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输电线路架空地线详解

  发表时间:2019年07月30日  点击数:176 次

   


  1. 概述

  架空输电线路一般由基础、杆塔、金具、绝缘子、导线、地线(含OPGW光缆)、接地设施等部分组成(如下图)。在架空输电线路导线上方,为尽量避免输电线路导线直接遭受雷击而架设的电力线,既为架空地线(简称地线),又称为避雷线。架空地线除具有防雷作用以外还具有短路电流分流的重要作用。

   


  图 架空输电线路的基本组成

 

  架空输电线路分布广、地处旷野、纵横交错,延绵数百公里,在雷雨季节容易遭受雷击而引起送电中断,成为电力系统中发生停电事故的主要原因之一。安装架空地线可以减少雷害事故,提高线路运行的安全性。架空地线是高压输电线路结构的重要组成部分。高压、超高压及特高压变电所占地面积广,要求防直击雷的区域大,安装避雷针会有困难,因而有时也采用架空地线保护,架空地线都是架设在被保护的导线上方。在线路上方出现雷云对地面放电时,雷闪通道容易首先击中架空地线,使雷电流进入大地,以保护导线正常送电。同时,架空地线还有电磁屏蔽作用,当线路附近雷云对地面放电时,可以降低在导线上引起的雷电感应过电压,减少雷电直接击于导线的机会。架空地线必须与杆塔接地装置牢固相连,以保证遭受雷击后能将雷电流可靠地导入大地,降低塔顶电位,并且避免雷击点电位突然升高而造成反击,提高耐雷水平。

 

  

 图 雷击地线(雷击杆塔与地线为反击雷)

 

  据统计数据显示,生活用电及工农业用电中,电力系统断电跳闸事故主要因素分别为雷击、人为或是自然灾害等,而其中雷电导致跳闸约占总跳闸数的40%~70%,尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区雷击故障尤为突出。相关资料表面,日本50%以上事故的雷击输电线路引起,美国275kV~500kV总长为2700km的输电线路连续三年雷害事故占总事故的比例高达60%。天气变化是不可控因素,所以只能在人力可控范围内,提高输电系统的安全性及防灾性。架空地线就是电力系统减灾防灾的一项重要技术措施。

  输电线路架空地线运用实践表明,架空地线能有效防止雷电直击输电导线;当雷击输电线路杆塔时,架空地线能起到分流作用,减小杆塔塔顶电位,防止雷电反击;当雷击输电线路附近大地时,架空地线能起到屏蔽作用,降低输电导线上的感应雷过电压。

 

  

 

  2. 作用

  2.1 防止雷击导线

  减少了雷电直击导线的机会,降低了线路绝缘承受的雷电过电压幅值。当雷击于塔顶或地线上时,塔身电位很高,加在绝缘子串上的电压等于塔身电位与导线电位之差,这个电压一般远比雷电直接击中导线时绝缘子串上的电压低,不会导致闪络放电。但是,如果接地电阻很大,则塔身电位将会很高,这时就会发生逆闪络,也就是通常说的“反击”。

  2.2 雷电流分流作用

  当雷击塔顶时,架空地线对雷电流有分流的作用,减少流入杆塔的雷电流,使杆塔顶电位降低。

  2.3 对导线有耦合作用

  当雷击塔顶或地线时,由于耦合,导线电位将抬高,所以耦合可使绝缘子串上的电压降低。因此,为了减少“反击”,在接地电阻很难降低时,可以利用架空地线的分流、耦合性质,在导线下面再增加一条耦合地线。

  2.4 对导线有屏蔽作用

  由于架空地线接地,所以可以起到屏蔽感应雷对导线的作用,降低感应雷过电压。

  2.5 具备通信功能

  常规的架空地线经过适当改装,把光纤放置在以铝包钢线绞制成的具地线与通信双重功能的架空地线 -- 光纤复合架空地线(OPGW),它具有避雷、通信等多种功能。

  


 

  3. 防雷原理

  架设架空地线是高压、超高压及特高压线路防雷的基本措施,架设于输电线路杆塔顶端,其保护原理是:当雷云放电接近地面时,它使地面电场发生畸变,在架空地线顶端,形成局部电场强度集中空间,以影响雷电先导放电的发展方向,引导雷电向架空地线放电,再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地,从而使被保护物体免受雷击。架空地线的材料一般是镀锌钢绞线、铝包钢绞线和光纤复合架空地线,特殊情况下也用钢芯铝绞线、铜包钢绞线或镁铝合金绞线。架空地线在杆塔上的位置如下图所示。

   

图 架空地线在杆塔上的位置

 

  架空地线使雷云先导放电电场畸变的范围(即高度)是有限的。当雷电先导刚开始形成时,架空地线不能影响它的发展路径,如下图左图所示,只有当雷电先导通道发展到离地面一定高度H(称为定向高度)时,架空地线才可能影响雷电先导的发展方向,如下图右图所示,使雷电先导通道沿着电场强度最大的方向击向架空地线。这个雷电定向高度H与架空地线架设高度h有关,根据模拟实验,h≤30 m,H≈20h;h>30 m时,H≈600h。

   

图 架空地线对雷电先导发展的影响

 

  4. 类型

  架空地线由于不负担输送电流的功能,所以不要求具有与导线相同的导电率和导线截面,架空地线一般采用镀锌钢绞线。

  镀锌钢绞线因为导电性能、防腐性能差,多用于以前的老线路,近年来,国内外架空输电线路采用良导线架空地线的也较多,即用铝合金或铝包钢导线制成的架空地线。这种地线导电性能较好,可以改善线路输电性能,减轻对邻近通信线的干扰。由于铝包钢绞线具有高机械性能、高导电性和良好的抗腐蚀性的优点,现在国内多采用铝包钢绞线。

  随着电力工业的迅速发展,电力系统现代化管理水平的提高,在电力系统内部需要传递的信息形式和信息容量日益增多。综合光纤通信的传输容量大、速度快、适于远距离传输、能抗电磁感应和串音干扰等优点,铝包钢线的高机械性能、高导电性和良好的抗腐蚀性,把光纤放置在以铝包钢线绞制成的具地线与通信双重功能的架空地线叫光纤复合架空地线,一般称作OPGW光缆。OPGW光缆具有防雷、通信等多种功能,由于光纤具有抗电磁干扰、自重轻等特点,它可以安装在输电线路杆塔顶部而不必考虑最佳架挂位置和电磁腐蚀等问题,所以OPGW光缆现在在架空输电线路地线中应用较多。采用OPGW光缆作为架空地线具有许多优点:① 传输信号损耗小,通信质量高,光缆的芯数可以较多;② 安全性好,不易被盗割,也不易遭到破坏性枪击;③ 适应用于多种电压等级的输电线路;④ 光缆与常规地线同为一体,避免了重复建设和维护的巨大费用。

  工程中采用多大的架空地线,不同冰区与不同的导线截面对于的截面是不一样的,除满足规程要求的截面要求外,还需要满足因线路发生故障时,地线上会通过很大的短路电流,使地线温度急剧升高,很可能导致地线损坏,因此,选择的架架空地线还应满足热稳定的要求。

   

图 架空地线

 

  5. 保护角

  架空输电线路需要采用架空地线将被保护的导线全部置于它的保护范围内。此保护范围通常用保护角α来表示,α角是指架空地线与最外侧的导线所处的平面和架空地线垂直于地面的平面之间所构成的夹角(如下图所示)。保护角越小,架空地线就越可靠的保护线路。

  

 图 单地线保护角示意图

 

  单架空地线,为介绍保护角,可提高架空地线的悬挂高度,但会增加杆塔重量,导致造价升高。架空地线就越可靠的保护线路。一般架空单地线保护角α不大于25°为宜。

  

 图 双地线保护角示意图

 

  双架空地线的保护范围大于单架空地线,在设计中可以采用地线外移的方法,减少架空地线的保护角,增强地线保护的可靠性。实际经验证明,只要双架空地线之间的距离不大于架空地线与中间导线高度差的5倍,中间导线便可以可靠保护。

  对于采用双架空地线的输电线路,单回路塔330kV及以下线路的保护角α不宜大于15°;单回路塔500kV~750kV及以下线路的保护角α不宜大于10°;对于同塔双回或多回路110kV线路的保护角α不宜大于10°;220kV及以上的线路的保护角α不宜大于0°。

 

  


  6. 架设原则

  地线架设在导线上方,综合考虑架空地线的保护范围、保护角度及经济型三方面的因素,在满足耐雷水平后架空地线架设需满足下列要求。

  3kV~10kV 混凝土杆架空电力线路,在多雷区可架设地线。

  35kV 架空电力线路在变电站(所)进出线段宜架设地线,加挂地线长度一般宜为1.0km~ 1.5km 。

  66kV 架空电力线路年平均雷暴日数为30d 以上的地区,宜沿全线架设地线。

  110kV 输电线路宜沿全线架设地线,在年平均雷暴日数不超过15d 或运行经验证明雷电活动轻微的地区,可不架设地线。无地线的输电线路,宜在变电站或发电广的进线段架设1km~2km 地线。

  220kV~330kV 输电线路应沿全线架设地线,年平均雷暴日数不超过15d 的地区或运行经验证明雷电活动轻微的地区,可架设单地线,山区宜架设双地线。

  500kV~750kV 输电线路应沿全线架设双地线。

  当采用双地线时,两根地线之间的距离不大于地线与导线间垂直距离的5倍。750kV及以下架空输电线路一般档距的档距中央,导线与地线在档距中央的距离,在+15℃气温,无风无冰条件时,应不小于 S≥0.012L+1 式计算的值,式中S为计算档导线与地线在档距中央的距离(m),L为计算档档距(m)。具体可以参考《架空输电线路档距中央导线与地线之间的距离计算探讨》。

  

 


  7. 节能要求

  我国110 kV及以上输电线路架空地线主要有普通地线(镀锌钢绞线、铝包钢绞线等)和光纤复合架空地线2种,基于防雷和通信考虑,架空地线大多采取逐基接地方式,由于架空地线与导线间存在电磁感应,架空地线中产生较大的感应电流。广东电网在对1条双地线都逐基接地500 kV线路架空地线感应电流实测时架空地线感应电流达70 A,电能损耗达2.84 x104 kW "h/a"km,可见,对于电压等级较高的输电线路架空地线电能损耗不容忽视,但传统输配电线损计算只考虑导线电能损耗,其大小基于负荷电流和导线电阻,对架空地线电能损耗未足够重视。

  为减小架空地线逐基接地或多点接地引起的电磁感应电流及电能损耗,实现架空地线节能,并综合考虑架空地线防雷、通信性能,一般用带放电间隙绝缘子使之与杆塔相互绝缘,利用间隙(一般放电间隙距离取20mm~30mm,需要融冰时放电间隙距离可取50mm~100mm)引导雷电流入地,这样,可利用架空地线作为载波通道并减少电能感应损耗。

  由于架空绝缘地线与杆塔相连接的带放电间隙的绝缘子的间隙的距离不易整定,整定距离过小,雷击时的工频续流不易切断,大负荷电流时的高感应电压可能导致间隙长期击穿放电,对地线金具、OPGW等产生危害;整定距离过大,短路故障时地线绝缘子不易击穿,不能起到很好的分流效果,同时对电力系统的保护装置及通信产生不利的影响。

  为降低架空地线逐塔接地引起的由于电磁感应在架空地线回路或架空地线与大地回路产生的电磁感应电流及电能损耗,同时解决采用架空绝缘地线因间隙的距离整定过小或过大产生的危害,电压等级较高的线路宜采用分段绝缘单点接地的方式,接地点可设置在架空地线端部或中部。线路正常运行时(对应经济电流密度),地线端部因导、地线间电磁耦合,架空地线上产生的电磁感应电压宜限制在1000V及以下 ,当地线电磁感应电压未超过1000V 时,宜采用单点接地方式;当电磁感应电压超过1000V 时,为降低地线端部感应电压,宜采用地线分段或地线换位、导地线配合换位等方式等措施降低绝缘架空地线单点接地时端部电磁感应电压。关于接地详细内容可以参考《输电线路架空地线接地、地线(含OPGW)绝缘及接续技术要求》。

  单回线路和同塔多回(或双回)线路架空地线感电压沿线分布规律是不同的,可根据其不同特性总结出单回线路、多回线路架空地线典型接地方式,既能实现架空地线的节能降损,又能限制架空地线感应电压低于1 000 V 。

   


  7. 发展

  对于普通架空地线,1987年5月,水利电力部武汉高压研究所组织召开了架空地线应用技术座谈会,起草了架空地线规范。随后研究试制了聚乙烯绝缘架空地线、聚氯乙烯绝缘架空地线、黑色非交联聚乙烯架空地线等,在随后的工程中采用镀锌钢绞线校对,特殊情况下也用钢芯铝绞线、铜包钢绞线等。如今我国普遍采用镀锌钢绞线、铝包钢绞线和光纤复合架空地线作为普通架空地线,他们其具有柔软性好、稳定性高、可靠性强、强度高等特点。

  

 

 

 

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