基于ATP-EMTP的1000 kV交流同塔雙回輸電線路線損分析

白劍鋒

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司技術(shù)技能培訓(xùn)中心(長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院)，湖南 長(zhǎng)沙 410131)

線損是電力系統(tǒng)中有功電能損耗的統(tǒng)稱，是衡量架空輸電線路運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。針對(duì)地區(qū)能源與負(fù)荷的分配不均衡，1000 kV特高壓輸電工程大大提升了我國(guó)電網(wǎng)的輸送能力，成為區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的重要紐帶，大量電能的遠(yuǎn)距離輸送，勢(shì)必產(chǎn)生損耗[1-4]。而1000 kV架空輸電線路地處環(huán)境復(fù)雜多變，線路電能損耗難以精確計(jì)量，因而掌握1000 kV架空輸電線路線損規(guī)律，對(duì)于跨省輸電線路線損計(jì)量，具有很強(qiáng)的理論和現(xiàn)實(shí)意義[5-7]。

目前對(duì)于輸電線路的線損研究主要從仿真計(jì)算和數(shù)據(jù)分析兩方面開(kāi)展[8-9]。文獻(xiàn)[10]針對(duì)500 kV緊湊型同塔雙回輸電線路，分析了架空地線損耗與導(dǎo)線排列方式的關(guān)系；文獻(xiàn)[11]針對(duì)110 kV同塔六回輸電線路，研究了避雷線損耗與導(dǎo)線相序布置的關(guān)系；文獻(xiàn)[12]分析了導(dǎo)線不平衡電流引起的輸電線路附加損耗問(wèn)題；文獻(xiàn)[13]研究了交流500～1100 kV輸電線路電暈損失的計(jì)算方法。上述研究為本文提供了良好的思路，然而在跨省輸電線路之中部分線路計(jì)量表正常且統(tǒng)計(jì)無(wú)誤的狀況下，依然出現(xiàn)了線損率為負(fù)值或異常增大的情況。文獻(xiàn)[14]結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)氣溫、降水量等因素與線路異常線損關(guān)系不大，而線路負(fù)載可能是異常線損的主要原因。

為了準(zhǔn)確分析特高壓輸電線路線損的分布特性，特別是異常線損出現(xiàn)的原因，本文基于電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP，建立1000 kV同塔雙回架空輸電線路線損仿真模型，分析功率方向、相序排列、換位方式對(duì)架空線路損耗的影響，分析線路出現(xiàn)異常線損的特征，為1000 kV同塔雙回架空輸電線路線損計(jì)算研究提供支撐。

1 仿真模型的建立

本文研究中為了簡(jiǎn)化仿真模型，設(shè)定架空輸電線路為同塔雙回結(jié)構(gòu)，線路總長(zhǎng)度為180 km，總桿塔數(shù)量為180個(gè)，線路檔距長(zhǎng)度為1000 m。線路運(yùn)行額定電壓為1000 kV，額定輸送功率2×4000 MW，導(dǎo)線型號(hào)為8×LGJ-630/45，導(dǎo)線分裂間距為400 mm；架空地線采用LBGJ-180-40AC；工頻接地電阻取10 Ω。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。土壤電阻率取500 Ω·m。

(a)1000 kV同塔雙回輸電線路結(jié)構(gòu)示意圖

輸電線路線損主要包含輸電導(dǎo)線線損、架空地線能量損耗、輸電線路電暈損耗3個(gè)部分，。輸電線路導(dǎo)線損耗模型采用LCC模塊里面的Π模型集中參數(shù)等效電路，該模型適用于100～200 km的架空輸電線路的穩(wěn)態(tài)計(jì)算。架空地線與輸電線路之間存在電磁耦合，對(duì)于雙架空地線電能損耗由兩部分構(gòu)成：感應(yīng)電流在兩地線之間環(huán)流造成的損耗和感應(yīng)電流環(huán)繞地線和大地之間造成的損耗。采用ATP-EMTP建立如圖2所示的地線環(huán)流模型，其中I1為兩地線之間環(huán)流，I2為地線與大地之間的環(huán)流。輸電線路電暈損耗與輸電線路本身結(jié)構(gòu)和天氣狀況相關(guān)，本文研究中主要分析是在晴朗天氣狀況下，輸電線路電暈損耗參考文獻(xiàn)[13]近似取值。

圖2 架空地線線損EMTP仿真模型

2 仿真分析

2.1 功率方向?qū)芸蛰旊娋€路線損影響

為了研究不同負(fù)荷狀況下的輸電線路線損狀況，按照如圖3所示的運(yùn)行狀況建立仿真模型。運(yùn)行方式1表示同塔雙回輸電線路的功率流向一致，運(yùn)行方式2表示功率流向相反。

圖3 1000 kV同塔雙回輸電線路運(yùn)行方式示意圖

雙回輸電線路同向潮流的線損仿真結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為不同負(fù)載情況下的Ⅰ回輸電線路線損值，可知Ⅰ回線路線損值隨著自身負(fù)載和Ⅱ回線路負(fù)載的增加而增加。圖4(b)為不同負(fù)載情況下的Ⅰ回輸電線路線損率，可知Ⅰ回線路線損率隨自身負(fù)載的增加先下降后上升，隨Ⅱ回線路的負(fù)載增加而增大。

圖5為反向潮流的雙回輸電線路線損仿真結(jié)果，圖5(a)表明，Ⅰ回線路線損值隨自身負(fù)載的增加而增加，隨Ⅱ回線路負(fù)載的增加而減小。圖5(b)表明，Ⅰ回線路線損率隨自身負(fù)載的增大而增大，隨Ⅱ回線路負(fù)載的增加而降低。

(a)Ⅰ回輸電線路的線損

(a)Ⅰ回輸電線路的線損

同時(shí)上述結(jié)果表明在雙回輸電線路為反向潮流時(shí)，Ⅱ回線路負(fù)載大于1.67倍Ⅰ回線路負(fù)載時(shí)，如圖6所示，Ⅰ回線路將出現(xiàn)負(fù)線損率，最低線損率達(dá)到-4.32%。

圖6 雙回輸電線路異向潮流下線損率為負(fù)值的情況

2.2 相序排列對(duì)架空輸電線路線損的影響

研究同塔雙回輸電線路的不同相序排列對(duì)輸電線路線損的影響，建立如圖7所示的仿真模型，分析同向潮流下6種相序排列在不同負(fù)載情況下的線損狀況，研究結(jié)果如圖8所示。

圖7 1000 kV同塔雙回輸電線路相序排列示意圖

由圖8(a)可知，當(dāng)Ⅰ回線路帶載200 MW，Ⅱ回線路帶載4000 MW時(shí)，相比于“ABC-ABC”相序排列，“BCA-ABC”和“BAC-ABC”相序排列的雙回輸電線路，在Ⅰ回線路上出現(xiàn)了較高線損率，分別達(dá)到了13.85%和12.39%，此外Ⅱ回線路上出現(xiàn)了負(fù)線損率；“CBA-ABC”和“ACB-ABC”相序排列的雙回輸電線路，Ⅰ回線路上出現(xiàn)了較大的負(fù)線損率，分別達(dá)到-13.44%和-20.35%。

由圖8(b)可知，當(dāng)Ⅰ回線路帶載200 MW，Ⅱ回線路帶載200 MW時(shí)，此時(shí)情況與Ⅰ回線路帶載200 MW，Ⅱ回線路帶載4000 MW時(shí)類似，但Ⅰ回、Ⅱ回線路的線損率相差更大，特別是“ABC-BCA”相序排列的情況，Ⅰ回線路線損率達(dá)到14.97%，Ⅱ回線路出現(xiàn)負(fù)線損率?！癆BC-CBA”相序排列的情況，Ⅰ回線路線損率降低到-20.45%。

由圖8(c)可知，當(dāng)Ⅰ回、Ⅱ回線路帶載4000 MW時(shí)，整體線損相差不大，未出現(xiàn)線損異常增大和負(fù)線損率狀況。

(a)Ⅰ回線路負(fù)載200 MW且Ⅱ回線路負(fù)載4000 MW

上述分析說(shuō)明了雙回輸電線路相序排列不同時(shí)，輸電線路的線損差異明顯，特別是在線路輕載的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)線損異常增大和負(fù)線損率的狀況。

2.3 換位方式對(duì)架空輸電線路線損的影響

雙回架空輸電線路架設(shè)不同換位塔，其輸電線路的功率損耗不同，以本文研究的輸電線路為例，假定輸電線路架設(shè)2個(gè)換位塔，分別處于輸電線路的1/3、2/3處?！胺绞?”表示為整條線路不設(shè)置換位塔，其他換位塔設(shè)置如圖9所示，仿真分析不同情況下的輸電線路線損狀況，研究結(jié)果如圖10所示。

(a)方式1

由圖10(a)可知，當(dāng)輸電線路滿載時(shí)5種方式下的線損相差不大。

由圖10(b)可知，Ⅰ回線路帶載200 MW，Ⅱ回線路帶載4000 MW時(shí)，換位“方式1”和“方式2”相對(duì)與“方式0”，Ⅰ回輸電線路的線損率略微增大，換位“方式3”下Ⅰ回線路出現(xiàn)負(fù)線損率，達(dá)到-5.13%。換位“方式4”下Ⅰ回線路線損增大明顯，達(dá)到5.93%。

圖10(c)可知，Ⅰ回線路帶載4000 MW，Ⅱ回線路帶載200 MW時(shí)，Ⅰ回線路線損率變化不大。

圖10(d)可知，Ⅰ回、Ⅱ回線路帶載20 MW時(shí)，換位“方式1”和“方式2” 相對(duì)與“方式0”，Ⅰ回線路的線損變化不大。但換位“方式3”下Ⅰ回線路出現(xiàn)了負(fù)線損率，達(dá)到-5.82%。換位“方式4”下Ⅰ回線路線損率增大明顯，達(dá)到5.76%。

(a)Ⅰ回和Ⅱ回輸電線路負(fù)載皆為4000 MW

上述分析表明了同塔雙回輸電線路在輕載時(shí)，換位“方式3”下將出現(xiàn)負(fù)線損率，換位“方式4”將出現(xiàn)線損異常增大的情況。

3 結(jié)論

為了分析1000 kV同塔雙回輸電線路的線損分布特性，利用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP建立了線損仿真模型，發(fā)現(xiàn)線路出現(xiàn)負(fù)線損率和線損率異常增大的情況是發(fā)生在線路輕載時(shí)，具體結(jié)論如下。

a.對(duì)于同塔雙回輸電線路，線路線損率不僅與自身負(fù)載相關(guān)，還與另外一回線路負(fù)載相關(guān)。當(dāng)雙回輸電線路為反向潮流時(shí)，輕載線路將出現(xiàn)負(fù)線損率，負(fù)線損值與自身線路負(fù)載呈正相關(guān)，與另一回線路負(fù)載呈負(fù)相關(guān)。

b.輸電線路線損與相序排列相關(guān)，不同相序排列的輸電線路線損差異明顯。對(duì)于相序排列為“BCA-ABC”和“BAC-ABC”的雙回輸電線路，在“ABC” 相序的線路輕載時(shí)，將出現(xiàn)較高線損率；對(duì)于相序排列為“CBA-ABC”和“ACB-ABC”的雙回輸電線路，在“ABC”相序的線路輕載時(shí)將出現(xiàn)較大的負(fù)線損率。

c.雙回輸電線路線損受換位方式影響，對(duì)于輕載線路，采用“換位方式3”將出現(xiàn)負(fù)線損率，采用“換位方式4”將出現(xiàn)線損異常增大的情況。