區(qū)域220kV同塔雙回線路不對(duì)稱問(wèn)題的研究分析

李現(xiàn)寶　何信林

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區(qū)域220kV同塔雙回線路不對(duì)稱問(wèn)題的研究分析

李現(xiàn)寶1何信林2

（1. 山東魏橋鋁電有限公司，山東鄒平 256200； 2. 西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

同塔雙回輸電線路電氣參數(shù)不對(duì)稱會(huì)造成線路電流、電壓不平衡，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。本文首先分析了導(dǎo)致同塔雙回輸電線路不對(duì)稱的原因，提出了通過(guò)利用ATP-EMTP仿真軟件對(duì)山東省某區(qū)域220kV電網(wǎng)同塔雙回輸電線路在不同負(fù)荷下進(jìn)行建模及仿真計(jì)算，分析了其在同相序、逆相序、異相序、電容補(bǔ)償器等不同連接方式下的電網(wǎng)不平衡度，并提出了相應(yīng)的決策及建議。研究結(jié)果表明：長(zhǎng)距離同塔雙回輸電線路，同相序排列時(shí)不平衡度最大，逆相序次之，異相序時(shí)最?。浑娙萜餮a(bǔ)償可以顯著改善負(fù)序不平衡度，而且隨著線路長(zhǎng)度的增加，改善效果會(huì)更加明顯。

同塔雙回；不對(duì)稱；ATP-EMTP；逆相序；異相序

隨著我國(guó)電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)輸送容量也在大幅增加，為了減少輸電線路的占地面積以及降低單位容量線路造價(jià)，尋求新的輸電線路模式變得越來(lái)越重要。高壓同塔雙回線路可有效解決上述問(wèn)題，因此得到了大范圍的應(yīng)用[1-2]。

電力系統(tǒng)輸電回路中的同塔雙回輸電線路由于兩條線路各相之間物理布置方式的不同，也會(huì)產(chǎn)生一些潛在的安全問(wèn)題。如兩條線路之間以及各條線路相與相之間的電磁耦合會(huì)影響三相電壓和電流的不平衡，一方面會(huì)降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量指標(biāo)，另一方面還會(huì)增加輸電線路的損耗。同時(shí)，電網(wǎng)不平衡引起的負(fù)序電流分量在某種工況下甚至?xí)?dǎo)致相鄰發(fā)電廠機(jī)組的負(fù)序保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作，給電網(wǎng)增加不安全因素，嚴(yán)重的時(shí)候可能導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故[3-5]。

文獻(xiàn)[6-7]還提出了其他引起電力系統(tǒng)區(qū)域電網(wǎng)不平衡的因素，如三相負(fù)載不平衡分配、配電網(wǎng)中電壓互感器鐵心飽和導(dǎo)致的鐵磁諧振以及中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)系統(tǒng)中消弧線圈的引入，均會(huì)導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)的三相不平衡。因此，研究同塔雙回輸電線路的不平衡現(xiàn)象除了應(yīng)考慮同塔雙回輸電線路自身的影響，同時(shí)也要考慮負(fù)載側(cè)因素的影響。

電磁暫態(tài)程序（electro-magnetic transient program, EMTP）主要用于模擬計(jì)算電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過(guò)程，其利用通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試證實(shí)的各種元件模型，完成對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的建模并進(jìn)行諧波分析。（the alternative transient program-electro-magnetic transient program, ATP-EMPT）是EMTP使用最廣的一個(gè)版本，具有圖形化建模的功能，也是一款可以免費(fèi)使用的軟件，因此在我國(guó)各科研機(jī)構(gòu)、大專院校、制造廠等均有廣泛應(yīng)用。

本文通過(guò)利用ATP-EMTP仿真軟件對(duì)山東省某區(qū)域220kV電網(wǎng)同塔雙回輸電線路在不同負(fù)荷下進(jìn)行建模及仿真計(jì)算，分析了其在同相序、逆相序、異相序、電容補(bǔ)償器等不同連接方式下的電網(wǎng)不平衡度，揭示了同塔雙回輸電線路運(yùn)行參數(shù)對(duì)電網(wǎng)三相不平衡的影響機(jī)制及結(jié)果，并提出了決策及建議。

1 區(qū)域220kV電網(wǎng)簡(jiǎn)介

山東省某區(qū)域220kV電網(wǎng)示意圖如圖1所示，BZ-HM-WQ（BZ代表濱州、HM代表惠民、WQ代表魏橋）系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線均采用同塔雙線聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)三地單線環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，聯(lián)網(wǎng)線路長(zhǎng)度均小于100km。該區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)額定電壓220kV，最高運(yùn)行電壓252kV；按額定輸送容量單根導(dǎo)線外徑26.82mm、內(nèi)徑7.5mm，直阻單根0.07389W/km，分裂間距400mm，絕緣子串長(zhǎng)取3m，桿塔取呼高27m，土壤電阻率取60W·m，導(dǎo)、地線弧垂分別取8m、6m；一根OPGW-120避雷線，外徑1.45cm，內(nèi)徑0，直阻0.368W/km；另一根避雷線內(nèi)徑0，外1.6cm，直阻0.2992W/km。

2011年8月，某企業(yè)110kV電纜系統(tǒng)發(fā)生故障，此系統(tǒng)在線運(yùn)行12年。故障相電纜終端為瓷套電纜終端，其應(yīng)力錐已炸裂。內(nèi)部的填充絕緣油為硅油。圖1給出了事故現(xiàn)場(chǎng)的電纜狀況。從圖1中可以看到，故障電纜絕緣層外側(cè)在浸泡絕緣油情況下出現(xiàn)大量水樹，而在未浸泡絕緣油的情況下未出現(xiàn)水樹。

圖1 220kV區(qū)域電網(wǎng)示意圖

區(qū)域電網(wǎng)各區(qū)域發(fā)供電負(fù)荷不平衡造成同塔雙回線部分線路存在潮流方向不一致情況。自2013年6月后隨著各區(qū)域負(fù)荷不平衡程度加劇，電網(wǎng)BZ側(cè)、HM側(cè)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)短時(shí)電壓不平衡度超標(biāo)，發(fā)電機(jī)負(fù)序電流增大或操作變壓器中性點(diǎn)刀閘時(shí)電弧較大等問(wèn)題。

本文所選取的研究對(duì)象為山東某區(qū)域220kV電網(wǎng)中應(yīng)用最多的垂直排列雙回路直線塔。220kV輸電桿塔示意圖如圖2所示。

圖2 220kV輸電桿塔示意圖

2 EMTP建模

根據(jù)已有電網(wǎng)參數(shù)及電網(wǎng)運(yùn)行潮流，參照文獻(xiàn)[8]中的方法，利用ATP-EMTP軟件建立系統(tǒng)模型，ATP-EMTP計(jì)算模型示意圖如圖3所示。

圖3 ATP-EMTP計(jì)算模型示意圖

工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，雙回路導(dǎo)線相序排列方式和線路長(zhǎng)度是影響同塔雙回輸電線路電氣不平衡度的重要因素，因區(qū)域電網(wǎng)涉及到的電力系統(tǒng)線路均較短，達(dá)不到換位設(shè)計(jì)條件，本文主要研究線路換相前后電氣不平衡度與導(dǎo)線相序排列方式、線路長(zhǎng)度的關(guān)系[9-14]。

3 區(qū)域電網(wǎng)220kV的不平衡度

根據(jù)文獻(xiàn)[15]規(guī)定，電力系統(tǒng)中的三相不平衡度是用電壓或電流負(fù)序分量與正序分量均方根值的百分比表示。

本文針對(duì)220kV同塔雙回架空線路的不平衡度，其基本思路是假設(shè)線路末端功率已知、電源和負(fù)載端參數(shù)對(duì)稱，用多段p線路模型等值電路來(lái)模擬架空線路，負(fù)載阻抗可根據(jù)線路輸送功率和功率因數(shù)來(lái)計(jì)算。仿真計(jì)算在電磁暫態(tài)計(jì)算程序（ATP-EMTP）來(lái)完成，而數(shù)據(jù)處理、相序變換和不平衡度計(jì)算由Matlab軟件來(lái)操作。

零序（1）

正序（2）

負(fù)序（3）

而任意三相相量滿足式（4），即

（5）

（7）

4 算例分析

4.1 換相前電氣不平衡度的計(jì)算

換相前，利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)程序計(jì)算220kV同塔雙回架空線路同相序排列方式（ABC-ABC）下的電氣不平衡度，計(jì)算結(jié)果見表1，其中計(jì)算條件為線路處于額定輸送容量工況。

表1 同相序?qū)Ь€排列方式下的電氣不平衡度/%

4.2 逆相序和異相序后電氣不平衡度的計(jì)算

調(diào)整同塔雙回線路的相序后，利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)程序分別計(jì)算220kV同塔雙回架空線路逆相序（ABC-CBA）和異相序（ABC-BCA）導(dǎo)線排列方式下的電氣不平衡度，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 逆相序和異相序?qū)Ь€排列方式下的電氣不平衡度/%

對(duì)比表1、表2的計(jì)算結(jié)果，可以看出按目前系統(tǒng)接線方式及潮流計(jì)算：①采用逆相序和異相序接線方式均比同相序效果要好；②采用異相序接線方式比逆相序效果要好。綜上所述，異相序最好，逆相序次之，最后是同相序。

4.3 ATP-EMTP計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

為了驗(yàn)證ATP-EMTP電磁暫態(tài)程序計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，本文將仿真結(jié)果與2014年2月20日區(qū)域電網(wǎng)BZ側(cè)、HM側(cè)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行校核對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3，其中仿真計(jì)算時(shí)線路輸送功率選擇與當(dāng)日線路實(shí)際功率一致。

表3 計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果/%

根據(jù)表3所示數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致，最大誤差為-7.38%，符合要求。

4.4 電容補(bǔ)償器

在系統(tǒng)建模時(shí)，為了簡(jiǎn)化仿真分析過(guò)程，采取了分別對(duì)每回線路進(jìn)行串聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器集中補(bǔ)償?shù)姆抡嬗?jì)算方法，由于沒(méi)有考慮兩回同塔線路之間的相互電磁耦合，因此本方法雖然會(huì)使建模仿真過(guò)程簡(jiǎn)單易懂，但一定程度上會(huì)與實(shí)際情況有所偏差，其偏差率對(duì)于工程應(yīng)用而言可以接受。圖4所示為本文所采用補(bǔ)償方法的線路等效電路示意圖。量化后的三相線路等值電路如圖5所示。

圖4 電容器補(bǔ)償線路參數(shù)

圖5 三相輸電線路等值電路

在仿真分析時(shí)，為了能更突出地體現(xiàn)電容器補(bǔ)償對(duì)降低同塔雙回輸電線路不平衡度的作用，對(duì)雙回線路中每回線路的不平衡度進(jìn)行預(yù)置，使其相序一致，同時(shí)只對(duì)負(fù)序不平衡度進(jìn)行分析。仿真結(jié)果見表4。

表4 電容補(bǔ)償器前后的負(fù)序不平衡度

5 結(jié)論

1）山東某區(qū)域220kV電網(wǎng)同塔雙回BW線、BH線及HW線等重要系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線在額定電壓和額定輸電容量工況下運(yùn)行時(shí)，同塔雙回線路采用逆相序（ABC-CBA）敷設(shè)可明顯降低線路及電網(wǎng)各變電站節(jié)點(diǎn)電壓不平衡度。

2）本文的計(jì)算、仿真結(jié)果表明：220kV長(zhǎng)距離同塔雙回輸電線路，同相序排列時(shí)不平衡度最大，逆相序次之，異相序時(shí)最??；電容器補(bǔ)償方式對(duì)于較長(zhǎng)的線路可以有效改善由于線路參數(shù)不對(duì)稱引起的負(fù)序電流不平衡度。

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Research and Solution Making of the Asymmetry Problem of Double Circuit Lines on the Same Tower in the Regional 220kV Power Grid

Li Xianbao1He Xinlin2

(1. Shandong Weiqiao Aluminum-electricity Co., Ltd, Zouping, Shandong 256200; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710054)

Electrical parameters asymmetry of double circuit lines on the same tower will cause the line current and voltage unbalance, thereby affecting the operation of the system of economy and reliability. This paper analyzes the cause of the asymmetry problem of double circuit lines on the same tower, and put forward the modeling and simulation of the double circuit lines on the same tower in a regional 220kV power grid in Shandong province by using ATP-EMTP software. It analyzes the grid unbalance in the same phase sequence, reverse phase sequence, sequence of phase, capacitor compensation, etc. different connectors, and the corresponding decisions and recommendations. The results show that: the long-range tower double circuit transmission lines are arranged at the same phase sequence imbalance maximum, followed by reverse phase sequence, then the inverse phase sequence; compensation capacitor can significantly improve the negative sequence unbalance, and with the line length increase and improve the effect will be more obvious.

double circuit lines on the same tower; asymmetry; ATP-EMTP; reverse phase sequence; inverse phase sequence

李現(xiàn)寶（1978-），男，山東省鄒平市人，本科，繼電保護(hù)技師，主要從事電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定方向的研究工作。