特高壓同塔多回混壓輸電線路潛供電流的影響因素仿真分析

郭鵬飛，張 玲，唐榮年，牛任愷

（1.海南大學機電工程學院，?？?70228；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，北京 102488）

特高壓同塔多回混壓輸電線路潛供電流的影響因素仿真分析

郭鵬飛1，張 玲1，唐榮年1，牛任愷2

（1.海南大學機電工程學院，?？?70228；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，北京 102488）

同塔建設的多回架空輸電線路同塔建設與單回和雙回線路相比較，可以降低電力建設投資，起到減少環(huán)境影響的作用，并且可以在節(jié)約輸電走廊的同時增加單位面積的輸電容量。特高壓同塔混壓多回輸電線路引起的潛供電流變化及計算，涉及特高壓變電站內部分設備的選擇，是特高壓設計的重要計算，有必要進行深入研究。根據(jù)實際線路特點選取模型，運用PSCAD軟件對特高壓同塔多回混壓輸電線路的潛供電流進行仿真分析。研究相序和換位、桿塔塔型、線路長度、同塔段長度等的影響作用，研究表明塔型對潛供電流的影響較小，線路長度特別是故障線路長度對其影響嚴重，線路相序排列方式，能在一定程度上降低潛供電流三相間的差異。

特高壓；同塔多回混壓輸電線路；潛供電流

0 引言

我國地域廣闊，擁有極其豐富的可利用資源，但能源負荷與地理資源的重心并不一致，為滿足全國范圍內的電力資源優(yōu)化配置，將西部電力資源通過高壓輸電調送到東部負荷中心，實現(xiàn)大規(guī)模的西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)、建設堅強國家電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略，大容量、跨區(qū)域、遠距離、低損耗的特高壓輸電工程建設在未來的電網(wǎng)規(guī)劃中必將作為重中之重。

因為在特高壓等級的線路中，絕大部分故障都屬于單相接地故障，并且永久性故障的幾率又很小，所以在工程實際應用中，為了提高供電的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特高壓系統(tǒng)中一般使用單相自動重合閘來消除瞬時故障，潛供電流是在單相重合閘過程中一次電弧熄滅之后產(chǎn)生的一種暫態(tài)現(xiàn)象，并且潛供電流的大小也很大程度上限制了重合閘的時間，是影響單相重合閘成功率的一個非常重要的因素。對超高壓及以上等級的系統(tǒng)來說，其電壓高、輸送容量大、線路長度長，這些系統(tǒng)的因素會導致潛供電流較大，在系統(tǒng)進行單相重合閘時潛供電弧因為不能自熄會引起電弧持續(xù)燃燒，從而造成重合閘失敗，所以，為了自動重合閘成功率的提高，有必要對潛供電流采取限制措施。

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電力輸送走廊日益匱乏，在電網(wǎng)建設中涉及到的土地賠償和房屋拆遷等費用在總工程花費中所占比重越來越大，為了在有限的輸電走廊中輸送更多電能，達到節(jié)約走廊用地以及減少項目開支的目的，國內外都紛紛開始著手研究緊湊型輸電技術和同塔多回輸電技術。該技術不但可以提高單位面積輸電效率，并且可以節(jié)省線路走廊，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益[1-3]。在錫-上特高壓輸變電工程中輸電線路的建設中，國網(wǎng)考慮在輸電線路走廊緊張段架設1 000 kV/500 kV同塔混壓四回輸電線路。

由于特高壓同塔多回線路線間耦合加劇，其潛供電流的特點會不同于常規(guī)特高壓單回輸電線路[4]。因此，為了整定合適的保護設備參數(shù)和為重合閘時間提供技術依據(jù)，有必要對特高壓同塔多回輸電線路的潛供電流特性進行研究。

目前，國內外學者針對潛供電流的研究方法主要由以下三種：等值模擬試驗、現(xiàn)場模擬試驗和數(shù)字仿真。主要針對潛供電弧的產(chǎn)生機制、潛供電流的大小和影響因素及限制其大小的措施等進行研究[5-8]。

現(xiàn)在對于超高壓同塔單回，雙回輸電線路的潛供電流所做的研究已經(jīng)很多，特點也已經(jīng)明確，但是對于特高壓同塔多回混壓輸電線路的研究仍較少，相較于同塔單回和雙回線路，同塔四回線路在桿塔上的分布結構型式、導線采用的排列方式、各相相間距離、桿塔結構這些方面發(fā)生了較大變化，其潛供電流大小水平是決定線路單相重合閘成功與否的關鍵指標[9]。本文根據(jù)實際線路特點選取模型，運用PSCAD軟件對特高壓同塔多回混壓輸電線路的潛供電流進行仿真分析。研究相序和換位、桿塔塔型、線路長度、同塔段長度等的影響作用，找到不同影響因素下潛供電流大小的變化特點，為抑制措施研究提供依據(jù)。

1 輸電線路潛供電弧及特高壓同塔多回輸電線路的特點

1.1 潛供電弧的基本概念

構成潛供電弧的兩個主要因素是潛供電流和恢復電壓。潛供電流繼短路電流之后流過短路點，其值取決于線路參數(shù)、系統(tǒng)運行方式、線路傳輸容量、線路有無補償電抗器等。

潛供電流（Secondary Arc Current）是在單相接地故障發(fā)生后，故障相兩端斷路器跳開，由故障相與健全相以及可能的相鄰線路，通過靜電耦合和電磁耦合繼續(xù)向故障點提供的電流。由于潛供電流的存在，弧道上仍有個小能量的電弧繼續(xù)燃燒，即為二次電?。╯econdary arc），二次電弧即潛供電弧為故障點的對地電弧[10-11]。恢復電壓是在潛供電弧熄滅后瞬間出現(xiàn)在弧道上的電壓（Recovery Voltage）。

潛供電流由兩個部分構成，靜電感應分量和電磁感應分量，潛供電流的電磁感應分量由健全相通過相間的電感耦合形成[12]，健全相通過相間的電磁感應在故障相上產(chǎn)生一個感應電動勢，由于相與地之間存在著對地電容，此電動勢又經(jīng)由故障相的對地電容形成回路，形成潛供電流的縱分量，橫分量與故障點位置無關，但縱分量與故障點的位置有關，當線路中點發(fā)生故障時，電磁感應分量為零，越往兩邊電磁感應分量越大，當?shù)竭_線路端點時電磁感應分量達到極值；靜電感應分量是當發(fā)生短路接地之后故障相兩端斷路器斷開，同時短路故障處的電壓降低為零，健全相中的電壓通過相間電容在故障相上產(chǎn)生一個靜電耦合電流，靜電耦合電流的大小與故障點的位置無關，但與線路的結構，例如桿塔的結構，線路的長短，換位方式，相序排列等有關。但是在潛供電流的計算中電磁感應分量所占比重很小，靜電感應分量占大部分，因此在計算中通常可以忽略電磁感應分量，只計靜電感應分量。圖1是用于計算線路潛供電流的線路圖。

1.2 特高壓同塔多回輸電線路特性分析

文獻中建立了同塔多回輸電線路的分布參數(shù)耦合模型，得到了潛供電流強制分量的表達式[13]，對其演繹可以得到同塔四回輸電線路潛供電流 （強制分量）表達式：

圖1 計算潛供電流的三相等效電路Fig.1 Three phase equivalent circuit for calculating the secondary arc current

式中：Zc為波阻抗，γ為相位常數(shù)，α為健全相對故障相的總互感系數(shù)，M為健全線路對故障相的總互容系數(shù)。

從上述公式可以得出同塔多回輸電線路潛供電流特點：

潛供電流包含2個分量：其中第一部分與線路的補償方式有關，取決于邊界電壓和電流向量，第二部分至于故障點距離電源的位置有關。

當輸電線路回路越多，相位常數(shù)γc越大，波阻抗Zc越小。而互感系數(shù)α、互容系數(shù)M則與線路的相序排列和換位方式相關。

此外，與單回輸電線路線路相比較，同塔多回輸電線路具有以下特點：

1）同塔多回混壓輸電線路的相序排列方式，并聯(lián)電抗器的裝設形式，導線的換位方式更加復雜。

2）同塔多回混壓輸電線路靜電和電磁耦合作用均加強，這使得潛供電流和恢復電壓值均較大。由于是多回線路同塔架設，線路間的距離較近，除了本回線路三相間的耦合作用外，還存在線路兩兩間的耦合[14]。

3）故障方式增多。從理論上講，同塔多回輸電線路可能發(fā)生的故障包括了單相接地故障，雙回兩相同時接地（同名相或異名相）。兩相同時接地故障在實際中發(fā)生概率較小，本文就單相接地故障進行研究。

2 仿真模型的建立

文中將同塔四回交流線路作為研究對象，采用PSCAD/EMTDC對其進行仿真研究。

圖2是本文采用的1 000 kV/500 kV同塔混壓四回輸電線路的桿塔塔型導線布置示意圖。編號1～6為雙回500 kV線路，編號7～12為1 000 kV線路，編號13、14為地線。塔型1中，1-12均采用V串；塔型2中，1-6采用V串。

圖2 1 000 kV/500 kV同塔混壓四回輸電線路桿塔塔型導線布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of tower type conductor layout of 1 000 kV/500 kV four-circuit on the same tower mixed voltage transmission tower

本研究使用的系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 仿真模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation model

本研究采用雙端電源供電系統(tǒng)，m，S分別為1 000 kV和500 kV的電源輸送端，n和R分別為1 000 kV和500 kV的電源受端，在1 000 kV和500 kV電源的出線段都有一部分是采用雙回輸電，在線路中間段，即輸電走廊比較緊張的部分采用同塔四回輸電線路，當1 000 kV線路長度超過100 km時，應采用并聯(lián)高抗來補償對地電容，以抑制工頻電壓的升高，圖3中采用虛線標出的即是1 000 kV線路配置的高抗，高抗容量隨線路長度的變化而變化。

根據(jù)錫盟-上海段的特高壓同塔多回混壓輸電線路的桿塔模型、分布線路參數(shù)模型、線路接口模型、故障模型、斷路器模型搭建特高壓同塔四回混壓輸電線路模型。

仿真條件為：系統(tǒng)為雙端電源供電系統(tǒng)，線路共四回，其中兩回為1 000 kV，兩回為500 kV，同塔多回段位于四回線路的中段，1 000 kV雙回線路的輸送容量為12 000 MW，500 kV的輸送容量為3 700 MW，功率因數(shù)都為0.95，同塔上的四回線路都采用逆相序的排列方式[15]。

3 特高壓同塔多回混壓輸電線路潛供電流的影響因素仿真分析

3.1 塔型對潛供電流的影響

在本文對探究塔型對潛供電流的影響時，在配置了高抗時暫不考慮中性點加裝小電抗。

當1 000 kV線路長度為300 kM，500 kV線路長度為100 kM，每回1 000 kV線路配置600 Mvar的高抗。

分別仿真在不同形狀的桿塔結構下其潛供電流的大小。仿真得到的結果如下：

表1 不同塔型下，1 000 kV線路潛供電流大小Table 1 The secondary arc current of 1 000 kV line under different tower type

由表1中數(shù)據(jù)可知，1000kV線路長度為300km，塔型一和塔型二下的潛供電流值相差并不大，差值僅約為潛供電流值的3.3%，即5 A左右。

當1 000 k線路長度為200 kM，500 kV線路長度為100 kM，每回1 000 kV線路配置840 Mvar的高抗。

分別仿真在不同形狀的桿塔結構下其潛供電流的大小。仿真得到的結果如下：

表2 不同塔型下，500 kV線路潛供電流大小Table 2 The secondary arc current of 500 kV line under different tower type

由表2中數(shù)據(jù)可知，500 kV線路長度為1 00 km時，塔型一和塔型二下的潛供電流的差異仍然很小，僅3.5 A左右。

由表1和表2中數(shù)據(jù)可知，同塔多回輸電線路塔型對潛供電流的影響較小，在進行線路桿塔選擇時應重點考慮具體的工程實際情況。

3.2 線路長度對潛供電流的影響

潛供電流隨線路長度的變化如表3所示。

表3 中性點不加小電抗，1 000 kV線路潛供電流隨線路長度的變化Table 3 The neutral point does not add small reactance，1 000 kV line current with the changes in the length of the line

由表3中數(shù)據(jù)可以得知，在不加裝小電抗時，潛供電流隨線路長度變化明顯，當1 000 kV線路長度由60 kM變?yōu)?00 kM，500 kV線路長度由30 kM變?yōu)?00 kM，同塔四回段長度變?yōu)?0 kM時，潛供電流在各相首端的變化達到了A相129.9 A，B相101 A，C相116 A，但每相的首端中間段和末端潛供電流變化不大，最大差值不到2 A，由此可以得知，在線路長度一定時，潛供電流在線路上的大小基本不變。

在相同的條件下，當500 kV輸電線路發(fā)生單相接地故障時，潛供電流隨線路長度的變化情況見表4。

由表4中數(shù)據(jù)可以得到，在不加裝小電抗時，潛供電流隨線路長度變化明顯，當1 000 kV線路長度由60 kM變?yōu)?00 kM，500 kV線路長度由30 kM變?yōu)?00 kM，同塔四回段長度變?yōu)?0 kM時，潛供電流在500 kV各相首端的變化達到了A相24 A，B相26.3 A，C相36 A，但每相的首端中間段和末端潛供電流變化不大，最大差值不到2 A，由此可以得知，在線路長度一定時，潛供電流在線路上沿線分布的大小基本不變。

3.3 相序對潛供電流的影響

特高壓輸電線路在變電站的出線段一般采用雙回輸電線路，當遇到輸電走廊狹窄的地段才會使用同塔多回輸電，而在其他路段，每回線路或每兩回線路仍舊單獨占用一條輸電走廊。在線路的同塔多回段，導線的相序排列方式對線路的不平衡度影響巨大，因此，在針對特高壓同塔多回混壓輸電線路的潛供電流研究時，研究相序排列方式對潛供電流的影響程度具有明顯的工程意義。

表4 中性點不加小電抗，500 kV線路潛供電流隨線路長度的變化Table 4 The neutral point does not add small reactance，500 kV line current with the changes in the length of the line

在前文建立的模型基礎上，針對其相序排列方式進行研究。導線的布置方式采用工程中常用的布置方式，1 000 kV線路位于上三層橫擔采用上中下垂直排列，500 kV線路采用三角形排列位于桿塔的下兩層橫擔。在此文中，主要是針對三種排列方式進行探究，即同相序，逆向序和異相序。對應的字母表達式為

1）交流線路同相序（ABC-ABC）

2）交流線路逆相序（ABC-CBA）

3）交流線路異相序（ABC-BCA）

各種導線排列方式的示意圖如圖4所示。

圖4 相序排列示意圖Fig.4 Phase sequence diagram

仿真得到不同相序排列方式下1 000 kV線路各相潛供電流大小，幅值如表5所示。

表5 同塔四回不同線路排列方式下1 000 kV線路潛供電流Table 5 1 000 kV line secondary arc current with the tower four-circuits in different arrangement

由表5中數(shù)據(jù)可以得出，當線路高抗中性點不裝設小電抗，不換位而只改變線路的相序排列時，在三種排列方式下的潛供電流值都較大，通過對數(shù)據(jù)的比對可以得知，在線路異相序排列時的潛供電流最大，當逆相序排列時潛供電流最小，逆向序和異相序最大差值為1 000 kV線路300 km，500 kV線路100 km，同塔四回段90 km時的A相潛供電流，差值為56.1 A，差值比為39.93%。

可以得知，潛供電流受線路的相序排列方式影響很大，在同相序，逆向序，異相序三中排列方式中逆相序的潛供電流最小，不平衡度最低，且線路同相序排列，隨著線路長度增加三相電流最大差異均在7.3%～8.0%之間；逆相序排列，三相電流差異在18%～19%之間；異相序排列，三相電流差異在45%～52%之間?？梢姡S線路長度增加，三相潛供電流幅值均增加，但三相電流差異變化較小。

3.4 換位對潛供電流的影響

根據(jù)之前對500 kV線路的研究可知，對線路進行換位可以減小線路的不平衡度，使得三相對地電容達到接近相等的水平，從而達到減小潛供電流的目的。在以往的研究中換位方式主要有三段式同向換位、反向換位，四段式同向換位、反向換位，五段式同向換位、反向換位，筆者針對三段式逆向序同向換位和反向換位進行仿真研究。圖5是逆向序同向換位和反向換位的示意圖。

同樣本文選取桿塔二作為研究對象，采用雙端電源供電系統(tǒng)，在線路中部采用同塔四回，其余部分的線路單獨占用一條輸電走廊。1 000 kV線路的輸送功率為12 000 MW，500 kV線路的輸送功率為3 700 MW，功率因數(shù)都為0.95，選取1 000 kV線路長度為100 km，500 kV線路長度為60 km，同塔段長度為30 km，不加裝小電抗時對線路進行一次全換位之后得到的各項故障潛供電流結果如表6所示。

圖5 逆相序換位方式示意圖Fig.5 Inverse phase sequence transposition diagram

表6 無相間補償，反向全換位前后潛供電流的大小Table 6 Without phase compensation，the magnitude of the secondary arc current of reverse full transposition

由表6中數(shù)據(jù)可以得知，在高抗中性點不加裝小電抗接地的情況下，線路進行一次反向全換位之后，潛供電流有適當?shù)臏p小，但是仍不能達到滅弧的要求。反向換位的潛供電流大小雖然不是最小，但是相比較來說其大小更加均勻，三相潛供電流值更加接近，最大差值為14%，而不換位情況下三相最大差值達到21%，這樣更加均勻的潛供電流有利于對設備參數(shù)進行整定。不同換位方式下，線路首端、中間和末端潛供電流差異較小，最大僅為0.4 A，此時潛供電流分布與故障點位置無關。

4 結論

筆者主要研究了塔型、線路長度、相序和換位對特高壓同塔多回混壓輸電線路潛供電流大小的影響，以期為抑制措施研究提供依據(jù)。研究結果表明：

1）特高壓同塔多回混壓輸電線路不同塔型對潛供電流的影響較小，在進行線路桿塔選擇時應重點考慮具體的工程實際情況。

2）特高壓同塔多回混壓輸電線路長度對潛供電流的影響明顯，這主要是影響力潛供電流的靜電感應分量。且故障線路長度對潛供電流影響明顯，非故障線路長度的影響作用較小。

3）改變特高壓同塔多回混壓線路相序排列方式，能在一定程度上降低潛供電流三相間的差異，且同相序排列時故障點潛供電流最小。

4）換位使得相間參數(shù)更加均勻，能減小三相潛供電流差異。但是無中性點小電抗補償相間電容，所以換位對降低潛供電流值的作用不明顯。逆向序反向換位方式下三相電流更加均勻，潛供電流最小。

[1]孫義豪.1 000 kV 500 kV同塔混壓四回輸電線路耐雷性能研究[D].重慶大學，2011.

[2]張思寒.同塔多回輸電線路雷擊同時跳閘特征研究[J].電瓷避雷器，2015，138（4）:65-69.ZHANG Sihan.Research on the simultaneous lightning tripping character of multi-circuit transmission line[J].2015，138（4）:65-69.

[3]顧悅，張園，李江濤，等.不同電壓等級同塔多回線雷電反擊性能研究[J].電瓷避雷器，2015，138（3）:138-143.GU Yue，ZHANG Yuan，LI Jiangtao，et al.Study on the lightning back flashover performance of multi-circuit transmission lines with different operating voltages[J].2015，138（3）:138-143.

[4]陳愷，林章歲.1 000 kV特高壓同塔雙回輸電線路潛供電流和恢復電壓研究[C]//福建省科協(xié)第十屆學術年會暨第八屆青年學術年會論文集，2010:194-197.

[5]林莘，何柏娜，徐建源.超高壓線路上潛供電弧熄滅特性的分析[J].高電壓技術 2006，32（3）：7-9.LIN Xin，HE Baina，XU Jianyuan.Analysis of secondary arc extinction characteristics on UHV line[J].High Voltage Engineering，2006，32（3）：7-9.

[6]MESHKATODDINI M R.A practical method for lifetime estimation of the used mineraloils[C].Graz（Australia），IEEE，2002：305-308.

[7]GEBIZLIOGLU O L，SENOGLU B，KANTAR Y M.Comparison of certain value.at-risk estimation methods for the，two—parameter weibull loss distribution[J].Journal of Computational and Applied Mathematics，2011，235（11）：3304-3314.

[8]EMSLEY A M，STEVENS G C.Review of chemical indicators of degradation of cellulosic electrical paper insulation in oil-filled transformers[J].IEE Proceedings of Sci-ence，Measurement and Technology，1994，141（5）:324-334.

[9]袁春峰，蔡鈞，錢光中.同塔多回輸電技術研究[J].上海電力，2009（2）：87-90.YUAN Chunfeng，CAI Jun，QIAN Guangzhong.Research on multi circuit transmission technology of the same tower[J].Shanghai Electric Power，2009（2）：87-90.

[10]俄羅斯，烏克蘭.超高壓輸變電技術考察報告仁[R].北京:中國電工技術學會，2001.

[11]特高壓輸電技術訪日考察報告[R].武漢:武漢高壓研究所，1997.

[12]何柏娜.800 kV GIS中采用快速接地開關抑制潛供電弧的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2006.

[13]孫秋芹，李慶民，呂鑫昌，等.同塔多回輸電線路并聯(lián)電抗器的參數(shù)優(yōu)化分析[J].中國電機工程學報，2011，31（25）：50-57.SUN Qiuqin，LI Qingmin，LV Xinchang，et al.Parameter optimization analysis of shunt reactors for multi-circuit transmission lines on the same tower[J].Proceedings of the CSEE，2011，31（25）:50-57.

[14]MONTANARI Gian Carlo.New thermal life model derived by the aging compensation effect[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation，1990，25（2）:309.

[15]高一弘.同塔雙回送電線路的最優(yōu)相序排列[J].海峽科學，2008（6）：38-39.GAO Yihong.The optimal phase sequence arrangement of double circuit lines on the same tower[J].Straits Science，2008（6）：38-39.

Simulation and Analysis of the Influence Factors on Secondary Arc Current of UHV Mixed Voltage Multi-Circuit Transmission Line

GUO Pengfei1，ZHANG Ling1，TANG Rongnian1，NIU Renkai2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hainan University，Haikou 570228，China；2.Chinese Hebei North Electric Co.，Ltd.，Maintenance Branch，Beijing 102488，China）

Comparing the multi-circuit overhead transmission line with single-circuit and doublecircuit on the same tower，shows that the former can reduce the electric power construction investment，and it have fewer adverse environmental impacts，moreover，it can save power transmission corridor and increase the transmission capacity of per unit area.The variation and calculation of potential supply current caused by multi-circuittransmission lines in UHV transmission line，which involves the selection of some equipment in UHV substation，is an important calculation of UHV design，it is necessary to conduct in-depth study.According to the actual line feature selection model，based on PSCAD software，the secondary arc current of UHV transmission line is simulated.The effects of sequence and transposition，tower type，line length，the same tower segment length are studied.Studies show that the impact of tower type on the secondary arc current is smaller，line length especially the length of the fault line serious effect on the secondary arc current，line phase sequence，in a certain extent reduce the potential for differences in three phases of current.

UHV；multi-circuit transmission line；secondary arc current

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.008

2016-07-13

郭鵬飛 （1990—），男，碩士，研究方向：熱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的檢測和控制，電力系統(tǒng)的接地保護。

海南省重點科技專項 （編號：ZDXM2014079）。