500千伏线路地线全绝缘节能降耗与融冰技术研究与实施

近几年在我国西南地区出现的电网覆冰现象，严重的威胁着电网安全，输电线路覆冰厚度超过极限值，将引起线路倒塔，导致电网崩溃，造成灾难性后果，对此，有关部门高度重视。相导线融冰技术的研究和应用已较为普篇，但对地线融冰技术的应用还相对滞后。地线覆冰对电力系统的影响也是不可忽视的。

一、项目提出背景

近几年在我国西南地区出现的电网覆冰现象，严重的威胁着电网安全，输电线路覆冰厚度超过极限值，将引起线路倒塔，导致电网崩溃，造成灾难性后果，对此，有关部门高度重视。

相导线融冰技术的研究和应用已较为普篇，但对地线融冰技术的应用还相对滞后。地线覆冰对电力系统的影响也是不可忽视的。目前输电线路融冰技术已相对比较成熟，但同时也开始逐渐暴露出地线无法融冰情况下对线路运行的影响。

导线融冰已有成功的应用案例，从导线融冰条件看，要想解决输电线融冰，除了相线融冰外，架空地线(包括OPGW)也必须融冰，这样才能防止断线倒杆、通信中断等事故。架空地线的融冰，就需要把架空地线对地绝缘起来，才具备加大融冰电流的条件。为了通过融冰全面提高输电线路的抗冰能力，开展地线融冰的研究具有重要的意义。

从节能降耗效果来看，据有关研究部门、设计部门提供的资料数据也表明，将架空地线对地绝缘起来后，降低线损的效果也十分显著。目前线路光纤复合架空地线(OPGW)和普通地线均采用逐塔接地的接线方式，这种接线方式导致电流对OPGW和普通地线产生互感，将在OPGW、普通地线和大地之间形成电流，从而产生电能损耗，其中OPGW和普通地线的电能损耗占了整个线路损耗的大部分。

对线路损耗与目前常用的OPGW和普通地线接地方式之间的关系进行研究分析，研究改进的OPGW线接地方式及其可靠性，对建设“节能型、环保型”输电线路具有积极意义。

二、项目主要内容

(一)研究内容简介

研究内容主要为根据地线融冰需要，分析地线全绝缘后对防雷及线路保护的影响，建立模型计算地线全绝缘后节能降耗效果，同时分析计算其感应电压，研制满足地线融冰需要的地线绝缘子，为推广应用地线融冰打下基础，主要包括以下方面的研究内容：

1.通过分析地线全绝缘后对线路运行造成的影响，计算地线全绝缘后的防雷效果以及采取的措施，计算感应电压大小，并进行现场测量，为解决现场运行维护打下基础。

2.研制地线融冰绝缘子，对绝缘子开展冰闪试验和污闪试验，确保新型地线融冰复合绝缘子满足地线融冰需要。

3.研究地线融冰对地线进行绝缘改造需要开展的工作，包括地线分段长度的确定、地线绝缘子的设计与试验，OPGW绝缘改造金具的设计与试验等。

4.通过对改进的OPGW和普通地线接地方式进行建模，分析计算在正常、故障、检修状态下线路相关的感应电压、电流等参数，分析线路损耗与目前常用的OPGW和普通地线接地方式之间的关系，设计改进的OPGW和普通地线接地方式，并针对特殊元件和组装方式进行设计，设计一套符合现场实际的专用金具。

(二)研究方法

1.建模计算。

计算青山甲线线路损耗及OPGW和普通地线的感应电压和感应电流是本项目的基础工作，主要考虑由设计单位或高校组织人员，根据线路参数建立相应的数据模型，计算不同运行方式下的线路损耗、OPGW及地线的感应电压和电流，通过计算选择合适的接地改造方案。

2.实验室试验。

针对设计的新型地线绝缘子，按照地线融冰的要求，开展冰闪及污闪试验;对OPGW光缆开展热稳定性分析与试验。

3.理论计算。

理论计算内容包括根据地线融冰电压和电流的分析，计算地线分段长度及融冰方式;计算地线感应电压;计算地线绝缘后的防雷效果，计算地线(OPGW)绝缘后其节能降耗效果，为开展地线融冰打下理论基础。

4.现场测量。

通过现场测量地线绝缘后的感应电压，分析感应电压对线路运行维护造成的影响以及下一步改进措施。

5.产品设计与开发。

针对技术难点OPGW绝缘接续装置的设计，主要考虑通过对目前国内外OPGW绝缘接续装置的应用情况，分析可行的最经济的方案，由厂家设计并制造相应的金具。

6.实际应用论证。

为确保项目最终能应用到实际，将在青山甲乙线、高肇直流根据设计情况进行现场技术改造，通过现场应用和安装，掌握技术的实用性，并最终验证其实用效果，为经济性分析打下基础。

三、项目技术路线

根据以往理论分析计算的结果，制定500千伏线路融冰及绝缘改造的可行性分析;根据线路绝缘后感应电压和感应电流大小特点，选择合适测点、测量项目和测量仪器，通过生产技术、线路管理等部门的相互配合，对地线的感应电流和感应电流进行现场测量。

根据线路的线路参数、杆塔参数、线路参数及系统运行参数等，采用EMTP软件，以多个π型电路级联的方式建立高肇直流架空地线、青山甲乙线架空地线输电线路的数学模型，并根据现场测量数据对仿真模型进行修正，进而，建立较为准确的仿真计算模型。

采用仿真计算模型，进一步研究线路感应电压及感应电流分布的特点，分析影响感应电压、感应电流的因素，为有效降低感应电压及采取下一步措施打下基础。

采用仿真计算模型，分析地线绝缘后对线路防雷效果的影响，分别分析对直击雷以及绕击雷的影响，为有效降低防雷影响，采取有效防雷措施提供理论数据支撑。

根据仿真结果，设计满足融冰及防雷要求的地线绝缘子以及OPGW金具，开展相关试验，确保新产品满足现场需要。

根据理念分析、现场测量结果，参考有关技术导则和技术标准，编制《500千伏线路地线(OPGW)融冰技术导则》。

四、项目的先进性和创新点

近年来，国内对架空线路相导线的融冰技术进行了大量研究，并得到了广泛应用。地线融冰与相导线融冰技术原理基本相同，但由于地线接线方式及其功能不同，对地线进行融冰，也存在自己的特殊性。主要难点和创新点在于解决了以下九个问题：

(一)地线感应电压的问题

传统设计方案中，主要考虑架空地线的防雷作用，架空地线多采用逐塔接地的方式;为减小地线的电能损耗，地线也有采用分段绝缘单点接地的方式，但OPGW地线还普遍采用的是逐塔接地的方式。

对地线进行融冰要求地线必须对铁塔绝缘，地线绝缘又带来新的技术问题：由于相导线与地线间存在电场及磁场的相互耦合，地线全绝缘时在地线上将产生很高的感应电压(感应电压可达几十千伏)，对地线的绝缘及检修均提出了新问题，必须采用必要措施，降低地线的感应电压。

(二)地线绝缘对防雷性能的影响分析

地线的防雷性能主要体现在对雷电直击和绕击两个方面：当铁塔或线路遭受雷电直击时，地线对雷电流具有分流作用，可及时将雷电流经多个铁塔引入大地，减小单个铁塔的地电位过度升高，从而，减小反击发生的概率。确保地线对绕击的防护效果，必须保证在雷电先导发生时，地线先于相导线产生迎面先导，使雷电下行先导与地线迎面先导之间的空气间隙优先击雷，从而将雷电引向地线。

当地线接地时，地线表面电场强度远大于导线表面电场强度，且其空间位置高于相导线，具备优先产生迎面先导条件，从而对绕击具有防护作用;当地线绝缘时，如果在雷电下行先导发展过程中，地线上的感应电荷不能及时聚积，地线表面的电场强度将远小于相导线表面电场强度，相导线优先产生迎面先导，对雷电下午先导接通，从而发生绕击。当地线绝缘时，如何以确保地线的防雷性能不受影响，是地线融冰技术必须解决的问题，而该问题的解决关键在于地线绝缘子和绝缘间隙的合理设计。

(三)绝缘地线对线路保护的影响分析

逐塔接地的地线可减小潜供电流，有利于维持输电线路的三相平衡。常规情况下线路保护整定值，考虑了逐塔接地地线的作用，因而，当地线绝缘时，线路保护的整定值是否需要从新设定，必须进行研究。

(四)地线绝缘子及绝缘串的设计

当同时考虑地线融冰、通讯、防雷及节能要求时，地线绝缘子串及绝缘间隙的设计是地线融冰技术能否成功的关键。

融冰和防雷对地线绝缘强度的要求具有互斥性，从融冰角度考虑，地线的绝缘强度越高越好，而提高防雷效果，要求地线的绝缘间隙在雷电发生前能够可靠击穿。地线的绝缘强度的要求是复杂的，不仅雷电自身极为复杂，雷电发生前，绝缘间隙的击穿强度变化很大，且绝缘间隙受覆冰的影响很大。因而，地线融冰技术的成败，关键在于线地绝缘的配合。

(五)OPGW分段绝缘金具设计

光缆绝缘接续装置是实现OPGW绝缘运行的核心装备，用于将两端的OPGW电气隔离并与塔身绝缘，熔接两端的光纤，目前国内尚未有厂家生产这类专用产品。如果OPGW引下时需对塔绝缘，还需要采用绝缘引下夹具和绝缘余缆架。

OPGW采用分段绝缘的方式后，会对施工工艺产生一定影响，主要是OPGW采用光电隔离绝缘接续盒时，光缆的熔接工艺需要改变，既不能损伤光纤，又要保证外面金属层的可靠断开。OPGW采取分段绝缘、一点接地的方式后，接地点电势为零，但接地点两侧的OPGW上均存在对地感应电势，距离接地点越远，感应电势越大，另外OPGW绝缘引下时接续盒也为带电体。运检人员登塔时不得直接触碰OPGW及与OPGW存在直接电气连通的设备，这与以前的运行维护不相同，对运行维护人员提出了新的要求。

(六)OPGW融冰热稳定性问题

长期以来，在电信、移动、广电、交通等领域的长途光纤网大规模应用常规通信光缆的使用温度均为大气环境温度，如直埋、管道、架空等光缆的实际使用温度变化范围约为-20℃~40℃之间，而电力系统通信领域OPGW、ADSS等光缆的使用温度变化范围约为-40℃~70℃之间。目前广泛认可的普通商用通信光纤的20年长期工作温度为85℃。

考虑到OPGW光缆融冰需要，根据南网电科院融冰电流计算模型，如需要对OPGW-10毫米冰区进行融冰，需要在260安培电流融冰持续1小时，由于持续大电流持续时间长，将会导致OPGW光缆内部温升超过70℃的最大允许温度，因此研究在OPGW光缆融冰过程中热稳定性对光纤衰耗的影响有很大的必要性。

(七)地线融冰的保护问题

地线融冰时所加的是直流电压，在地线融冰的过程中，一但发生地线对铁塔放电，其电弧难以自选熄灭，长时间的电弧作用，对地线具有严重的烧蚀作用，甚至可引起地线断裂。因而，研究地线融冰的保护措施是地线融冰与降耗改造必须解决的问题。

(八)地线降耗接线方式问题

地线融冰与地线降耗措施对地线接地方式的要求具有一致性，但它们又各有自己的特点。地线的电能损耗线路的输送容量、导线是否换位、地线接地方式、地线是否换位等均有较大的关系。因而，研究在保证融冰要求的条件下，如何减小地线的电能损耗是地线融冰与降耗改造时必须解决的问题。

(九)地线融冰过程中闪络保护问题

地线融冰所加的电压为20千伏左右的直流电压，虽然在地线绝缘子上加装有保护间隙，但由于绝缘子的生产工艺、及安装工艺存在差异，且自然界的覆冰情况又极为复杂，因而，融冰过程中地线与铁塔间发生闪络的可能难以完全杜绝。一旦地线与铁塔间发生闪络，由于直流电压是恒定值，不存在过零点，电弧难以熄灭，在长时间的电弧作用下，容易发生地线烧蚀甚至烧断的现象。因而，在地线融冰过程中，必须研究发生闪络时的保护问题。

五、成果的经济社会效应和推广应用情况

地线全绝缘改造在超高压公司贵阳局管辖的安顺换流站、青岩变电站、独山变电站以及青山甲乙线线路、高肇直流线路使用以来，不仅有效解决了地线覆冰导致线路跳闸的情况，而且线损得到了很大降低，具体使用效果包括以下几个方面：

±500千伏高肇直流地线全绝缘后，满足地线融冰要求，有效解决了地线覆冰导致高肇直流线路跳闸或重启动等情况，确保了线路稳定运行;

500千伏青山甲乙线地线全绝缘后，能满足地线融冰要求，有效解决了地线覆冰导致青山甲乙线线路跳闸或重合闸等情况，确保了线路的稳定运行;

500千伏青山甲乙线地线全绝缘后，青山甲乙线线路损耗得到了很大降低，大大节约了线损，为构建“绿色南网”打下了基础。

基于以上的项目研究，超高压输电公司将500千伏线路地线(OPGW)

全绝缘节能降耗与融冰技术应用于500千伏施黎甲线、施黎乙线、黎桂甲线、黎桂乙线、桂山甲线、桂山乙线、±500千伏牛从甲线、±500千伏牛从乙线等多回500千伏线路工程中，均取得了预期的成果。

综上所述，实现架空地线绝缘后，电网在覆冰严重时可以采用融冰装置，消除地线及OPGW的冰灾，防止了断线、通信及保护中断、杆塔倒塔等恶性事故的发生，其社会效益不可估量，保证了电网安全稳定运行是其最大的社会效益。据有关资料测算，将南方电网架空地线全部绝缘后，每年预计节能在20亿度电左右，可创造出数百亿的社会财富，社会效益是十分明显的。