750 kV同塔雙回不換位線路電流不平衡度研究

劉前進，朱慶鋼，羅龍波

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引言

為了解決輸電走廊緊張問題，同塔雙回、多回高壓輸電線路應(yīng)運而生。高壓輸電線路原則上應(yīng)采用換位措施，以減小電力系統(tǒng)正常運行時電流與電壓的不對稱性。但設(shè)計和運行經(jīng)驗表明，高壓線路完全換位會減弱線路的電氣和機械強度，增加建造和運行維護的費用[1]。并且在某些線路走廊特別緊張的地區(qū)，部分線路可能沒有條件采用完全換位的架設(shè)方式。

由于線路不換位導(dǎo)致電氣三相參數(shù)不對稱所引起三相電壓、電流不對稱，會增大電網(wǎng)輸電元件的損耗，并且在線路負荷較輕的情況下及系統(tǒng)黑啟動的初始階段，過大的負序電流可能導(dǎo)致發(fā)電機負序保護動作，從而引發(fā)發(fā)電機跳閘或阻止發(fā)電機并網(wǎng)運行，甚至?xí)斐纱竺娣e停電[2-5]。目前，對高壓輸電線路的電氣參數(shù)不平衡問題研究比較常見。文獻[6-8]通過參數(shù)解耦、分相建模等方法對多回線路不平衡度的計算進行了理論研究，但不能針對各種塔形情況進行分析且計算精度較低。文獻[9-10]對單回不換位線路的不平衡度的影響因素進行了分析，指出線路不換位長度、相序變換等是影響其不平衡度的主要因素，但未涉及雙回或多回線路。文獻[11-12]分析了換位方式對同塔雙回線路不平衡度的影響，結(jié)果表明逆相序反向換位方式的線路不平衡度較小。而對同塔雙回不換位線路，特別是對750 kV不同塔型、不同相序排列情況下的同塔雙回不換位線路研究比較少見。

本文對同塔雙回不換位線路的線路不平衡度計算進行了理論推導(dǎo)，并以某地區(qū)一條750 kV同塔雙回線路為例，應(yīng)用 EMTDC/PSCAD電磁暫態(tài)仿真程序，采用目前較為常見的750 kV同塔雙回常規(guī)型與同塔同窗緊湊型兩種典型桿塔類型[13-14]，對主要影響同塔雙回線路電流不平衡度的相序排列方式、回間距離以及線路長度等因素進行仿真分析。結(jié)合實際情況對桿塔的選型、導(dǎo)線的相序排列提出了相應(yīng)的建議。

1 同塔雙回不換位線路的不平衡度計算

同塔雙回線路為強電磁耦合，回路之間的距離可以和回路內(nèi)的相間距離相比較，并且從一回的任一相到另一回三相間的距離都不相等。設(shè)為各相的感應(yīng)電壓為各相的注入電流，AAZ 、BBZ 、表示各相的自阻抗，abZ 、acZ、表示本回路的相間互阻抗，CaZ、AbZ、BbZ、CbZ、AcZ、BcZ、CcZ表示兩回路之間的互阻抗。則同塔雙回線路自感、互感示意圖如圖1所示。

圖1 雙回線路自感、互感示意圖Fig. 1 Self-inductance and mutual inductance schematic diagram of double-circuit transmission line

根據(jù)圖1可以寫出系統(tǒng)的電壓方程為

定義雙回線路各回的零序、負序電流不平衡度為

由上述公式可以看出，同塔雙回不換位線路I、II回的零序、負序電流不平衡度不相等且與線路的自阻抗、相間的互阻抗、雙回線路之間的互阻抗密切相關(guān)。而同塔雙回不換位線路，由于沒有進行換位，空間上并不對稱，線路阻抗矩陣中的各對角線元素和非對角元素都不相等。因此影響同塔雙回線路參數(shù)不平衡度的因素主要有：導(dǎo)線的自身屬性、桿塔類型、回間距離、相序排列等。

2 EMTDC仿真建模

2.1 系統(tǒng)模型

圖2 雙回線路仿真計算簡化模型接線圖Fig. 2 Simplified connection diagram for simulative calculation of double circuit transmission system

2.2 線路模型

取典型線路參數(shù)如下：線路全長50 km且不換位。線路導(dǎo)線型號為6*LGJ-400/35，分裂間距為400 mm，導(dǎo)線弧垂取 10 m，兩根地線全線采用JLB40-120型號，大地電阻率取300 mW×。輸電線路采用貝瑞隆模型（the Bergeron model），桿塔參數(shù)及布置如圖3所示。

圖3 雙回輸電線路塔型布置圖Fig. 3 Block diagram of the tower for the double circuit transmission line

由于雙回路導(dǎo)線相序排列方式組合形式多變，使得不換位線路電氣參數(shù)不對稱性更加明顯。如果以I回線路為參考，雙回線路相序排列方式可以分為六種，如表1所示。

表1 雙回線路相序排列方式Table 1 Phase sequences of double circuit transmission line

工程經(jīng)驗表明，同塔雙回不換位線路，由于導(dǎo)線之間存在著復(fù)雜的電磁、靜電耦合分量關(guān)系，在不同相序排列情況下線路不平衡度相差較大。

3 仿真結(jié)果及其分析

3.1 相序排列對同塔雙回線路電流不平衡度的影響

采用不同的相序排列方式，以同塔雙回常規(guī)型塔和同塔同窗雙回緊湊型塔兩種塔形（以下簡稱常規(guī)型塔、緊湊型塔），對750 kV雙回不換位線路進行仿真，其電流不平衡度如表2所示。

表2 不同相序排列下的電流不平衡度Table 2 Current imbalance of different phase sequence arrangement

考慮I、II回的零序、負序電流不平衡度最嚴重的情況，常規(guī)型塔與緊湊型塔在不同相序排列情況下的電流不平衡度如圖4所示。

由表2和圖4可以看出：

1）線路首端與末端電流不平衡度不同但相差不大，而I、II兩回線路電流不平衡度在不同的相序排列方式下相差較大。其中同相序排列時，I、II兩回電流不平衡度相等，而在其他排列方式下I、II兩回電流不平衡度相差較大，在常規(guī)型逆相序排列時，II回線末端負序不平衡度為8.6%，I回線路末端負序不平衡度為2.3%，兩回線路相差最大，約為6.3%。

圖4 不同相序排列下的電流不平衡度Fig. 4 Current imbalance of different phase sequence arrangement

2）不同相序排列情況下，常規(guī)型塔的零序與負序的電流不平衡度相差很大。其中零序電流不平衡度由小到大排序為：同相序＜異相序 2＜異相序3=異相序 4＜逆相序＜異相序 1；負序電流不平衡度由小到大排序為：同相序＜逆相序＜異相序 3=異相序4＜異相序1≈異相序2。綜合考慮零序與負序不平衡度，常規(guī)型塔為同相序最優(yōu)，逆相序次之。3）不同相序排列情況下，緊湊型塔的零序電流不平衡度在不同相序排列的情況下相差不大；而負序電流不平衡度相差較大，其由小到大排序為：逆相序＜同相序＜異相序3≈異相序4＜異相序1≈異相序 2。綜合考慮零序與負序不平衡度，緊湊型塔為逆相序最優(yōu)，同相序次之。

3.2 回間距離對同塔雙回線路電流不平衡度的影響

采用同相序、逆相序，常規(guī)型塔和緊湊型塔回間距離分別由22~28 m、4~10 m間隔1 m均勻變化，考慮I、II回零序與負序電流不平衡度最嚴重的情況，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同回間距離下的電流不平衡度Fig. 5 Current imbalance of different loops distance

由圖5可知：

1）常規(guī)型塔回間距離由22 m變化至28 m時，同相序零序電流不平衡度基本不變，負序不平衡度減小約0.5%，變化幅度較小。逆相序零序和負序不平衡度均隨著回間距離的增大而增大，回間距離由22~28 m均勻變化時，零序不平衡度由8.13%增加至9.81%，負序不平衡度由8.03%增加至10.78%，變化幅度較大。

2）緊湊型塔回間距離由4 m變化至10 m時，同相序零序與負序不平衡度分別減小了0.14%、0.58%，變化幅度較小。在逆相序的排列情況下，回間距離由4~10 m均勻變化時，零序不平衡度由3.15%增加至 5.76%，而負序不平衡度由 8.5%降至1.4%，減小了7.1%。因此緊湊型塔在逆相序排列時，在保證零序電流不平衡度在允許范圍的情況下，適當(dāng)增大回間距離能有效減小負序電流不平衡度。

3.3 線路長度對同塔雙回線路電流不平衡度的影響

采用常規(guī)型塔和緊湊型塔，分別在同相序排列、逆相序排列的情況下，線路長度由20~100 km每隔10 km均勻變化，考慮I、II回零序與負序電流不平衡度最嚴重的情況，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同線路長度的電流不平衡度Fig. 6 Current imbalance of different line length

由圖6可以看出：

1）線路長度變化對零序電流不平衡度影響較小。其中逆相序排列方式下常規(guī)型與緊湊型的零序不平衡度基本不隨線路長度變化，而在同相序排列方式下，當(dāng)線路長度由20 km變化至100 km時，常規(guī)型與緊湊型零序電流不平衡度分別由2.6%、2.8%增加至4.4%、4.5%，增加幅度較小。

2）負序電流不平衡度隨著線路長度增長而迅速增大。線路長度較短時，緊湊型塔在逆相序排列的情況下負序電流不平衡度為1.9%，因此在線路走廊緊張的地區(qū)可以考慮不換位，如750 kV的金昌-酒泉段只有27.7 km的走廊擁擠地段，可以考慮采用同塔同窗緊湊型逆相序排列不換位線路并選擇合適的并補度限制潛供電流[14]。當(dāng)線路長度由 20~100 km均勻變化時，同相序常規(guī)型、同相序緊湊型、逆相序常規(guī)型、逆相序緊湊型的負序電流不平衡度分別由2.9%、3.8%、1.9%、6.9%增加至7.9%、10.3%、5.3%、11%，增幅分別為5%、6.5%、2.4%、3.9%。因此線路長度較長時，應(yīng)該考慮對線路進行換位以限制負序電流不平衡度在允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論與建議

本文建立了同塔雙回不換位輸電線電流不平衡度計算模型，在此基礎(chǔ)上以某地區(qū)750 kV同塔雙回線路為例，通過PSCAD/EMTDC軟件對桿塔類型、相序排列方式、回間距離、線路長度對電流不平衡度的影響進行仿真，得出結(jié)論如下：

1）綜合考慮電流的零序與負序不平衡度，常規(guī)塔型在同相序排列情況下最優(yōu)，逆相序次之；而緊湊型塔則為逆相序排列情況下最優(yōu)，同相序次之；在實際工程設(shè)計中，可優(yōu)先考慮同相序或逆相序排列方式。

2）同相序情況下，無論是常規(guī)型塔還是緊湊型塔，調(diào)節(jié)回間距離對線路的電流不平衡度影響不大。而在逆相序情況下，在一定合適范圍內(nèi)調(diào)節(jié)回間距離能有效地減小電流不平衡度，如同塔同窗緊湊型塔在逆相序排列的情況下，適當(dāng)增加回間距離可在保證零序電流在一定范圍的情況下，大幅度減小負序電流不平衡度。

3）線路長度對電流的零序不平衡度影響不大，而電流的負序不平衡度在線路較短時較小，但隨著線路長度的增大而迅速增大。因此，在輸送距離較短而輸電走廊特別擁擠的地段，可以考慮采用同塔同窗逆相序不換位線路以緩解線路走廊緊張問題。當(dāng)輸電線路較長時電流負序不平衡度較大，需對輸電線路進行換位，避免電流不平衡度對系統(tǒng)造成不良影響。

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