單雙回混合輸電線路電氣不平衡度影響因素分析

沈力，田開慶，曹陶爽，楊洪磊

(中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，昆明 650051)

0 前言

我國現(xiàn)已基本建成連接各大區(qū)域電網(wǎng)、大煤電基地、大水電基地和主要負(fù)荷中心的超/特高壓大電網(wǎng)［1］，為實(shí)現(xiàn)全國電網(wǎng)互聯(lián)，提升電網(wǎng)優(yōu)化配置，仍需大力推進(jìn)特/高壓電網(wǎng)、不斷新建超/特高壓輸電工程。但是，隨著土地資源的日益緊缺，輸電線路走廊也日益緊張。同塔雙回輸電線路因其具有輸送能力強(qiáng)、工程造價(jià)低、所需出線走廊窄、占地面積少、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用［2］。但在以能源輸出為主的西南地區(qū)，大多同塔雙回輸電線路并非全線都是同塔架設(shè)的，在重冰區(qū)或者是輸電走廊開闊區(qū)域，為保證輸電線路供電可靠性，兩回輸電線路多采用單回路平行架設(shè)方式。

現(xiàn)已有的關(guān)于輸電線路電氣不平衡度的研究大多是針對全線同塔雙回架設(shè)線路或全線單回路架設(shè)情況［2－4］，鮮有文章針對同塔雙回路與兩條平行單回路混合架設(shè)的輸電線路進(jìn)行深入分析。本文推導(dǎo)、分析并仿真驗(yàn)證了單雙回混合架設(shè)輸電線路電氣不平衡度產(chǎn)生的原因。采用PSCAD/EMTDC 建立了單雙回混合輸電線路模型，仿真分析了混合輸電線路電氣不平衡度的變化規(guī)律，給出了超/特高壓單雙回輸電線路混合架設(shè)的相關(guān)建議，為今后混合輸電線路的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考。

1 線路不平衡度分析

1.1 單回線路不平衡度理論分析

輸電線路主要有電阻、電抗、電導(dǎo)、電納四個(gè)參數(shù)，其中，造成輸電線路電氣不平衡的主要參數(shù)是電抗和電納。單回輸電線路模型如圖1所示。

圖1 單回路三相輸電線路模型

假設(shè)在線路阻抗上施加對稱電壓源，根據(jù)電路理論相模變換基本知識，當(dāng)輸電線路對稱排列，即輸電線路采用正三角排列時(shí)，zAA=zBB=zCC=zs，zAB=zBC=zCA=zm，序阻抗矩陣Zsc為一對角線矩陣，如式(1)所示。

因?yàn)槭┘釉谌嘧杩股系碾妷簩ΨQ，所以:

當(dāng)三相輸電線路不對稱排列時(shí)，以水平排列為例說明，序電流的表達(dá)式為

由式(3)可以推導(dǎo)出單回路負(fù)序電感不平衡度的近似表達(dá)式為［5］

從上式中可看出，若不考慮系統(tǒng)阻抗，負(fù)序電感不平衡度隨線路長度的變化基本不變，但在考慮系統(tǒng)阻抗的情況下，負(fù)序電感不平衡度均隨線路長度的增加而增大。

同理，單回路負(fù)序電容不平衡度的近似表達(dá)式為［5］

從上式中可看出，負(fù)序電容不平衡度不隨線路長度的變化而變化。

1.2 同塔雙回線路不平衡度

與單回路分析方法相同，同塔雙回路負(fù)序電感不平衡度的近似表達(dá)式為［5］

由式(6)可以看出，同塔雙回輸電線路與單回路有相同的結(jié)論，在考慮系統(tǒng)阻抗的情況下，電氣不平衡度隨線路長度的增加而增大。但是，同塔雙回輸電線路電氣不平衡度的分析更加復(fù)雜，這是因?yàn)橥p回輸電線路不僅存在相間耦合，還存在線間耦合。

1.3 輸電線路換位原則的現(xiàn)狀

根據(jù)《110～750 kV 架空送電線路設(shè)計(jì)規(guī)程》(GB 50545－2010)規(guī)定:在中性點(diǎn)直接接地的電力網(wǎng)中，長度超過100 km 的線路均應(yīng)換位，換位循環(huán)長度不宜大于200 km。規(guī)程僅是針對單回路做出了規(guī)定，對于同單雙回混合線路是否適用，有待進(jìn)一步研究。本文將針對這一問題進(jìn)行仿真分析計(jì)算。

2 單雙回混合線路不平衡度

2.1 不平衡度仿真模型

本文搭建單雙回混合輸電線路模型如圖2 所示，設(shè)首端運(yùn)行電壓為525 kV，末端運(yùn)行電壓為500 kV，兩端電源正序阻抗和負(fù)序阻抗相等，為Zm1=Zm2=Zn1=Zm2=j49.45Ω，送端和受端零序阻抗Zm0=Zn0=j46.53Ω。單雙回混合線路全長100 km，導(dǎo)線采用4×JL/G1A－400/50 鋼芯鋁絞線，分裂導(dǎo)線間距為400 mm，兩根地線采用JLB20AC－120 鋁包鋼絞線，土壤電阻率取300 Ω·m，線路采用貝杰龍模型。

圖2 單雙回混合輸電線路模型

2.2 單雙回混合線路不平衡度影響因素分析

2.2.1 不同相序排列下的不平衡度計(jì)算

同塔雙回輸電線路共有6 種排序方式，如表1 所示。

表1 同塔雙回輸電線路相序排列

同理，定義兩個(gè)單回同走廊輸電線路的排序方式，如表2 所示。

表2 兩個(gè)單回同走廊輸電線路的排序方式

如圖2 所示的單雙回混合輸電線路的排序方式共有216 種，這里雙回路部分采用同一種排序方式，且四種異相序排列中僅以異相序3 為例說明，保持系統(tǒng)參數(shù)和塔頭尺寸不變，單、雙回路部分分別為25 km 和75 km，不同排序方式下首端的電氣不平衡度計(jì)算結(jié)果，綜合考慮電壓不平衡度和電流不平衡度，對于單雙回混合輸電線路，本文優(yōu)先推薦采用同－逆排列方式、其次推薦逆－逆排列方式。

2.2.2 線路分布對不平衡度影響

如圖2 所示的仿真模型，假設(shè)輸電線路總長度為100 km，其中，兩個(gè)單回路并行架設(shè)長度為25 km，同塔雙回路部分長度為75 km。單回路部分采用同相序排列，同塔雙回路部分采用逆相序排列，單、雙回線路不同分布情況下的電氣不平衡度計(jì)算結(jié)果可以看出，在相序排列方式且單、雙回路線路長度一定的情況下，混合線路的單雙回分布對電氣不平衡度基本沒有影響。

同樣，假設(shè)線路總長度為100 km，單回路部分采用同相序排列，同塔雙回路部分采用逆相序排列，單回路部分由0 km 增加至90 km 的電氣不平衡度可以看出，對于單、雙回混合線路，負(fù)序電壓不平衡度和負(fù)序電流不平衡度隨著單回路長度增加先減小后增大;零序電壓不平衡度和零序電流不平衡度隨著單回路長度增加而減小，如圖3 所示。

圖3 單回線路不同長度下的電氣不平衡度

綜合上述分析可以看出，對于本線路而言，單回路占30%～40%為宜。這里需要注意的是，對于其他混合線路，該結(jié)論會(huì)因塔頭尺寸、線路參數(shù)等的不同而略有不同。

2.2.3 線路長度對不平衡度影響

單回路部分采用同相序排列，同塔雙回路部分采用逆相序排列，單、雙回路線路長度各占總長度的一半，不同總長度下的電氣不平衡度數(shù)據(jù)可以看出，負(fù)序電壓不平衡度、負(fù)序電流不平衡度、零序電壓不平衡度和零序電流不平衡度都隨線路長度的增加而增大。

2.2.4 傳輸功率對不平衡度影響

對于單雙回混合線路，線路之間存在相間耦合和線間耦合，因此當(dāng)線路輸送功率變化時(shí)，耦合強(qiáng)弱也不同，導(dǎo)致電氣不平衡度不同。假設(shè)線路總長度為100 km，其中兩個(gè)單回路并行架設(shè)25 km，同塔雙回路部分75 km。單回路部分采用同相序排列，同塔雙回路部分采用逆相序排列，不同傳輸功率下的電氣不平衡度同樣，單回路部分采用同相序排列，同塔雙回路部分采用同相序排列，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，無論是在同－逆排列方式下，還是在同－同方列方式下，電壓不平衡度隨輸送功率的增大而增大;電流不平衡度雖然隨功率的增大而有所增大，但是增量不明顯。這是因?yàn)殡妷翰粚ΨQ是線路互感造成的，而電流不對稱是線路分布電容造成的，輸送功率的增大會(huì)加強(qiáng)線路間的磁耦合，而對靜電感應(yīng)大小影響不大。

3 結(jié)束語

本文利用PSCAD/EMTP 軟件建立了單雙回混合輸電線路模型，對影響電氣不平衡度的主要因素:相序排列方式、單雙回線路分布、線路長度和傳輸功率等進(jìn)行建模仿真，并利用Matlab 軟件進(jìn)行計(jì)算分析，得出結(jié)論如下:

1)對于單雙回混合線路，采用同－同相序排列方式，電壓不平衡度最大，采用異－異相序排列方式，電壓不平衡度最小，但在同－異、異－異、逆－異相序排列方式下，電流不平衡度較大。綜合考慮電壓與電流不平衡度，在實(shí)際單雙回混合線路中，優(yōu)先考慮同－逆排列方式或逆－逆排列方式。

2)單、雙回路線路長度一定的情況下，混合線路的單雙回分布對電氣不平衡度基本沒有影響。在總長度一定的情況下，負(fù)序電壓不平衡度和負(fù)序電流不平衡度隨著單回路長度增加先減小后增大;零序電壓不平衡度和零序電流不平衡度隨著單回路長度增加而減小，因此，對于實(shí)際混合線路，通過仿真分析可以找到一個(gè)合適的單雙回比例，使得電氣不平衡度最小。

3)負(fù)序電壓不平衡度、負(fù)序電流不平衡度、零序電壓不平衡度和零序電流不平衡度都隨線路長度的增加而增大。

4)無論是在同－逆排列方式下，還是在同－同方列方式下，電壓不平衡度隨輸送功率的增大而增大;電流不平衡度雖然隨功率的增大而有所增大，但是增量不明顯。

［1］劉振亞.特高壓交流輸電技術(shù)研究成果專輯(2008 年)［M］.北京:中國電力出版社.2009:1－13，159－165.

［2］林軍，曾煥巖.同桿雙回線換位方式的比較［J］.高電壓技術(shù)，2004，30 (8):11－16.

［3］胡丹暉，蔡漢生，涂彩琪，等.500 kV 同桿并架雙回線路電氣特性研究［J］.高電壓技術(shù)，2005，31 (4):21－23.

［4］鄒林，林福昌，龍兆芝，等.輸電線路不平衡度影響因素分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32 (增刊2):283－286.

［5］常文華，特高壓長距離輸電線路換位問題的研究:［碩士學(xué)位論文］，沈陽，天津大學(xué)，2009

［6］朱慶鋼，劉向前，同塔雙回不換位線路電壓不平衡度研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014.42 (7):73－79

［7］王曄，1000kV 特高壓輸電線路不平衡度分析及換位方式的研究［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.37 (5):38－42

［8］朱軍，吳廣寧，非全線并行架設(shè)的共用走廊高壓輸電線路電氣不平衡度及其影響因素分析［J］.高電壓技術(shù)，2014.40 (12):3939－3951