1000kV單回和同塔雙回混合線(xiàn)路電氣不平衡度分析

魏利民，郭志濤，王煒，王輝，王亮

(河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊市 050031)

0 引言

在輸電線(xiàn)路中，由于線(xiàn)路三相自身參數(shù)不對(duì)稱(chēng)以及雙回路之間的電磁耦合關(guān)系，在線(xiàn)路正常運(yùn)行時(shí)每相導(dǎo)線(xiàn)的阻抗和導(dǎo)納并不相等，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)電流和電壓，從而對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備帶來(lái)諸多不利影響［1-3］。為確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，在長(zhǎng)距離超高壓、特高壓輸電線(xiàn)路中，必須設(shè)計(jì)好導(dǎo)線(xiàn)的換位方式及換位距離［4-5］。

1 000kV錫盟—南京特高壓輸電線(xiàn)路工程全長(zhǎng)2×1 404 km，是我國(guó)第1條1 000 kV特高壓同塔雙回和2條并行單回路混合架設(shè)的輸電線(xiàn)路。其中錫盟—北京東段長(zhǎng)度約為355.8 km，同塔雙回路段長(zhǎng)106.4 km，2條單回路段長(zhǎng)249.4 km［6］。目前國(guó)內(nèi)對(duì)500 kV等超高壓多回線(xiàn)路及1 000 kV特高壓?jiǎn)位鼐€(xiàn)路和同塔雙回線(xiàn)路已經(jīng)進(jìn)行過(guò)研究［7-12］，但是對(duì)于2條并行單回路與同塔雙回路混合的輸電線(xiàn)路尚未進(jìn)行深入分析。為此，本文以錫盟—北京東段線(xiàn)路為研究對(duì)象，利用電磁暫態(tài)分析程序(ATP-EMTP)計(jì)算研究混合線(xiàn)路的電氣不平衡度以及最佳換位點(diǎn)的選擇問(wèn)題，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算條件

1.1 計(jì)算參數(shù)

本工程的系統(tǒng)額定電壓為1 000 kV，系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓為1 100 kV;系統(tǒng)輸送功率為6 000 MW，事故時(shí)極限輸送功率為12 000 MW;功率因數(shù)為0. 95;導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為8×JL/G1A－630/ 45;地線(xiàn)型號(hào)為L(zhǎng)BGJ－240－20AC;絕緣子串長(zhǎng)為11 m;桿塔呼高為57 m;對(duì)地距離為22 m;導(dǎo)線(xiàn)弧垂為24 m，地線(xiàn)弧垂為17 m;土壤電阻率為500 Ω·m。

1.2 桿塔型式

本文采用工程中使用最多的塔頭尺寸作為計(jì)算條件，雙回路為導(dǎo)線(xiàn)垂直排列方式的傘型塔，單回路為導(dǎo)線(xiàn)水平排列的杯型塔，塔頭尺寸如圖1所示。

圖1 桿塔型式Fig.1Tower type

2 計(jì)算方法和模型

根據(jù)文獻(xiàn)［13］的規(guī)定，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)，電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電壓不平衡度允許值為2%，短時(shí)不得超過(guò)4%。本文取2%和短時(shí)4%作為輸電線(xiàn)路電壓不平衡度限值。

根據(jù)文獻(xiàn)［14-15］可得負(fù)序電壓不平衡度εU2、負(fù)序電流縱向不平衡度Md2、回路間負(fù)序電流不平衡度Ml2為

式中:U1和U2分別為負(fù)荷端正序和負(fù)序電壓;分別為第1回路電源端正序和負(fù)序電流;分別為第2回路電源端正序和負(fù)序電流。

本文研究采用ATP-EMTP仿真分析程序和相序變換矩陣對(duì)架空輸電線(xiàn)路的不平衡度進(jìn)行計(jì)算分析。按照一端供電的開(kāi)式電力網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型建模，先假定線(xiàn)路送端功率、三相電壓對(duì)稱(chēng)且不隨時(shí)間變化，再觀(guān)測(cè)線(xiàn)路電源端電流、線(xiàn)路受端電壓、電流的不對(duì)稱(chēng)量，等效負(fù)載阻抗值則根據(jù)傳輸功率、傳輸電壓和功率因數(shù)來(lái)計(jì)算。

在ATP-EMTP中建立同塔雙回和2條并行單回混合線(xiàn)路的不平衡度計(jì)算分析模型，如圖2所示。

圖2 ATP-EMTP中的同塔雙回和2條并行單回混合線(xiàn)路分析模型Fig.2Analysis model of double-circuit on the same tower and the two parallel single-circuit mixed-lines in ATP-EMTP

圖2中三相電源為1 000 kV對(duì)稱(chēng)電壓源，同塔雙回和2條并行單回線(xiàn)路均按1個(gè)LCC建模［16］，其中2條并行單回線(xiàn)路塔中心距取80 m，負(fù)載用三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載代替。

3 不換位線(xiàn)路不平衡度的計(jì)算與分析

3.1 2條并行單回和同塔雙回線(xiàn)路的相序排列方式的不平衡度計(jì)算

2條并行單回路和同塔雙回路的相序排列方式共計(jì)8種，如表1所示。

保持計(jì)算用系統(tǒng)參數(shù)和塔頭尺寸不變，2種架設(shè)方式下線(xiàn)路總長(zhǎng)度均為200 km，不同相序排列方式的電氣不平衡度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)于2條并行單回路，其他相序排列方式負(fù)序電壓不平衡度最小，其次為異相序排列方式，逆相序最差;對(duì)于同塔雙回路，異相序排列方式負(fù)序電壓不平衡度最小，其次為逆相序排列方式，同相序最差。

表1 2條并行單回和同塔雙回線(xiàn)路相序排列方式Tab.1Phase sequence arrangement of two parallel single-circuit and double-circuit on the same tower

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，同塔雙回路異相序1與2的結(jié)果一樣，因此可以?xún)H計(jì)算P3/異相序 1;而對(duì)其他相序1、2以及1回停運(yùn)懸空或接地，則分別計(jì)算P6/其他相序2及1回停運(yùn)懸空。

表21 000 kV線(xiàn)路不同相序排列方式的電氣不平衡度Tab.2Electric unbalance degree of 1 000 kV line with different phase sequence arrangement

3.2 混合線(xiàn)路單雙回路分布對(duì)不平衡度的影響

線(xiàn)路總長(zhǎng)取200 km，其中單回100 km、同塔雙回100 km，劃分的6種線(xiàn)路長(zhǎng)度分布方式如表3所示。在并行單回路按P1排列，同塔雙回路按P2排列不變的前提下分別計(jì)算單雙回混合線(xiàn)路的電氣不平衡度。

表3 單雙回混合線(xiàn)路的電氣不平衡度Tab.3Electric unbalance degree of single-circuit and double-circuit mixed-lines

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)單雙回線(xiàn)路的排列方式一定時(shí)，混合線(xiàn)路的單雙回分布對(duì)不平衡度幾乎沒(méi)有影響，可以忽略。

3.3 錫盟—北京東不換位線(xiàn)路不平衡度的計(jì)算與分析

錫盟—北京東線(xiàn)路長(zhǎng)度為355.8 km，依次為2× 249.4 km單回、106.4 km雙回，單回路部分占70%。按照實(shí)際長(zhǎng)度、單回和雙回分布、運(yùn)行電壓為1 000 kV、輸送功率為6 000 MW，計(jì)算得出不同相序排列方式、運(yùn)行方式下的不平衡度見(jiàn)表4、5。

由表4可以看出，雙回路段導(dǎo)線(xiàn)排列方式對(duì)線(xiàn)路不平衡度的影響較大。同相序排列方式的不平衡度最大，逆相序排列方式次之，異相序排列方式最好。錫盟—北京東段線(xiàn)路采用逆相序、同相序和異相序等排列方式在不換位情況下的負(fù)序電壓不平衡度均大于2%的限值要求，因此需要考慮對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行合理?yè)Q位。

由表5可知，不論是同相序還是逆相序，混合線(xiàn)路的負(fù)序不平衡度小于其雙回和單回線(xiàn)路單獨(dú)作用時(shí)引起的不平衡度之和。這是因?yàn)椴黄胶舛仁芟嚅g互阻抗和互容抗的影響，而互阻抗和互容抗直接由相間距離決定，對(duì)雙回路上相和下相距離而言，單回路的相間距離有所減少，使互阻抗差異趨于變小，即在混合段中單回路起抵消作用，使全線(xiàn)的不平衡度有所降低。

4 換位后不平衡度的計(jì)算與分析

根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果可知，單回路單獨(dú)引起的不平衡度已經(jīng)超過(guò)限值，因此必須換位。

由于錫盟—北京東線(xiàn)路大部分為2個(gè)單回，可以考慮只在單回進(jìn)行1個(gè)全換位，換位點(diǎn)位于線(xiàn)路全長(zhǎng)的1/3和2/3處，或者在單回部分和雙回部分進(jìn)行1次全換位，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，單回路進(jìn)行1次整循環(huán)換位后，雙回路段逆向序排列換位和不換位時(shí)，都滿(mǎn)足限值要求，并且1回停運(yùn)、單回運(yùn)行、輸送功率為12 000 MW時(shí)，負(fù)序電壓不平衡度的值為2.18%，小于4%的限值要求。

表6 錫盟—北京東線(xiàn)路單回長(zhǎng)1/3處換位后電氣不平衡度Tab.6Electric unbalance degree in Ximeng-Beijing East line after the transposition at 1/3 length of single-circuit

根據(jù)表6的計(jì)算結(jié)果，如果同塔雙回路段也經(jīng)過(guò)1個(gè)整循環(huán)換位，則線(xiàn)路的不平衡度指標(biāo)更優(yōu)，考慮到在單回路段做1次整循環(huán)換位已能使不平衡度降低到限值以?xún)?nèi)，因此推薦錫盟—北京東線(xiàn)路只在單回路段進(jìn)行1次整循環(huán)換位。

以往的換位研究大多針對(duì)全線(xiàn)都是單回或者雙回的線(xiàn)路，但是對(duì)于單雙回路混合的線(xiàn)路，最佳換位點(diǎn)將不在線(xiàn)路全長(zhǎng)的1/3和2/3處。

由于本段線(xiàn)路單雙回分布不均勻，從電氣不平衡度計(jì)算結(jié)果來(lái)看，最佳換位點(diǎn)不在單回線(xiàn)路長(zhǎng)的1/3處，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 錫盟—北京東線(xiàn)路移動(dòng)換位點(diǎn)后的電氣不平衡度Tab.7Electric unbalance degree in Ximeng-Beijing East line after movement transposition point

由表7計(jì)算結(jié)果可知，最優(yōu)值不是單回路1/3處，而是在63.14 km處，此時(shí)負(fù)序電流不平衡度和環(huán)流不平衡度都較小。

錫盟—北京東線(xiàn)路只在單回路段進(jìn)行1次整循環(huán)換位，換位后電壓、電流不平衡度顯著降低，同時(shí)2條回路間的環(huán)流也明顯減小。建議錫盟—北京東段在單回路段進(jìn)行1次全換位(雙回段逆向序排列不換位)，2基換位塔分別位于63.14、103.13 km處。

錫盟—北京東線(xiàn)路換位如圖3所示。

圖3 錫盟—北京東線(xiàn)路推薦換位方式相序布置Fig.3Phase sequence diagram in Ximeng-Beijing East section with recommended transposition way

5 結(jié)論

(1)對(duì)于2條并行單回路，其他相序排列方式負(fù)序電壓不平衡度最小，其次為異相序排列方式，逆相序最差;對(duì)于同塔雙回路，異相序排列方式負(fù)序電壓不平衡度最小，其次為逆相序排列方式，同相序最差。

(2)當(dāng)單雙回線(xiàn)路的排列方式一定時(shí)，混合線(xiàn)路的單雙回分布對(duì)不平衡度幾乎沒(méi)有影響，可以忽略。同時(shí)對(duì)單雙回混合線(xiàn)路的負(fù)序電壓不平衡度小于其雙回和單回單獨(dú)作用引起的不平衡度之和，即混合線(xiàn)路的不平衡度有所降低。

(3)錫盟—北京東線(xiàn)路在單回路部分進(jìn)行1次整循環(huán)換位后，在雙回段逆相序不換位與換位時(shí)負(fù)序電壓不平衡度分別為0.44%、0.24%，均小于2%的限值，為了運(yùn)行安全和減少換位點(diǎn)，推薦采用在單回路段進(jìn)行1次整循環(huán)換位、雙回路段不換位方式。

(4)對(duì)于單雙回路混合的線(xiàn)路，最佳換位點(diǎn)不在線(xiàn)路全長(zhǎng)的1/3和2/3處，錫盟—北京東線(xiàn)路在雙回路段不換位時(shí)單回路最佳換位點(diǎn)在63.14、103.13、83.13 km處，此時(shí)負(fù)序電壓不平衡度為0.18%。建議錫盟—北京東線(xiàn)路在單回路段進(jìn)行1次全換位(雙回段逆向序排列不換位)，2基換位塔分別位于63.14、103.13 km處。

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(編輯:張磊)