共用走廊的復(fù)雜多回輸電線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流仿真分析

伊?xí)杂?，張佳鑫，鄭雄偉，張志猛，孫翠英

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

近年來，伴隨用電需求大幅增加，需不斷架設(shè)輸電線路以滿足電量輸送需求。受輸電走廊地形、工程造價、改破口等影響，線路網(wǎng)絡(luò)更加錯綜復(fù)雜，越來越多輸電線路出現(xiàn)同塔、非同塔交叉排列，與其他輸電線路共用走廊區(qū)段情況，導(dǎo)致線路間的耦合作用增強。

近年來，對于同塔多回輸電線路感應(yīng)電影響已開展大量研究，但對于存在共用走廊的多回輸電線路，由于在輸電線路局部存在一定長度近線段，且在近線段兩側(cè)一般存在延長段，延長段的電容、電感效應(yīng)，對停運線路電磁耦合作用產(chǎn)生影響。并且同塔輸電線路桿塔一般與平行架設(shè)桿塔型式不同，造成導(dǎo)線布線方式有很大不同。因此，與全線同塔架設(shè)的輸電線路相比，共用走廊輸電線路的電磁耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會發(fā)生很大變化。但目前針對共用走廊架設(shè)的復(fù)雜多回輸電線路感應(yīng)電問題，還未引起高度重視，因此有必要對此方面開展研究。

根據(jù)相關(guān)文獻，影響線路感應(yīng)電壓的主要因素有各回路的架設(shè)參數(shù)(弧垂、檔距、桿塔布置等)、線路運行狀況、線路長度、線路換位方式、相序布置、相間和回路間距離以及線路的高壓并聯(lián)電抗器配置等。而對于共用走廊多回輸電系統(tǒng)，除以上影響因素外，近線段水平間距、近線段長度及位置對停電線路兩端電磁耦合及沿線路的分布情況產(chǎn)生較大影響。

本文利用EMTP-ATP軟件仿真分析了華北地區(qū)某在運500 kV雙回輸電線路(非同塔)在一回運行、一回停運時的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流，仿真分析了復(fù)雜多回輸電線路間的水平間距、近線段長度、近線段位置、輸送潮流等因素對停運線路上感應(yīng)電壓的影響規(guī)律。對線路停電檢修時制定的安全措施提出建議，旨在為解決工程實際問題提供參考。

1 理論分析

對于多回非全線同塔存在近線段平行架設(shè)輸電線路，當(dāng)一回停運、其他回路正常運行時，運行線路在其周圍將產(chǎn)生交變的電磁場，停運線路與其交鏈，因此會在停運線路上感應(yīng)出一個沿導(dǎo)線方向分布的縱電勢，線路間感應(yīng)電壓、電流見圖1。CAa、CBa、CCa和MAa、MBa、MCa分別為運行線路A、B、C三相與停運線路a相之間的單位長度互電容和互電感，Ca0、L分別為檢修線路a相單位長度對地電容和電感，l為線路長度，運行線路各相運行電壓、電流分別為UA、UB、UC、IA、IB、IC。

圖1 近線段平行線路感應(yīng)電壓、電流

為便于分析，忽略運行線路對地電容和線間電容、停運線路線間電容、沿線電阻、全部對地有功泄漏。采用分布參數(shù)法，停運線路a相任一位置的U、I方程為

(1)

(2)

運行線路電流、電壓相角均互差120°，上式簡化推導(dǎo)出感應(yīng)電壓和電流通用公式為

U2=U1cosγl-jI1ZCsinγl+(α/γ2)UA(1-cosγl)-j(M/L)ZCIAsinγ

(3)

I2=-j(U1/ZC)sinγl+I1cosγl+j(α/γ2ZC)UAsinγl+(M/L)IA(cosγl-1)

(4)

γ為線路的傳輸參數(shù)。計算公式為

(5)

α為線路的等效電容，計算公式為

(6)

Zc為線路上的波阻抗，計算公式為

(7)

M為等效電感，計算公式為

(8)

當(dāng)停運線路不存在接地點時，感應(yīng)電壓主要由靜電耦合起作用。

(9)

當(dāng)停電線路一端接地時，在另一端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓主要由電磁耦合起作用，在接地端產(chǎn)生的感應(yīng)電流主要由靜電耦合起作用。

|U|≈|jωl(MAaIA+MBaIB+MCaIC)|

(10)

|I|≈|jωl(CAaUA+CBaUB+CCaUC)|

(11)

當(dāng)停電線路兩端接地時，在停電線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電流主要由電磁耦合起作用。

I≈-(MAaIA+MBaIB+MCaIC)/L

(12)

2 仿真算例建模

為定量分析近線段水平間距、近線段長度、近線段位置等影響因素對停運線路感應(yīng)電壓影響，搭建存在單個近線段的雙回輸電線路模型，確定如下計算條件：線路輸送功率為1200 MW，沿線電壓取額定電壓的105%，近線段區(qū)間間距取50 m，線路全長為350 km，近線段長度為50 km，近線段兩側(cè)分別存在150 km延長段，線路全線不換位。

線路布置結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩回線路均為水平排列方式，導(dǎo)線型號為4XLGJ-400/35，左側(cè)地線型號為GJ-80，右側(cè)地線型號分別為JLB40-150和OPGW。線路參數(shù)見表1。

表1 線路參數(shù)

圖2 近線段內(nèi)雙回線路結(jié)構(gòu)布置

在運行工況為Ⅰ回線正常運行、Ⅱ回線停運時，計算停運線路上耦合感應(yīng)電壓如表2所示。從仿真結(jié)果可知，在近線段回路水平間距為50 m、長度為150 km的條件下，靜電感應(yīng)電壓可達到3.20 kV，電磁感應(yīng)電壓可達到1.24 kV。本文將基于該算例對近線段水平間距、近線段長度、近線段位置、輸送功率等影響因素進行仿真分析，并總結(jié)變化規(guī)律。

表2 線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流計算結(jié)果 單位：kV

3 影響因素分析

3.1 近線段水平間距

近線段長度為50 km，近線段兩側(cè)延長段長度均為150 km，此時近線段長度為計算總長度的14%，當(dāng)Ⅰ回線正常運行、Ⅱ回線停電時，保持運行電流不變，近線段部分水平間距從10 m增至200 m，對停電線路上的感應(yīng)電壓進行仿真計算，其靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓結(jié)果見圖3。

圖3 在近線段不同水平間距條件下感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流

根據(jù)圖4仿真結(jié)果可知，近線段水平間距是影響停電線路感應(yīng)電壓的一個重要因素。以靜電感應(yīng)電壓為例，水平間距小于100 m時，間距對感應(yīng)電壓的影響較大，水平間距從20 m增至40 m，靜電感應(yīng)電壓從19.21 kV減小到7.86 kV，差值為11.35 kV；而水平間距從100 m增至150 m，靜電感應(yīng)電壓從0.58 kV減小到0.18 kV，差值僅為0.4 kV，同樣，電磁感應(yīng)電壓和電流有同樣變化規(guī)律。因此可知，停電線路的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流隨著水平間距的增大而不斷減小，但并非線性關(guān)系，隨著間距的不斷增大，運行線路對停電線路耦合作用明顯減小，感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流變化也逐漸趨于平緩。

3.2 近線段長度

分別計算了近線段兩側(cè)延長段長度均為150 km，近線段部分長度從5 km增至200 km，以及總長度為200 km不變，近線段長度占總長度百分比從5%增至50% 2種情況下的停運線路上耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，其結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 兩側(cè)延長段長度不變近線段部分不同長度下感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流

圖5 線路總長度不變近線段長度增加時的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流

根據(jù)圖4和圖5仿真結(jié)果可知，近線段部分的長度同樣是影響停電線路感應(yīng)電壓的一個重要因素，停運線路上的靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓均隨近線段長度的增加而增加。由圖5可知，隨著近線段占總長度比例不斷增加，停運線路上的靜電感應(yīng)分量和電磁感應(yīng)分量均不斷增加，并且近似成正比例關(guān)系。因此可知，在線路總長度不變的情況下，靜電感應(yīng)電壓和電流、電磁感應(yīng)電壓和電流與近線段長度占比成正比。

3.3 近線段位置

近線段間距為50 m，近線段長度為50 km，兩側(cè)延長段長度分別為150 km。當(dāng)Ⅰ回線正常運行、Ⅱ回線停電時，保持運行電流不變，近線段位置從首端逐漸向末端變化，其首末端靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓結(jié)果見圖6。

(a)線路首端感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流

根據(jù)圖6仿真結(jié)果，近線段位置對停電線路上耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓有較大影響。當(dāng)近線段位置從首端向末端變化時，首端靜電感應(yīng)電壓和靜電感應(yīng)電流逐漸減小，末端的靜電感應(yīng)電壓和靜電感應(yīng)電流逐漸增加。當(dāng)近線段位置從首端向末端變化時，首端和末端的電磁感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電流均逐漸減小，但首端變化幅度較小，末端電磁感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電流變化較大。

3.4 線路輸送功率

近線段間距為50 m，近線段長度為50 km，兩側(cè)延長段長度分別為150 km。當(dāng)Ⅰ回線正常運行、Ⅰ回線停電時，運行線路上的輸送功率從500 MW增至5000 MW時，其停電線路上的感應(yīng)電壓與感應(yīng)電流結(jié)果見表3。

表3 輸送功率變化時感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流

從表3結(jié)果可知，停電線路上的靜電感應(yīng)電壓和靜電感應(yīng)電流隨輸送功率的增加而增加，但影響較小，而電磁感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電流隨輸送功率的增加而明顯增大，幾乎成正比例關(guān)系。

4 華北地區(qū)某500 kV雙回輸電線路感應(yīng)電分析

4.1 線路參數(shù)及建模

本文選取華北地區(qū)某在運500 kV雙回輸電系統(tǒng)(以下簡稱AB雙回線)，其中AB Ⅰ線線路長度為48.444 km，共有鐵塔115基，AB Ⅱ線線路長度為55.284 km，共有鐵塔144基。導(dǎo)線均采用4×LGJ-400/35的鋼芯鋁絞線。避雷線型號分別如圖7所示。避雷線采用以耐張段為單元分段絕緣中間一點接地方式，光纜采用逐基接地方式。AB雙回線相序排列方式和換位情況如圖8所示。

圖7 AB雙回線避雷線布置

圖8 AB雙回線相序排列方式和換位

500 kV AB雙回線路僅在線路兩側(cè)站內(nèi)段2基塔同塔外，全線無同塔架設(shè)，并通過對AB雙回線桿塔位置坐標(biāo)分析，雙回線間存在3個近線段，近線段位置信息如表4所示。因此，依據(jù)本文對近線段、間距、位置及長度的仿真分析所得結(jié)論，為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用EMTP-ATP軟件，將雙回線分為7段LCC模型來進行建模仿真。在運行工況為 Ⅰ回線正常運行、Ⅱ回線停電檢修時，輸送潮流為5000 MW和1500 MW時，計算線路兩側(cè)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流仿真結(jié)果如表5所示。

表4 AB雙回線路近線段位置信息

表5 AB雙回線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流結(jié)果

4.2 線路停電檢修時安全措施

由表5結(jié)果可知，對于該雙回輸電線路，3個近線段總長度為9.1 km，僅約占線路全長的1/5，平均水平間距為55 m，在輸送潮流為1500 MW時，靜電感應(yīng)電壓已達到1.2 kV，電磁感應(yīng)電壓為0.25 kV，當(dāng)輸送潮流增加到5000 MW時，電磁感應(yīng)電壓已達到0.87 kV，如若近線段長度增加和(或)水平間距較小時，停電線路上耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓將線性增大。因此一回線路停電檢修時，有必要提前計算或現(xiàn)場測量線路上的感應(yīng)電壓和電流大小，根據(jù)感應(yīng)電大小制定安全措施，在檢修點加裝接地線，必要時需要安排相應(yīng)近線段線路進行陪停，從而保證檢修人員安全。

5 結(jié)論

a.回路間水平間距對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流有較大影響，當(dāng)水平間距增大時，停電線路的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流不斷減小，但非線性關(guān)系。隨著間距的不斷增大，運行線路對停電線路耦合作用明顯減小，感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流變化也逐漸趨于平緩。

b.近線段長度對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流有較大影響，在線路總長度不變的情況下，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流與近線段長度成正比。

c.當(dāng)近線段位置從首端向末端變化時，首端靜電感應(yīng)電壓電流逐漸減小，末端逐漸增加。兩端電磁感應(yīng)電壓和電流均逐漸減小，但首端的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流變化幅度較小，基本可忽略不計，而末端變化較明顯。

d.對于存在近線段的線路，在進行停電檢修時，需通過仿真計算或現(xiàn)場測量感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流大小，從而制定相應(yīng)的安全防護措施，保證檢修人員安全。