电流值。

2.2 地线感应电压仿真建模

本文采用电磁暂态计算软件EMTP-ATP，求解地线与导线并架运行中感应电动势与回路电流的电磁暂态过程。在仿真中，架空输电线路采用π型等效电路模块(LCC)，其中输电线路的电源侧采用双端供电方式，输电线路架空线在建模时将每一个档距看成单独的一段π型电路，采用多个π型电路串联的方式模拟整条输电线路。

仿真分别取两种典型的地线：普通地线与OPGW复合光纤地线。导线与地线的参数按照《电力工程高压送电线路设计手册》中参数设定，其中架空导线选择LGJ400/50型钢芯铝绞线，架空地线分别选择JLB20A-150型铝包钢地线和OPGW-S-24B1/140型复合光纤地线。根据设计导则标准，参数在仿真软件EMTP-ATP中分别设定相应的材料参数与边界条件。

3 不同接地方式地线电位仿真计算

3.1 两种地线均逐塔接地

3.1.1 地线电流沿走廊分布

普通地线和OPGW地线均逐塔接地，地线电流(有效值)沿线路走廊的分布如图4所示。普通地线的最大电流约为111.3 A，最小值约为90.96 A；OPGW地线的最大电流约为108.33 A，最小电流约为86.83 A。

图4 双地线逐塔接地时地线电流沿走廊分布Fig. 4 Current distribution along the corridor for double overhead line grounded at every tower

由图4可知，普通地线的电流略大于OPGW地线的电流；普通地线和OPGW地线的电流在换位塔两侧具有较大的突变，产生该变化的主要原因是换位塔入地电流较大。

3.1.2 经铁塔流入大地的电流

经铁塔流入大地的电流沿线路走廊方向的分布如图5所示。

图5 经铁塔注入大地的电流(有效值)沿走廊分布Fig.5 The distribution along the corridor of current injected into the earth through the tower

由图5可知，正常运行条件下由铁塔流入大地的电流很小，其分布特点为：经换位铁塔流入大地的电流大于同一换位段中间铁塔的入地电流，最大入地电流约为9.476 A，最小电流值约为0.036 A。

3.1.3 经两端接地网流入大地的电流

经两端变电站地网流入大地的电流波形如图6所示，其中线路首端地网的入地电流约为40.95 A，线路末端地网的入地电流约为42.97 A，两端流入地网的电流基本相等。

图6 经两端地网流入大地的电流Fig.6 The current flowing into the earth through both ends of the earth's network

由图6可知：

1) 电能损耗主要发生在两条地线上，两条地线的总电能损耗占损耗总电能的99.3%。

2)OPGW地线的电能损耗大于普通地线的电能损耗，约为普通地线损耗电能的1.65倍。

3.2 普通地线单点接地、OPGW地线逐塔接线

3.2.1 地线电流沿走廊分布

地线电流沿走廊分布如图7所示。

图7 地线电流沿走廊分布Fig.7 Current distribution along the corridor

由图7可知，OPGW地线电流最大值(有效值，下同)约为85.14 A，最小值(有效值，下同)约为38.17 A；普通地线的电流最大值约为8.42 A。

3.2.2 经铁塔流入大地的电流沿走廊分布

经塔体流入大地的电流分布如图8所示。

图8 经铁塔流入大地的电流沿走廊分布Fig.8 The distribution along the corridor of current injected into the earth through the tower

其分布特点为：经换位塔流入大地中的电流大于其他铁塔的入地电流，电流最大值约为22.34 A，最小值约为0.021 A，其最大值与双地线均逐塔接地时相比，增加了1.36倍。

3.2.3 经两端地网流入大地的电流

经两端变电站地网流入大地的电流波形如图9所示，其中线路首端地网的入地电流约为68.22 A，线路末端地网的入地电流约为76.71 A，两端流入地网的电流基本相等。

图9 经线路两端地网流入大地的电流Fig.9 The current flowing into the earth through both ends of the earth's network

3.2.4 普通地线感应电压沿走廊分布

普通地线感应电压沿走廊的分布情况如图10所示。普通地线感应电压最大值约为4 320.6 V。

图10 普通地线感应电压沿走廊分布Fig.10 The distribution along corridor of induction voltage for common overhead line

由图10可知，OPGW地线的电能损耗与两条地线均逐塔接地时相比有所减少；杆塔接地电阻的电能损耗大于两条地线均逐塔接地时的损耗。

3.3 普通地线和OPGW地线均单点接地

设普通地线和OPGW地线均对铁塔绝缘，并在线路的首端单点接地。

3.3.1 地线电流、电压沿走廊分布

当普通地线、OPGW地线均单点接地时，地线电流沿走廊分布如图11所示。

图11 地线电流沿走廊分布Fig.11 Current distribution along the corridor

OPGW地线电流最大值约为8.4 A；普通地线的电流最大值约为8.3 A。

3.3.2 地线感应电压沿走廊分布

当普通地线、OPGW地线均单点接地时，地线感应电压沿走廊分布如图12所示。

图12 两地线均单点接地时感应电压沿地线分布Fig. 12 The distribution along overhead line of inducted voltage for single point grounding of two ground lines

OPGW地线感应电压最大值约为4 226.5 V；普通地线感应电压最大值约为4 090.3 V。

3.3.3 经线路两端地网流入大地的电流

当普通地线、OPGW地线均单点接地时，经两端变电站地网流入大地的电流波形如图13所示，线路首端地网的入地电流约为1.43 A。

图13 经线路两端地网流入大地的电流Fig.13 The current flowing into the earth through both ends of the earth's network

3.4 仿真结果分析

由以上仿真结果可知：当两条地线均逐塔接地时，地线的电能损耗最大。实际工程中由于防雷的需要会增加地线的接地点数量，但应注意此种接地方式下的能量损耗。在输电线路设计中，可以选择在输电线路易击段或者杆塔接地电阻较大的部分区域采用逐塔接地，增加线路分流系数，减少雷击过电压的闪络事故。

此外，当普通地线单点接地，OPGW地线逐塔接地时，地线的电能损耗大约减小一半。从节约电能的角度考虑，普通地线和OPGW地线均采用对铁塔绝缘或均采用单点接地的运行方式均可得到很好的节能效果。

4 结论

当架空线路采用普通地线和OPGW地线并行架设时，不同的地线接地方式影响其沿线感应电压与入地杂散电流，从而影响地线的能量损耗。本文针对此问题得到的结论包括：

1)架空导线与地线的感应电压包括电磁感应分量与静电感应分量，而感应电流的大小与地线的接地方式有关。

2)通过EMTP-ATP仿真计算可知：普通地线和OPGW地线均逐塔接地时，电能损失最大。而普通地线单点接地且OPGW地线逐塔接地时，电能损耗有所降低。

3)普通地线和OPGW地线均采用首端单点接地时，地线的电能损耗最小。

实际输电工程中应综合防雷和节能需要，采用合适的地线接地方式。本文研究结果可为实际输电线路的防雷设计与优化提供理论指导。