1、光纖復合架空地線系統分流計算隨著光纖通信技術的發展，光纖復合架空地線（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW）被廣泛應用在輸電線路中，其既保持了傳統地線的功能又增加了通信功能，具有安全可靠、不易受外力破壞、不需另設空間走廊等優點，有效提高了地線的利用效率。正確計算架空地線分流系數對OPGW 熱穩定的校驗和地線選型具有重要意義，能提高設計的合理性和經濟性9圖6所示。圖6中：K1(i)、K2(i)分別為2條地線在第i級鐵塔處的接地狀況，電阻閉合即接地運行，電阻斷開即非接地運行；U1i、U2i、U3i分別為對應網絡節點的節點電壓。設置電阻閉

2、合狀態時的開關電阻0.18，電阻斷開狀態時的開關電阻為108。圖6等效電網絡模型Fig.6Equivalent power network model1.4節點法計算分流系數利用節點法對圖4所示的等效導納網絡模型進行求解。假設在第i級桿塔處發生單相接地短路故障，得到第i1、i、i1級桿塔處節點電壓方程為Yi1Ui2+(Yi1+Yi+Ygi1)Ui1YiUi=Yi1Ei1YiEiYiUi1+(Yi+Yi+1+Ygi)UiYi+1Ui+1=YiEiYi+1Ei+1+IYi+1Ui+(Yi+1+Yi+2+Ygi+1)Ui+1Yi+2Ui+2=Yi+1Ei+1Yi+2Ei+2（3）同理可得到其余節點處

3、的節點電壓方程。對所有桿塔處的節點電壓方程進行整理，得到每個節點的自導納和與其他節點的互導納，可形成網絡方程YU=I，求解即可得到圖4所示的節點電壓值，求出每一檔距左右地線短路分流值和各桿塔入地電流。同理可求解圖6所示的等效電網絡模型。本文基于Matlab開發了上述節點法計算分流系數的軟件，可以方便計算全線路的架空地線分流系數和節點電壓，并適用于線路存在分支、同一線路上有2種以上不同型號地線串聯、地線分段絕緣單點接地等特殊情況。將計算所得地線分流值與其熱穩定電流進行對比，可迅速實現熱穩定校驗。2 算例驗證2.1計算實例以北京電網中臺湖某草廠220 kV線路改造工程為例，該線路地線逐塔接地，不分

4、段絕緣，包括普通地線左右架設、OPGW左右架設、OPGW 與普通地線左右架設、OPGW與普通地線前后串聯組合、線路分支等多種情況。根據實際線路參數在ATP/EMTP中搭建仿真模型部分，如圖7所示4，19。圖7中：JE表示分支玉甫站側變電站接地電阻；JS表示臺湖站側變電站接地電阻；N表示該桿塔為耐張塔；Z表示該桿塔為直線塔；變電站的接地電阻取0.5，各級桿塔接地電阻取7，土壤電阻率取500m。圖7ATP/EMTP仿真部分模型圖Fig.7ATP/EMTP simulation part model diagram2.2計算結果當線路某級桿塔發生單相接地故障時，短路故障電流將以該桿塔為界向前、后分流

5、，每經過一級桿塔會有一部分電流由桿塔入地，本文設定故障電流向臺湖站方向分流為向前分流，向草廠站方向分流為向后分流。桿塔編號順序為：從臺湖站至草廠站，先主線后分支。當3號桿塔發生單相接地故障時，進行軟件計算和ATP/EMTP仿真計算，得到故障桿塔附近幾級檔距的電流分布情況，如表1所示，其中線路檔編號1表示1號桿塔與2號桿塔之間的線路檔距。表1分流系數計算對比表Table 1Comparison of shunt coefficient calculation線路檔編號分流系數/%左地線右地線仿真計算軟件計算仿真計算軟件計算131.3328.9530.8429.03233.3331.3432.97

6、31.41314.4918.3314.4918.38412.5914.7712.6314.79改變線路故障點，取左右地線型號一致的故障點，在距離臺湖站側一定距離的桿塔處設置單相接地故障。故障桿塔后1檔距（向草廠站分流方向）左地線的分流系數計算結果對比如圖8所示。圖8故障桿塔后1檔距左地線分流系數對比圖Fig.8Comparison of the shunt coefficient between the first gear behind the fault tower and the left ground wire2.3結果分析分析上述算例計算結果可得到以下結論：1）由表1可知，當故障點靠

7、近臺湖站時，靠近臺湖站側的地線分流系數為遠離臺湖站側的地線分流系數的2倍多，變電站接地電阻小于桿塔接地電阻，對分流影響較大。2）由圖8可知，當離變電站較近的桿塔發生故障時，靠近變電站側的分流系數較大；當離變電站較遠的中間部分桿塔發生故障時，分流系數基本保持不變，此時變電站接地電阻的影響較小。3）軟件計算結果與仿真計算結果誤差在4%以內，驗證了上述計算軟件的正確性。3 多種地線情況計算與分析3.1OPGW左右架設假設線路無分支，左右地線均逐塔接地，且不分段絕緣。111線路檔左右地線型號相同，均為OPGW-24，半徑為5.25 mm，直流電阻為0.865/km。此時設置故障點為3號桿塔，對故障點附

8、近11個檔距的OPGW分流系數進行計算，計算結果如圖9（a）所示，圖中線路檔編號3即表示3號、4號桿塔之間的線路檔距。圖9左右地線分流系數對比圖Fig.9Comparison of the shunt coefficient between the left and right ground wires3.2OPGW與普通地線左右架設左地線型號仍為OPGW-24，將右地線型號改為GJ-50，半徑為4.5 mm，直流電阻為2.679 2/km。故障點和計算范圍保持不變，計算結果如圖9（b）所示。3.3OPGW與普通地線前后串聯組合將線路改為不同型號地線串聯的組合地線，12線路檔左右地線型號仍為O

9、PGW-24，311線路檔左右地線型號均改為GJ-50。故障點和計算范圍保持不變，對比該算例與OPGW左右架設時計算所得的右地線分流系數，結果如圖10所示。圖10右地線分流系數對比圖Fig.10Contrast diagram of shunt coefficient of the right ground wire3.4計算結果分析通過對線路中可能存在的OPGW多種地線情況進行計算，驗證了計算軟件可應用于實際工程可能出現的帶有 OPGW 、組合地線的地線情況。當OPGW與普通地線左右架設、前后串聯組合時，因OPGW半徑大、阻抗小，故分流系數大。OPGW與普通地線左右架設時分流受阻抗影響較大，

10、前后串聯時影響較小。在工程中，為了簡便計算，通常取第1級桿塔作為故障點，通過粗略的分流算法得到OPGW分流的故障電流即為流過的最大故障電流，并將此作為選型依據。這種方法只適用于全線路為相同地線型號、粗略地認為各桿塔接地電阻近似相等的情況。當同一線路上出現OPGW與普通地線2種或2種以上不同型號地線前后串聯組合、桿塔接地電阻變化較大的情況時，應對全線路桿塔故障的所有可能情況進行分流系數計算，并對OPGW進行熱穩定校驗，判斷某段線路范圍內OPGW可能出現的最大故障電流，從而保證地線選型的經濟性和可靠性。上述計算軟件可對全線路桿塔逐塔進行分流系數計算，并對每一檔距架設的OPGW或普通地線進行熱穩定校

11、驗，具有工程實用價值。4 地線接地方式及間隙電壓討論4.1普通地線分段絕緣算例目前工程中，OPGW基本采用逐塔接地，普通地線多采用分段絕緣、單點接地。在3.2節算例基礎上設置1種新的地線接地方式：OPGW仍采用逐塔接地的接地方式，311線路檔的普通地線采用分段絕緣、單點接地（奇數號線路檔接地）的接地方式，故障點仍為3號桿塔。絕緣間隙不擊穿時，故障桿塔附近幾級檔距的軟件計算結果與ATP/EMTP仿真計算結果對比情況如表2所示，軟件計算結果如圖11（a）所示，普通地線的絕緣間隙電壓計算結果如圖11（b）所示。表2新的地線接地方式下計算結果對比表Table 2Comparison of calcul

12、ation results under new ground wire grounding mode線路檔編號分流系數/%OPGW普通地線仿真計算軟件計算仿真計算軟件計算139.6736.0413.8315.45242.9541.1915.0117.65326.4331.3600422.2023.1900518.8717.1500圖11新的地線接地方式下計算結果圖Fig.11Calculation result diagram of new ground wire grounding mode由圖9（b）和圖11（a）對比可知，當普通地線采用分段絕緣、單點接地的接地方式時，若絕緣間隙不擊穿，O

13、PGW的最大短路分流系數會略有增加，圖9（b）中最大分流系數為39.18%，圖11（a）中最大分流系數為41.19%，不擊穿較擊穿增加5.13%左右，對OPGW的熱穩定要求更高。若保證絕緣間隙擊穿，可以降低OPGW的分流和熱穩定要求。在進行3號線路檔普通地線絕緣間隙整定時，應計算3號、4號桿塔（即相鄰短路點故障情況）的絕緣間隙電壓，絕緣間隙的擊穿電壓小于兩者較小值，保證3號、4號桿塔發生短路故障時短路電流可從3號線路檔分流。4.2OPGW接地方式OPGW逐塔接地時會出現環流損耗，不利于節能降耗，并且地線的連接耐張金具可能因此發熱，存在安全隱患20，21。同時，由于OPGW為良導體地線，而普通地

14、線多為鋼絞線，當OPGW采用逐塔接地而普通地線采用分段絕緣、單點接地時，會使OPGW遭雷擊概率增大，從而導致斷股損壞問題出現22。為降低損耗和雷擊概率，OPGW還可應用分段絕緣單點接地和全線絕緣這2種方式23，只要對絕緣間隙進行合理整定，便可在故障情況下形成短路電流的泄漏通道，保證線路安全。此外，為了滿足雷擊、系統過電壓時的短路容量、最大溫升等要求，必要時可將普通地線更換為良導體地線，以滿足技術參數匹配和安全性要求24。4.3OPGW門型架引下安全性與普通地線不同，OPGW進入變電站時進入門型架后須沿構架引下，與普通無金屬光纜接續，組成光纖通信傳輸通道。若進站OPGW引下線與變電站門型架金屬構

15、件及地網系統之間沒有固定連接，只是緊靠在一起，則當變電站內部發生單相接地短路故障時，門型金屬構架承受的過電壓最大，放電點兩側電位差很大，OPGW與金屬構架的間隙足夠小，就會產生間隙放電，使OPGW燒熔斷股25。為避免上述事故發生，在OPGW與金屬部分接觸處加裝絕緣引下線夾時，要確保與金屬構件的有效絕緣26。變電站內部短路故障簡化模型如圖12所示。利用節點法可求得短路點處電壓，為絕緣整定提供參考。圖12變電站內部短路故障簡化模型Fig.12Simplified model diagram of substation internal short-circuit fault5 結論本文采用節點法計算了OPGW系統的分流系數，開發了工程可用計算軟件，適用于OPGW與普通地線結合、不同地線運行方式等情況下全線路地線分流系數的計算、熱穩定校驗。1）對220 kV OPGW系統進行計算，當變電站附近短路時，靠近變