耦合因素對(duì)特高壓交流同塔雙回線路不平衡度的影響分析及相序優(yōu)化

張龍偉，吳廣寧，朱 軍，吳靜文，石超群，范建斌

（1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

為緩解長(zhǎng)期困擾我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的煤電運(yùn)緊張局勢(shì)，特高壓交流輸電已成為電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國首個(gè)特高壓交流同塔雙回輸電工程——皖電東送工程，已于2013年底投入運(yùn)行，此工程可充分發(fā)揮大容量、遠(yuǎn)距離、少占地等優(yōu)勢(shì)，示范效應(yīng)深遠(yuǎn)。特高壓同塔雙回輸電為社會(huì)帶來顯著效益，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些問題，例如：特高壓交流同塔雙回輸電線路走廊寬度較小，線路之間電磁耦合作用更加強(qiáng)烈，加劇了特高壓同塔雙回輸電線路的不平衡電流問題[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不平衡電流問題進(jìn)行了大量研究，提出了基于PSS/E外網(wǎng)多端口戴維南等值的不平衡度分析方法[3]，采用特征模量分解手段精確計(jì)算了環(huán)網(wǎng)中線路相電流分布[4]，分析了線路換位對(duì)不平衡電流的控制作用[5-7]，評(píng)估了線路相序排列、線路長(zhǎng)度、電壓等級(jí)、線路潮流對(duì)不平衡電流的影響[7-10]，闡述了環(huán)流不平衡度對(duì)繼電保護(hù)以及線路損耗的影響[11]，給出了改善不平衡電流的建議[12]。 但是就目前而言，針對(duì)特高壓同塔多回輸電線路不平衡電流以及架設(shè)耦合地線對(duì)不平衡電流的影響方面的研究非常少見。

基于以上分析，本文利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立了1000 kV特高壓交流同塔雙回輸電線路模型，分析了輸電線路之間的電磁耦合作用以及架設(shè)耦合地線對(duì)不平衡電流的影響，確定了線路導(dǎo)線的最優(yōu)排列方式，相關(guān)結(jié)論可為工程設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)范提供參考與指導(dǎo)。

1 同塔雙回輸電線路不平衡電流分析

同塔雙回輸電線路兩端電壓差與各相電流的關(guān)系為：

其中，Um1、Um2和 Im1、Im2（m=A，B，C）分別為各回線路兩端各相的電壓差和電流；Z為線路阻抗矩陣。

對(duì)式（1）進(jìn)行對(duì)稱分量變換得到電壓序分量和電流序分量之間的關(guān)系為：

其中，UPi、UNi、UZi（i=1，2）分別為第 i回線路電壓差的正序、負(fù)序、零序分量；IPi、INi、IZi（i=1，2）分別為第i回線路電流的正序、負(fù)序、零序分量；Zs為序阻抗矩陣。

對(duì)式（2）進(jìn)行求逆運(yùn)算得到：

其中，Ys=Zs-1。

則兩回輸電線路的不平衡電流如下：

其中，INi、IZi（i=1，2）分別為第 i回輸電線路的負(fù)序、零序電流；Ysk（k=2，3，5，6）為 Ys的第 k 行矩陣。

輸電線路電流不平衡度可分為穿越型和環(huán)流型2 類，其定義分別如式（6）、（7）所示。

其中，Mt2、Mt0分別為穿越負(fù)序不平衡度和零序不平衡度；Mc2、Mc0分別為環(huán)流負(fù)序不平衡度和零序不平衡度。

我國對(duì)超高壓以上等級(jí)的輸電線路的不平衡度未予以全面明確規(guī)定。GB/T15543—1995《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》中規(guī)定零序和負(fù)序電壓不平衡度小于2%，發(fā)電機(jī)相關(guān)規(guī)程GB755—2000《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》中規(guī)定負(fù)序電流不平衡度小于 8%[13-14]。

2 計(jì)算模型

以國內(nèi)某特高壓交流同塔雙回輸電線路為例，建立輸電線路模型，如圖1所示。圖中，Ur、Us分別為線路兩端電壓值。

圖1 同塔雙回輸電線路模型Fig.1 Model of dual transmission lines installed on same tower

線路采用傘形布置方式，線路運(yùn)行電壓1000kV，線路總長(zhǎng)164 km，全線不進(jìn)行換位，土壤電阻率為600 Ω·m。交流線路相線布置情況如圖2所示，導(dǎo)線和地線參數(shù)如表1所示。

圖2 交流線路布置Fig.2 Arrangement of AC transmission lines

表1 導(dǎo)線和地線參數(shù)Tab.1 Parameters of conductor and ground wire

3 輸電線路間電磁耦合作用對(duì)電流不平衡度的影響

特高壓同塔雙回輸電線路之間存在著強(qiáng)烈的電磁耦合作用，該作用使每相電流在固有電流的基礎(chǔ)上疊加了一部分耦合電流，加劇了相電流的不平衡度。為研究電磁耦合作用對(duì)電流不平衡度的影響，文中交流線路采用逆相序，第1回線路正常運(yùn)行電流為2 kA且處于重載運(yùn)行方式，分別計(jì)算了在不同電壓初相角δ2，即不同負(fù)載情況下，第2回線路的序電流和相電流，計(jì)算結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 第2回線路序電流Fig.3 Sequence currents of second line

圖4 第2回線路相電流Fig.4 Phase currents of second line

運(yùn)用式（6）、（7）計(jì)算了負(fù)序電流和零序電流的不平衡度，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 電流不平衡度Fig.5 Current imbalance

由圖3、4可以看出，第2回線路電壓初相角較小且處于輕載情況時(shí)，正序電流、負(fù)序電流和零序電流數(shù)值相差不大，相電流數(shù)值比較接近；第2回線路電壓初相角較大且處于重載情況時(shí)，負(fù)序電流、零序電流相對(duì)于正序電流較小，相電流數(shù)值差距增大。從圖5中可以看出，第2回線路電壓初相角較小且處于輕載情況時(shí)，電流不平衡度較大；第2回線路電壓初相角較大且處于重載情況時(shí)，電流不平衡度較小。其中，當(dāng)?shù)?回線路電壓初相角為5°時(shí)，穿越負(fù)序不平衡度為4.70%，環(huán)流負(fù)序不平衡度為3.93%，均滿足小于8%的要求。但當(dāng)?shù)?回線路潮流方向與第1回線路相反、電壓初相角較大且處于重載時(shí)，穿越負(fù)序不平衡度仍然處于較高水平。

當(dāng)?shù)?回線路處于輕載情況時(shí)，耦合電流占第2回線路電流比重較大；當(dāng)?shù)?回線路處于重載情況時(shí)，耦合電流占第2回線路電流比重較小。因此，針對(duì)特高壓同塔雙回輸電線路，當(dāng)一回線路處于重載而另一回線路處于輕載情況時(shí)，電磁耦合作用對(duì)線路電流不平衡度影響較大，電流不平衡度較大；當(dāng)雙回線路同時(shí)處于重載情況時(shí)，電磁耦合作用對(duì)線路電流不平衡度影響較小，電流不平衡度較小。建議實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)加大線路之間的距離，而運(yùn)行線路之間的潮流差異則不宜過大。

4 交流線路導(dǎo)線排列方式對(duì)電流不平衡度的影響

交流線路相序?qū)€路間耦合參數(shù)影響較大，從而影響線路電流不平衡度。文中選取了3種導(dǎo)線排列方式，即同相序、異相序、逆相序，如圖6所示。第1回線路運(yùn)行電流仍保持2 kA，在第2回線路電源初相角為5°時(shí)，分別計(jì)算了3種相序排列方式下的電流不平衡度，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖6 導(dǎo)線排列方式Fig.6 Arrangement of conductors

圖7 相序?qū)﹄娏鞑黄胶舛鹊挠绊慒ig.7 Influence of phase sequence on current imbalance

由圖7可以看出，雙回線路呈同相序、異相序、逆相序排列時(shí)，穿越負(fù)序不平衡度依次減小，而環(huán)流負(fù)序不平衡度依次增大；穿越零序不平衡度在交流線路呈逆相序方式排列時(shí)最大；環(huán)流零序不平衡度在交流線路呈異相序排列時(shí)最大。交流線路呈逆相序排列時(shí)，4種不平衡度表征參量雖然不都是最小的，但總體都處于較低的水平，因此筆者建議采用逆相序排列方式。

5 耦合地線對(duì)電流不平衡度的影響

5.1 架設(shè)耦合地線對(duì)電流不平衡度的影響

耦合地線在改善輸電線路電磁環(huán)境和電磁耦合方面具有重要作用[15-16]，但耦合地線的架設(shè)必然會(huì)影響線路之間的耦合參數(shù)，從而導(dǎo)致電流不平衡度的變化。文中交流線路采用逆相序，保持第1回線路運(yùn)行電流2 kA，在第2回線路電源初相角為5°時(shí)，分別計(jì)算了不架設(shè)耦合地線和架設(shè)1根耦合地線（見圖8）這2種情況下的電流不平衡度，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖8 耦合地線架設(shè)示意圖Fig.8 Schematic diagram of coupling ground wire installation

圖9 耦合地線對(duì)電流不平衡度的影響Fig.9 Influence of coupling ground wire on current imbalance

由圖9可以看出，相對(duì)不架設(shè)耦合地線情況，架設(shè)耦合地線時(shí)，穿越負(fù)序不平衡度和穿越零序不平衡度均有所增加，而環(huán)流負(fù)序不平衡度和環(huán)流零序不平衡度均有所減小。其中，穿越負(fù)序不平衡度增加了0.04%，穿越零序不平衡度增加了10.59%，環(huán)流負(fù)序不平衡度減小了6.62%，環(huán)流零序不平衡度減小了86.36%。上述結(jié)果表明，架設(shè)耦合地線對(duì)環(huán)流零序不平衡度影響很大，對(duì)其他3種不平衡度影響相對(duì)較小。零序電流對(duì)線路保護(hù)、通信等問題影響較為明顯，因此耦合地線對(duì)線路不平衡度的影響不容忽視。

5.2 耦合地線水平位置對(duì)電流不平衡度的影響

耦合地線空間位置的變化改變了線路間的耦合程度，導(dǎo)致了電流不平衡度相應(yīng)的改變。文中交流線路采用逆相序排列方式，保持耦合地線架設(shè)高度20.67 m，改變耦合地線的橫向位置，分別計(jì)算了耦合地線與桿塔中心距離d不同的情況下電流的不平衡度，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。圖10中，橫坐標(biāo)負(fù)數(shù)表示耦合地線在靠近3號(hào)導(dǎo)線側(cè)，正數(shù)表示耦合地線在靠近6號(hào)導(dǎo)線側(cè)。

圖10 耦合地線橫向位置對(duì)電流不平衡度的影響Fig.10 Influence of transverse position of coupling ground wire on current imbalance

由圖10可以看出，在耦合地線位置從靠近3號(hào)導(dǎo)線側(cè)變化到靠近6號(hào)導(dǎo)線側(cè)的過程中，穿越負(fù)序不平衡度、環(huán)流負(fù)序不平衡度總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；穿越零序不平衡度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，環(huán)流零序不平衡度在小范圍內(nèi)波動(dòng)，變化程度不是很明顯。上述結(jié)果表明，耦合地線與桿塔中心的距離對(duì)電流不平衡度影響比較明顯，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇耦合地線架設(shè)的橫向位置。為盡量降低電流不平衡度，筆者建議耦合地線與桿塔中心的距離保持在-10～-5 m范圍內(nèi)。

5.3 耦合地線架設(shè)高度對(duì)電流不平衡度的影響

交流線路采用逆相序排列方式，保持耦合地線水平位置在桿塔中心，改變耦合地線的架設(shè)高度h，分別計(jì)算了耦合地線不同架設(shè)高度情況下電流的不平衡度，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 耦合地線架設(shè)高度對(duì)電流不平衡度的影響Fig.11 Influence of coupling ground wire height on current imbalance

由圖11可以看出，隨著耦合地線架設(shè)高度的增大，4種電流不平衡度基本保持不變。上述結(jié)果表明，耦合地線架設(shè)高度對(duì)電流不平衡度影響較小。因此，工程設(shè)計(jì)時(shí)耦合地線架設(shè)高度應(yīng)從電磁場(chǎng)分布情況和線間絕緣狀況的角度進(jìn)行合理選擇。

6 結(jié)論

a.一回線路處于重載而另一回線路處于輕載時(shí)，電磁耦合作用對(duì)電流不平衡度影響較大，電流不平衡度較大；雙回線路均處于重載時(shí)，電磁耦合作用對(duì)電流不平衡度的影響較小，電流不平衡度較小。

b.交流線路相序?qū)﹄娏鞑黄胶舛扔绊戄^大，當(dāng)交流線路呈逆相序排列時(shí)，不平衡度處于較低水平，推薦采用逆相序排列方式。

c.架設(shè)耦合地線時(shí)，穿越負(fù)序不平衡度和穿越零序不平衡度增加，而環(huán)流負(fù)序不平衡度和環(huán)流零序不平衡度減小。耦合地線位置從線路走廊一側(cè)水平變化到另一側(cè)，穿越負(fù)序不平衡度、環(huán)流負(fù)序不平衡度總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；穿越零序不平衡度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，環(huán)流零序不平衡度變化程度不是很明顯。耦合地線架設(shè)高度對(duì)電流不平衡度影響較小。