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典型架空输电线路电磁取能地线的选择

来源:个人技术集锦
第38卷第5期 四川电力技术 Vo1.38,No.5 2015年10月 Sichuan Electric Power Technology Oct.,2015 典型架空输电线路电磁取能地线的选择 刘益岑 。薛志航 ,龚奕字 ,蒋兴良 ,谢彦斌 ,胡建林 (1.国网URJII省电力公司电力科学研究院,四川成都610072;2.重庆大学,重庆400044) 摘要:地线取能是输电线路在线监测装置较为理想的供电方式,地线取能设计首先面对的是取能地线的选择。以 四川省电力公司所属的某500 kV线路为基础,借助EMTP—ATP程序对光纤复合地线(OPGW)和普通地线在取能功 率、雷电冲击影响以及工程可行性(主要指安装实施)3方面的表现进行分析比较。分析表明,OPGW在取能功率和防 雷I}生能上较优,但取能装置安装不方便(只宜在光纤续接塔处安装);普通地线则在取能功率和防雷性能上较差,但是 安装比较方便,且安装位置不限(几乎可以在线路上任何一基杆塔上安装)。最后以此为基础,讨论了选择取能地线 的基本原则和方法。 关键词:输电线路;架空地线;在线取能;取能功率 Abstract:Tap—off power from ground wire is an ideal method for on—line monitoring devices of transmission line.The first step to design tap—off power from ground wire is the selection of ground wire of tap—off power.Based on 500 kV lines of Si- chuan Electric Power Company,the performances of optical power ground wire(OPGW)and ordinary rgound wire in power, lightning impact and engineering feasibility(the instlalation and implementation)ale compared with EMTP—ATP.The results show that OPGW works better in power and lightning impact,while the installation of power—tapping devices isn t convenient (only available at the connecting point fo OPGW),and for the ordinary ground wire,it behaves better in installation basiclaly with no limits of installation(almost availbale ofr every tower),while it has worse performance in the other two sapects.Final— ly,the basic principles and methods to select ground wire of tap—off power ale discussed. Key words:transmission line;overhead ground wire;on—line power tapping;tapping power 中图分类号:TM726.3文献标志码:A文章编号:1003—6954(2015)05—0021—04 一 、土 T千字千~ T . 0,. ,.0 引 言 一 帚 架空输电线路在线监测装置一般采用架设专用 低压线、太阳能电池、小型风力发电机等供电。这些 供电方式的主要缺点是经济性很差、输出功率小和 图1 输电线路架空地线电磁感应现象示意图 装置体积大¨I2 。而近期基于相线电流的电磁感应 典型架空输电线路通常包括两根架空地线,即 取电 对大多数在线监测装置并不适用。作为一 分段绝缘的普通地线和逐塔接地的光纤复合地线 种较为理想的在线供电方式,地线取能近年已成为 (OPGW)L8 。由于两者均接地,其静电感应电压 在线取能领域的研究热点。 为0,因此不宜采用静电取能方式;但无论是否接 架空地线的能量来自于输电线路周围空间的电 地,地线总是存在纵向感应电势,因此,只讨论基于 磁感应和静电感应 J,如图1所示。 地线电磁感应的取能方式。 图1中相线电流在周围空间产生交变电磁场并 对于典型架空输电线路,两根地线都可以和大地 与“地线一大地”回路交链,从而在该回路上形成涡旋 或者彼此之间形成闭合回路,换言之从两根地线上都 感应电势,俗称纵向电势;静电感应则源于相线中静 可以实现电磁取能。此外,取能装置还可以通过电流 电荷的库仑电场在地线上形成的对地静电感应电压。 互感器(TA)以电磁转换的形式从地线取能 引,但 项目名称:四川电网复杂运行工况下的在线监测装置适应性评估及 运维关键技术研究(521997135062) 这种方法难以获得较大的功率,除非TA的尺寸足够 .21. , 一 第38卷第5期 2015年l0月 四川电力技术 Sichuan Electic Power Technolrogy V01.38.No.5 Oct.。2015 大,但过大的TA尺寸必然会带来其他风险,因此对 此方法不予详细讨论。一般架空地线在线取能设计 需要考虑的因素主要有取能功率、取能装置运行可靠 性(主要指雷电冲击、接地故障等的影响)以及工程可 行性(主要指安装实施);而普通地线和OPGW在这3 方面的表现显然是不同的,因此有必要对架空输电线 路取能地线的选择进行探讨。 关于典型架空输电线路地线电磁取能的研究, 文献[14—15]中研究了基于电磁感应的地线取能 方法并介绍了取能电路的初步设计,但并未就取能 地线的选择进行探讨。因此,以四川省电力公司所 属的某500 kV线路为基础,借助EMTP—ATP仿真 程序,主要从取能功率、防雷性能、安装工程3方面 讨论典型架空输电线路电磁取能地线的选择。 1输电线路介绍 下面以四川电网某500 kV线的典型区段为例 进行分析。导、地线纵向布置如图2所示。 L1. : ●2 938o F.一 ・lA -J 9500 — ; ●2A g I 一 l l 千g ・1B ; 2B 一 叫11500}.一 : ●2C -t 11000 一 图2某500 kV线路的导、地线纵向布置示意图 图中1为逐塔接地的OPGW(LBGJ一150— 40AC,半径为7.875 mm,直流电阻为0.293 5 km),2为分段绝缘的普通地线(GJ一7O,半径为5.5 mm,直流电阻为1.7 DJkm)。相线为4 X LGJ一 630/45,半径为16.8 mm,直流电阻为0.046 3 D,/ km,分裂间距为450 mm。土壤电阻率P为300 Q・ In。档距为390 in,杆塔接地电阻均值约为10 Q。 分段长度约20档。线路潮流约360 MVA。 导线相序安排如图3所示。图中各换位段长度 相等。 2地线取能功率计算 取能功率的计算以上述线路为基础,通过 ・22・ EMTP—ATP程序完成。 :l : 二 B●一…一— 、 一…~ ~一一 IC●一..——/-—~../-一…/0 2B◆…——一 卜~~一2c …一、J|一…’__ …一一、 ---一一、  2AQ-……,●一~…一Ⅲ『 一一~ ■ 图3某500 kV线路典型区段导线相序安排 通常架空输电线路存在两种比较可行的地线取 能回路,一是地线与大地组成的回路,二是地线与地 线组成的回路。对于图1所示的同塔双回线路,两 回线路左右对称,地线上的纵向感应电势幅值相位 基本相同,因此可行的地线取能回路是地线与大地 组成的回路。对于普通地线,将普通地线的地线绝 缘子通过取能元件(记为 )并联形成接地点,再结 合普通地线上已有接地点,就可以形成“地线一大 地”取能回路;对于OPGW,由于本身已逐塔接地, 所以任一段地线均可和大地组成闭合回路。 仿真计算示意图分别如图4所示。 500kV 1) s(i) S(i+1) 4攀 ohm 刚箱》 耋烧5 a)OPGW地线取能回路仿真示意图 500 kV 1) S(i) S(i+1) 臻Ri1 囔霞 第38卷第5期 2015年10月 四川电力技术 Sichuan Electric Power Technology Vo1.38,No.5 Oct.,2015 取能功率。 表1 地线取能功率计算结果 /(W・100 A ) 普通地线 oPG、^f a)0PGW取能时的雷电冲击仿真截图 由表1可知: 1)OPGW地线取能功率比较大,不仅可以满足 普通地线 个别在线监测设备的用电需求,潮流较大时甚至可 能满足输电线路在线通信的组网用电需求。 2)普通地线的取能功率则相对很小,即使取能 回路扩大10倍,其取能功率依然小于前者。可见, 这种方式较适用于个别监测设备的供电。 3)取能功率随R 的变化而变化,存在最大值。 进一步仿真分析表明,取能位置、线路档距及杆 塔接地电阻分布的变化对上述分析结论影响不大。 但换相的影响较大,对于OPGW取能,距换相点最 近时降低幅度可达70%左右,对于普通地线取能, 反而有所增大,增幅可达50%以上,但功率值依然 小于前者。 可见,从取能功率的角度来看,选择OPGW作 为取能地线比较合理。 3雷电冲击的影响 通过EMTP—ATP程序分析。杆塔模型用单波 阻抗模型表示,波阻取150 n。雷电波采用Heilder 模型,波前和波长分别设为4×10~s和5×10~s, 雷电通道波阻取300 Q。设(i+1)号杆塔为普通地 线已有接地点,取能元件R 位于第i号杆塔的地线 上并取其阻值为10 Q(由表1可知,此时取能功率 较大),雷击位置为普通地线并取雷电流峰值为l0 kA。此外,由表1可知,普通地线上的取能功率较 小,一般来说需要多个档距组成取能回路方可取得 较大的功率,此时雷击普通地线时落点既可能在取 能环路内也可能在环路外。对于OPGW取能则不 存在这种情况。设雷击位置在环路外时取能回路只 含1个档距,环路内时含5个档距,则可得雷电冲击 仿真截图如图5所示。 仿真结果如表2所示。 oPGW b)普通地线取能时的雷电冲击仿真截图(环外) ,9(i-4) s(i) S(i+1) 普通地线 OPGW C)普通地线取能时的雷电冲击仿真截图(环内) 图5 架空地线取能装置的雷电冲击仿真截图 表2 R。所受雷电冲击电压 雷击杆塔号( 一4)/kV(i一3)/kV(i一2)/kV(i一1)/kV 表2中a,b、C分别表示图5中a)、b)、c)3种情 况对应的冲击电压。 由表2可知,取能地线为OPGW时所受雷电冲 击电压比普通地线低很多,因此,就防雷的角度而 言,选择OPGW作为取能地线比较合理。 值得一提的是,上述仿真结果是最严重雷击情 形下的结果,比如雷击落点为OPGW时所受冲击电 压一般不超过2 kV,但结果并不影响上述结论。 4工程可行性 这里的工程可行性主要是指取能装置的安装实 施,因为地线属于输电线路的一次回路,安装取能装 置是否可行以及安装工程对电网运行的影响,都是 必须考虑的。 ・23・ 第38卷第5期 2015年1O月 四川电力技术 Sichuan Electric Power Technology Vo1.38,No.5 Oct.,2015 由图4可知,普通地线取能时,R 需通过普通 地线连接在铁塔上,实际上只须和地线绝缘子并联 即可;OPGW取能时,OPGW须先从杆塔上断开形成 一指安装实施)3方面的表现做了分析比较,并以此为 基础讨论了选择取能地线的方法。 2)分析表明,OPGW在取能功率和防雷性能上 较优,但取能装置的安装不方便(只宜在光纤续接 塔处安装);普通地线虽然在取能功率和防雷性能 上较差,但是安装比较方便,而且安装位置不限(几 乎可以在线路上任何一基杆塔上安装)。 个接口, 才可以串接在该地线上。这种方式的 安装工程只宜在光纤续接杆塔上进行,在其他耐张 塔上则需要割断地线铠甲层,工程量很大。可见,就 安装工程的角度而言,选择普通地线作为取能地线 显然更加合理。 5讨论 综上所述,OPGW在取能功率和防雷性能上较 优,但取能装置的安装不方便,只宜在光纤续接塔处 安装;普通地线虽然在前两个指标上不占优势,但是 安装比较方便,而且安装位置不限(几乎可以在线 路上任何一基杆塔上安装):可见,作为取能地线, 无论哪一根地线都不对另一根地线具有完全的优 势,具体选择应结合实际情况进行判断。 对于功率需求很大的场合(如在输电线上进行 在线通信组网,或某些功率很大的监控设备),宜采 用OPGW作为取能地线。如果采用地线,虽然可以 通过增加取能回路的档距数来增加取能功率,但此 时地线损耗必然增加,尤其是对于水平排列的单回 线路(此时地线上存在环流损耗)。 对于雷电活动频繁的地区,也宜采用OPGW作 为取能地线,因为即使取能装置无论采用什么防雷 措施,其保护效果总是有限的,频繁的雷电冲击必然 影响取能装置的安全运行。 对于功率要求较小,且用电设备位于非耐张杆 塔的情况,则宜采用普通地线作为取能地线。 值得一提的是,鉴于TA取能方式安装方便(直 接将TA套在地线上即可)以及抗雷电冲击(TA与 地线只有磁的联系)的优点,地线电流足够大且在 线监测装置所需功率不太大时应该优先考虑这种方 式,此时只能选择OPGW作为取能地线,因为普通 地线上只有极小的静电感应电流。 6结语 1)针对典型架空输电线路的地线取能地线的 选择,借助EMTP—ATP程序对OPGW和普通地线 在取能功率、雷电冲击影响以及工程可行性(主要 ・24・ 3)地线电流足够大且用电设备功率需求不大 时应该优先考虑通过TA在OPGW上取能的方式。 4)虽以同塔双回线路为例进行分析,但结论同 样适用于水平排列的单回线路。 参考文献 [1] 熊兰,何友忠,宋道军,等.输变电线路在线监测设备 供电电源的设计[J].高电压技术,2010,36(9):2252 —2257. 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