输电线路地线热稳定容量与短路电流分流系数计算书

电力工程设计计算书输电线路地线热稳定容量与短路电流分流系数计算书工程名称：220kV输电线路新建工程设计阶段：施工图设计阶段文件类型：电气专业计算书文件编号：DL-ELEC-CALC-2026-001计算日期：2026年10月18日编制：___________日期：___________校核：___________日期：___________审核：___________日期：___________批准：___________日期：___________××电力设计院有限公司

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1计算目的随着电力系统容量的不断增大，输电线路发生单相接地短路故障时的短路电流水平显著提高。架空地线（含光纤复合架空地线OPGW及普通良导体地线）作为输电线路防雷保护和工频故障电流返回通道的重要组成部分，其热稳定容量直接关系到电网的安全稳定运行。若地线热稳定容量不足，在短路电流作用下将导致地线温度过高，轻则加速材料老化、降低机械强度和使用寿命，重则造成地线烧断、光纤通信中断甚至引发倒塔事故，严重威胁电力系统的安全运行。本计算书依据现行国家及电力行业标准，对220kV输电线路架空地线（OPGW-24B1-100型光纤复合架空地线与JLB40-80型铝包钢绞线组合）的热稳定容量进行系统计算和校验，同时对短路电流在地线-杆塔-大地回路中的分流系数进行详细计算分析，旨在：（1）验证所选用地线型号的热稳定容量是否满足系统最严重短路工况下的安全要求；（2）准确确定短路时的地线分流系数，为变电站接地网入地电流计算和接地电阻设计提供依据；（3）评估不同短路位置、不同短路持续时间下地线的热稳定裕度，为工程设计和运行维护提供技术指导。1.2计算范围与依据本计算书的计算范围涵盖220kV输电线路全线架设的双地线系统，包括OPGW光纤复合架空地线和JLB40型铝包钢绞线分流地线。计算依据包括但不限于第2章所列国家及行业标准，所有公式和参数选取均严格遵循最新版本规范要求。计算所采用的系统短路电流数据由系统专业提供，按工程建成后5～10年系统最大运行方式考虑；地线技术参数以厂家提供的产品型式试验报告和技术规格书为准；气象条件和环境温度按线路经过地区的典型气象区选取。1.3计算工况说明为全面评估地线的热稳定性能，本计算书考虑以下三种典型计算工况，取最严酷工况作为地线热稳定校验的控制条件：工况一（控制工况）：变电站出口（线路首端1～3档内）发生单相接地短路故障。此工况下短路电流最大，流经地线的返回电流最为集中，是地线热稳定校验的控制工况。工况二：线路中点发生单相接地短路故障。此工况用于评估线路中段地线的热稳定情况，短路电流经两端地线分流返回两侧变电站，并沿程通过杆塔接地极泄放入地。工况三（最不利工况）：考虑自动重合闸动作过程的双重短路工况。即故障后保护跳闸、重合于永久性故障、保护再次动作跳闸。由于重合闸无电流间隙时间较短，地线散热不充分，需按两次短路热效应叠加近似校验。2引用标准与规范本计算书引用下列标准和规范的最新有效版本，所有计算方法、参数取值和校验判据均与下列标准保持一致：序号标准编号标准名称1GB50545-2010110kV～750kV架空输电线路设计规范（2015年版）2GB/T50064-2014交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范3GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范4DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合5DL/T621-1997交流电气装置的接地6DL/T5092-1999110～500kV架空送电线路设计技术规程7DL/T832-2016光纤复合架空地线（OPGW）8GB/T1179-2017圆线同心绞架空导线9YB/T124-2017铝包钢绞线10DL/T5222-2005导体和电器选择设计技术规定11GB50217-2018电力工程电缆设计标准12DL/T559-2018220kV～750kV电网继电保护装置运行整定规程注：当上述标准有新版本发布时，应以最新版本为准；当标准之间存在差异时，按较高安全要求执行。3计算基本原理与公式3.1短路热效应计算原理当电力系统发生短路故障时，巨大的短路电流在极短时间内通过导体，由于继电保护动作和断路器切除故障需要一定时间，在此期间短路电流产生的热量将使导体温度急剧升高。由于短路持续时间很短（通常为0.1s至数秒），导体产生的热量来不及向周围环境散出，工程上近似按绝热过程考虑，即认为短路电流产生的热量全部用于升高导体本身的温度。短路电流在导体中产生的热效应（热脉冲）按式（3-1）计算：Q=I2⋅t式中：Q——短路电流热效应，kA²·s；I——流经导体的短路电流有效值，kA；t——短路电流等效持续时间，s。短路电流等效持续时间t应取继电保护动作时间与断路器全开断时间之和，并应考虑短路电流非周期分量的热效应影响。根据DL/T5222-2005规定，对开断时间大于0.1s的断路器，非周期分量热效应等效增加时间约为0.05s；当主保护拒动由后备保护动作切除故障时，应按后备保护动作时间计算。3.2地线热稳定校验公式地线热稳定校验的核心是：在规定的短路电流和持续时间作用下，地线的最高温度不得超过材料允许的短时最高温度。根据GB50545-2010第5.0.10条，验算地线热稳定时地线的最小截面应满足式（3-2）要求：S式中：S_min——地线满足热稳定要求的最小计算截面，mm²；I——流过地线的短路电流有效值，A；t——短路电流等效持续时间，s；C——与地线材料、初始温度、允许最高温度有关的热稳定系数。工程上常采用式（3-3）计算已知截面地线的允许短路电流：I热稳定校验判据为：实际流经地线的短路电流I_gnd≤I_allow（地线允许短路电流），或实际热效应Q_gnd≤Q_allow=(C·S)²/10⁶（地线允许热容量）。3.3热稳定系数C值计算热稳定系数C反映了导体材料在绝热条件下承受短路热效应的能力，与材料的比热容、密度、电阻率、电阻温度系数及初始温度、允许最高温度密切相关。根据GB50545-2010附录B，C值可通过理论公式计算。根据GB50545-2010第5.0.10条，验算短路热稳定时地线允许温度如下表：地线材料类型允许最高温度（℃）依据及说明钢芯铝绞线/钢芯铝合金绞线200GB50545，铝软化温度限制钢芯铝包钢绞线/铝包钢绞线300GB50545，钢芯承力允许更高温度镀锌钢绞线400GB50545，钢再结晶温度以下光纤复合架空地线OPGW按产品保证值一般≤200℃；短路时间≤0.5s时可达300℃OPGW由于内部含有光纤单元，其允许温度主要由光纤涂覆层和金属管密封性能决定。工程上OPGW的短路电流容量通常由厂家以kA²·s（I²t值）形式直接给出，此时直接按厂家额定容量校验：I_gnd²·t≤I²t_rated。3.4双地线短路电流分流原理超高压输电线路通常采用双地线架设：一根为OPGW光纤复合架空地线，另一根为良导体分流地线。发生单相接地短路时，短路电流一部分通过大地返回，另一部分通过两根地线返回两侧变电站中性点。两根地线间由于互感耦合，电流分配关系如式（3-4）所示：I_OPGW/I_JLB=(Z_JLB-Zm)/(Z_OPGW-Zm)……（3-4）式中：Z_OPGW、Z_JLB——分别为OPGW和JLB的单位长度自阻抗，Ω/km；Z_m——两地线间单位长度互阻抗，Ω/km，主要由地线间几何距离决定。当两根地线阻抗接近时电流近似平均分配；若其中一根阻抗显著较小，则该地线承担大部分电流。3.5架空地线分流系数计算架空地线的工频分流系数Kf定义为：接地故障时流经架空地线返回系统中性点的故障电流与总接地短路电流之比，是变电站接地网入地电流计算的关键参数，按式（3-5）计算：K根据GB/T50065-2011，站内短路时入地短路电流按式（3-6）计算：I式中：Kf1——站内短路时地线工频分流系数；I_N——流经变电站接地中性点的电流，kA。分流系数受变电站接地电阻、杆塔接地电阻、出线回路数、地线型号和档距等多种因素影响。工程经验表明：220kV变电站站内短路时Kf1通常为0.50～0.75；站外线路上短路时Kf2通常为0.30～0.60；线路前约15基杆塔对分流系数起决定性作用。

4计算条件与参数选取4.1系统短路电流参数根据系统专业提供的短路电流计算结果，本工程远景年（2035年）最大运行方式下220kV侧单相接地短路电流水平如下表所示。热稳定校验按最大运行方式取值，考虑系统5～10年发展规划。短路位置三相短路电流(kA)单相接地短路电流(kA)备注甲站220kV母线40.238.5站端短路控制工况乙站220kV母线36.835.2对端站母线线路首端（甲站出口）38.538.5地线热稳定控制工况线路中点22.621.8远端短路，电流衰减线路末端（乙站出口）35.235.2对端站出口由上表可见，站端出口处单相接地短路电流最大（38.5kA），是地线热稳定校验的控制工况；线路中点短路电流约为21.8kA，约为站端的57%。4.2地线选型及参数本工程全线架设双地线：一根为OPGW-24B1-100型光纤复合架空地线，另一根为JLB40-80型铝包钢绞线分流地线。地线主要技术参数如下表：参数名称OPGW-24B1-100JLB40-80备注地线类型光纤复合架空地线铝包钢绞线—导电率—40%IACSJLB40系列总截面(mm²)约10079.39—导电截面(mm²)约8579.39OPGW含光纤单元结构中心不锈钢管+绞层7/3.80mm铝包钢线—外径(mm)约13.211.40—单位质量(kg/km)约510372.1—20℃直流电阻(Ω/km)≤0.5800.5483厂家保证值额定拉断力(kN)≥6548.59—短路电流容量(kA²·s)≥85（0.5s）计算得72.240～200℃，t≤1s4.3短路持续时间确定短路电流等效持续时间为继电保护动作时间与断路器全开断时间之和，并计及非周期分量影响。根据DL/T5222-2005和DL/T559-2018，结合本工程保护配置，持续时间选取如下：工况保护时间(s)断路器开断(s)非周期附加(s)等效总时间(s)主保护正常动作0.040.060.050.15近后备保护动作0.500.060.050.60重合闸两次短路叠加0.04+0.040.06+0.060.05+0.050.30考虑地线热稳定失效后果的严重性，为保证足够安全裕度，本计算书取等效短路持续时间t=0.5s作为热稳定校验计算时间，符合DL/T832-2016关于OPGW热稳定计算短路时间推荐取0.5s的规定；同时补充t=0.3s（重合闸）工况进行对比。4.4材料热物理参数地线热稳定计算所需材料热物理参数如下表，取值来源于GB50545-2010附录和电力工程电气设计手册。初始温度θ₀取40℃（考虑日照温升及最高环境温度综合影响）。材料20℃电阻率(Ω·mm²/m)电阻温度系数(1/℃)体积热容(cal/(cm³·℃))硬铝0.02820.004030.59硬铜0.01720.003930.81钢0.1380.004500.85铝包钢(40%IACS)0.0434（等效）0.00420（等效）0.68（加权）5地线热稳定容量计算5.1热稳定系数C值计算JLB40-80铝包钢绞线的热稳定系数C按公式计算。根据GB50545-2010附录B，铝包钢绞线在初始温度40℃、允许温度300℃条件下，C值计算结果如下表：计算项符号取值单位说明单位体积热容量Jq0.68cal/(cm³·℃)铝包钢加权平均电阻温度系数α0.00421/℃等效值20℃电阻率ρ₂₀0.0434Ω·mm²/m40%IACS初始温度θ₀40℃年平均运行温度允许最高温度θf300℃GB50545规定温度函数项ln项0.8675—计算值热稳定系数C107—与标准推荐值一致经计算，JLB40-80热稳定系数C=107，与GB50545标准推荐值一致，后续计算均采用C=107。5.2地线允许短路电流计算根据式（3-3）及厂家参数，计算各地线在不同短路持续时间下允许通过的短路电流如下表：地线型号载流截面S(mm²)C值t=0.15s(kA)t=0.3s(kA)t=0.5s(kA)OPGW-24B1-100—厂家I²t=8523.8016.8313.04JLB40-8079.3910721.9315.5112.01示例计算（JLB40-80，t=0.5s）：I_allow=C·S/√t=107×79.39/0.7071=12014A≈12.01kA。OPGW按厂家I²t容量换算：I_allow=√(85/0.5)=13.04kA。t=0.5s时两根地线合计可承受约25kA短路电流（不考虑互感耦合的偏保守估计）。5.3站端出口短路工况校验（工况一）站端出口短路是地线热稳定最严酷工况。线路首端第1～3档内发生短路时，故障点距变电站极近，该档地线直接承担故障电流返回通路。根据工程经验和仿真计算，线路出口1～3档内短路时，本档双地线承担的短路电流约为故障点总短路电流的40%～60%。本计算按50%偏保守取值，即地线总电流I_gnd_total=0.50×38.5=19.25kA。按式（3-4）双地线电流分配：Z_OPGW=0.58Ω/km、Z_JLB=0.55Ω/km、Z_m≈0.14Ω/km，则电流分配比I_OPGW/I_JLB=(0.55-0.14)/(0.58-0.14)=0.41/0.44≈0.932，即OPGW承担48.2%，JLB承担51.8%。因此：I_OPGW=19.25×0.482=9.28kA；I_JLB=19.25×0.518=9.97kA。站端出口短路工况热稳定校验结果如下：地线实际电流(kA)t=0.5s允许(kA)I²t热效应(kA²·s)允许容量(kA²·s)裕度(%)结论OPGW-24B1-1009.2813.0443.185.0+97满足JLB40-809.9712.0149.772.2+45满足校验结论：站端出口最不利短路工况下，OPGW裕度约97%，JLB40-80裕度约45%，两根地线均满足热稳定要求，且JLB40为控制条件。5.4线路中点短路工况校验（工况二）线路中点单相接地短路电流为21.8kA。由于故障点距两侧变电站均较远，电流经两侧地线分流返回，并沿程通过杆塔接地电阻逐基泄放入地。按偏安全取单侧地线承担故障电流40%，即单侧地线总电流=21.8×0.40=8.72kA，双地线分配后：I_OPGW=8.72×0.482=4.20kA；I_JLB=8.72×0.518=4.52kA。地线实际电流(kA)t=0.5s允许(kA)I²t热效应(kA²·s)允许容量(kA²·s)裕度(%)结论OPGW-24B1-1004.2013.048.8285.0+864满足JLB40-804.5212.0110.2272.2+606满足线路中点短路时地线裕度很大，不起控制作用，主要原因是短路电流经两侧分流和沿程泄放后显著衰减。5.5考虑重合闸的最不利工况校验（工况三）自动重合闸过程：故障→主保护动作0.04s→断路器跳闸0.06s→无电流间隙0.7s→重合于永久故障→再次跳闸，每次短路持续0.15s。由于间隙短、散热不充分，按两次热效应叠加近似校验，等效时间t_eq=0.15+0.15=0.30s：地线等效时间(s)叠加热效应(kA²·s)0.3s允许容量(kA²·s)裕度(%)结论OPGW-24B1-1000.3025.985.0+228满足JLB40-800.3029.872.2+142满足重合闸工况由于每次短路持续时间短（0.15s），允许电流增大，叠加后的总热效应仍小于0.5s单段短路工况，故重合闸工况不起控制作用。即使按间隙0.3s、地线完全不散热的极端假设，仍在允许范围内。6短路电流分流系数计算6.1地线阻抗参数计算地线的工频自阻抗包括电阻分量和电感分量，按Carson公式计算。对架空地线，单位长度自阻抗Z=R+j0.1445lg(D_e/GMR')Ω/km，其中R为直流电阻（20℃，考虑温度修正），D_e为大地等效回线深度（约930m，ρ=100Ω·m），GMR'为地线几何平均半径。经计算各地线阻抗参数如下：地线型号R(Ω/km)X(Ω/km)Z(Ω/km)GMR'(m)OPGW-24B1-1000.619（考虑温升）0.7350.961∠49.9°0.0052JLB40-800.584（考虑温升）0.7420.944∠51.8°0.0045两线互阻抗Z_m0.05（电阻性）0.3820.385∠82.6°—注：电阻值已考虑短路前地线运行温度（40℃）对电阻率的修正，R=R₂₀×(1+α×(40-20))。互感阻抗按地线间几何均距6.5m计算。6.2双地线间电流分配系数根据式（3-4）计算两线间电流分配比例。由于Z_m相对自阻抗数值不大（约为自阻抗的40%），且电阻分量差异不大，电流分配主要由电抗差异决定。经计算：电流分配比k=I_OPGW/I_JLB=(R_JLB+jX_JLB-R_m-jX_m)/(R_OPGW+jX_OPGW-R_m-jX_m)=(0.534+j0.360)/(0.569+j0.353)≈0.93∠-4.2°即电流幅值比|k|≈0.93，说明JLB40-80由于电阻略小，承担的电流略多于OPGW，两者电流分配接近相等（约48%:52%），设计合理。若采用阻抗差异大的地线组合（如OPGW+GJ-50镀锌钢绞线），则OPGW将承担约70%以上电流，可能导致OPGW过载。6.3站端短路时分流系数计算站内（母线）短路时，地线分流系数Kf1采用多段等值链型网络模型计算。根据相关研究成果，对具有4回出线、杆塔平均接地电阻15Ω、档距350m、地线采用OPGW+JLB40组合的典型220kV变电站，分流系数计算结果如下：计算条件变电站接地电阻(Ω)杆塔接地电阻(Ω)出线回数分流系数Kf1入地电流系数(1-Kf1)设计取值0.5154回0.620.38偏不利工况1.0203回0.540.46有利工况0.3105回0.690.31推荐设计取值Kf1=0.62（偏保守），即38%的接地故障电流（扣除中性点回流后）通过接地网入地，62%通过架空地线和电缆外护套分流返回。按此计算甲站母线单相短路时入地电流：I_g=(38.5-18)×(1-0.62)=20.5×0.38=7.79kA，为接地网接触电压和跨步电压计算提供依据。6.4线路短路时分流系数计算线路上发生短路时（站外短路），短路点距变电站有一定距离，地线分流路径更长，杆塔泄放节点更多，分流系数Kf2较站内短路时小。根据文献和仿真结果，220kV线路上发生短路时Kf2随短路点距变电站距离的变化关系如下：短路点距变电站距离Kf2（地线总分流系数）备注0km（母线处）0.62即Kf11km（约3基塔）0.55故障点近端地线分流3km（约9基塔）0.45分流显著衰减5km（约14基塔）0.40趋于稳定10km及以上0.35～0.38远端短路分流稳定值线路中点距两侧变电站均约15km，属于远端短路，Kf2≈0.36，与5.4节校验取值一致。6.5分流系数影响因素分析分流系数的主要影响因素及敏感性分析：（1）变电站接地电阻越大，地网电位越高，更多电流经地线返回，Kf增大；（2）杆塔接地电阻越小，杆塔泄放能力越强，但由于地线-地网回路阻抗降低，总趋势是Kf略增，需具体仿真；（3）出线回路数越多，地线分流通道并联越多，Kf增大（每增加1回出线，Kf约增0.05～0.08）；（4）地线导电率越高、截面越大、阻抗越小，Kf越大；（5）档距越小、杆塔越密，分流节点越多，Kf略增。设计中应结合实际参数通过CDEGS等专业软件精确计算，本计算书取值为典型工程经验偏保守值。7热稳定安全校验与结果分析7.1热稳定裕度校核综合三种计算工况，地线热稳定裕度汇总如下表（正裕度表示满足要求）：工况地线实际I²t(kA²·s)允许I²t(kA²·s)裕度(%)是否满足控制程度站端出口t=0.5sOPGW-24B1-10043.185.0+97满足—站端出口t=0.5sJLB40-8049.772.2+45满足控制工况线路中点t=0.5sOPGW-24B1-1008.885.0+864满足—线路中点t=0.5sJLB40-8010.272.2+607满足—重合闸t=0.3sOPGW-24B1-10025.985.0+228满足—重合闸t=0.3sJLB40-8029.872.2+142满足—由表可见，所有工况下地线热稳定均满足要求，最小裕度约45%（JLB40-80，站端出口0.5s），满足DL/T5222-2005关于热稳定校验宜留有适当裕度的要求。控制工况为线路首端第1～3档内发生单相接地短路、短路持续时间0.5s（近后备保护动作）。7.2分流系数对入地电流的影响地线分流系数直接影响变电站接地网入地电流大小，进而影响接地电阻设计目标值和接触电压/跨步电压安全水平。若不考虑地线分流（Kf=0），按最不利情况入地电流为I_sc-I_N=20.5kA；考虑分流后（Kf=0.62），实际入地电流为7.79kA，减少了约62%。这意味着若忽略地线分流作用，接地网设计将过于保守，造成投资浪费；反之若高估分流系数则可能导致接地安全裕度不足。本工程取Kf=0.62具有合理的工程精度和安全裕度。分流系数取值入地电流(kA)接地电阻限值(Ω)按2000V对比差异(%)Kf=0（不考虑分流）20.50.098基准-163%（过严）Kf=0.5（偏保守）10.250.195-32%Kf=0.62（推荐）7.790.257推荐设计值Kf=0.7（偏乐观）6.150.325+26%（有风险）注：接地电阻限值按GB/T50065-2011规定，有效接地系统接地网电位升高不超过2000V（非高土壤电阻率地区）计算。7.3多工况对比分析不同短路位置和持续时间下地线热稳定负载率（实际/允许）对比：短路位置/工况短路持续时间OPGW负载率JLB负载率风险等级站端出口1～3档0.15s（主保护）39%45%低站端出口1～3档0.5s（近后备）71%83%中（控制）站端出口1～3档0.6s（远后备）75%87%中高站端出口1～3档0.3s（重合闸叠加）55%64%低中线路中点及以外0.5s32%38%低变电站母线0.5s≤25%≤25%低（多回分流）分析表明，地线热稳定最严峻工况为线路首端1～3档内发生永久性短路故障且主保护拒动由近后备保护动作切除（t≈0.5s），此时JLB40-80负载率约83%，仍有17%安全裕度（对应电流裕度45%的平方关系），设计满足要求。建议在运行中加强线路首端3档内杆塔和地线的巡检维护。7.4计算结论经上述系统计算和多工况校验，得出如下结论：（1）本工程选用的OPGW-24B1-100型光纤复合架空地线和JLB40-80型铝包钢绞线组合方案，在系统最大运行方式、站端出口近后备保护切除短路（t=0.5s）的最严酷工况下，两根地线的热稳定容量均满足国家标准要求，最小热稳定裕度约45%（电流裕度），安全可靠。（2）站端（甲站母线）单相接地短路时地线分流系数推荐取Kf1=0.62，入地短路电流约7.79kA；线路远端短路时Kf2≈0.36。该分流系数可直接用于变电站接地网设计。（3）双地线电流分配比例约为OPGW:JLB=48%:52%，分配较为均衡，JLB40-80作为分流地线选型合理，有效分担了OPGW的短路电流负担，对保护OPGW光纤单元安全运行有利。（4）重合闸工况下地线热效应叠加后仍在允许范围内，现有地线配置无需为重合闸过程额外放大截面。8工程指导意义与建议基于上述计算与分析，对本工程及类似工程设计、施工和运行提出以下指导意见和建议：（1）地线选型建议：对220kV变电站出口3km范围内（约9基杆塔），地线选型必须按近后备保护动作时间（t=0.5s）进行热稳定校验，不应仅按主保护动作时间（0.15s）校验。对本工程，现有选型满足该要求。在线路中段及以后，由于短路电流衰减，地线热稳定裕度充足，可根据机械强度和防雷要求适当优化，但全线统一选型有利于施工和金具通用化。（2）分流地线的重要性：采用OPGW+JLB铝包钢绞线的双地线组合方案，JLB良导体地线不仅起到防雷保护作用，更重要的是作为分流线有效分担OPGW的短路电流。若另一根地线采用镀锌钢绞线GJ-50（电阻约3.45Ω/km），则OPGW将承担约70%以上短路电流，可能导致OPGW过载。因此220kV及以上线路建议OPGW配套选用铝包钢绞线作为分流地线，不宜采用普通镀锌钢绞线。（3）接地装置配合：良好的杆塔接地是提高地线分流效果、降低地线温升的重要措施。建议线路首端10基杆塔的接地电阻严格控制在10Ω以下（一般地区），以增强短路电流的沿程泄放能力，降低故障点附近地线的电流密度。（4）继电保护配合：建议全线