1000kV单回和同塔双回混合线路电气不平衡度分析

魏利民，郭志涛，王炜，王辉，王亮

(河北省电力勘测设计研究院，石家庄市 050031)

0 引言

在输电线路中，由于线路三相自身参数不对称以及双回路之间的电磁耦合关系，在线路正常运行时每相导线的阻抗和导纳并不相等，导致电力系统中产生不对称电流和电压，从而对电力系统设备带来诸多不利影响［1-3］。为确保电力系统的安全稳定，在长距离超高压、特高压输电线路中，必须设计好导线的换位方式及换位距离［4-5］。

1 000kV锡盟—南京特高压输电线路工程全长2×1 404 km，是我国第1条1 000 kV特高压同塔双回和2条并行单回路混合架设的输电线路。其中锡盟—北京东段长度约为355.8 km，同塔双回路段长106.4 km，2条单回路段长249.4 km［6］。目前国内对500 kV等超高压多回线路及1 000 kV特高压单回线路和同塔双回线路已经进行过研究［7-12］，但是对于2条并行单回路与同塔双回路混合的输电线路尚未进行深入分析。为此，本文以锡盟—北京东段线路为研究对象，利用电磁暂态分析程序(ATP-EMTP)计算研究混合线路的电气不平衡度以及最佳换位点的选择问题，为工程设计提供参考。

1 计算条件

1.1 计算参数

本工程的系统额定电压为1 000 kV，系统最高运行电压为1 100 kV;系统输送功率为6 000 MW，事故时极限输送功率为12 000 MW;功率因数为0. 95;导线型号为8×JL/G1A－630/ 45;地线型号为LBGJ－240－20AC;绝缘子串长为11 m;杆塔呼高为57 m;对地距离为22 m;导线弧垂为24 m，地线弧垂为17 m;土壤电阻率为500 Ω·m。

1.2 杆塔型式

本文采用工程中使用最多的塔头尺寸作为计算条件，双回路为导线垂直排列方式的伞型塔，单回路为导线水平排列的杯型塔，塔头尺寸如图1所示。

图1 杆塔型式Fig.1Tower type

2 计算方法和模型

根据文献［13］的规定，电力系统公共连接点，电网正常运行时，负序电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。本文取2%和短时4%作为输电线路电压不平衡度限值。

根据文献［14-15］可得负序电压不平衡度εU2、负序电流纵向不平衡度Md2、回路间负序电流不平衡度Ml2为

式中:U1和U2分别为负荷端正序和负序电压;分别为第1回路电源端正序和负序电流;分别为第2回路电源端正序和负序电流。

本文研究采用ATP-EMTP仿真分析程序和相序变换矩阵对架空输电线路的不平衡度进行计算分析。按照一端供电的开式电力网络计算模型建模，先假定线路送端功率、三相电压对称且不随时间变化，再观测线路电源端电流、线路受端电压、电流的不对称量，等效负载阻抗值则根据传输功率、传输电压和功率因数来计算。

在ATP-EMTP中建立同塔双回和2条并行单回混合线路的不平衡度计算分析模型，如图2所示。

图2 ATP-EMTP中的同塔双回和2条并行单回混合线路分析模型Fig.2Analysis model of double-circuit on the same tower and the two parallel single-circuit mixed-lines in ATP-EMTP

图2中三相电源为1 000 kV对称电压源，同塔双回和2条并行单回线路均按1个LCC建模［16］，其中2条并行单回线路塔中心距取80 m，负载用三相对称负载代替。

3 不换位线路不平衡度的计算与分析

3.1 2条并行单回和同塔双回线路的相序排列方式的不平衡度计算

2条并行单回路和同塔双回路的相序排列方式共计8种，如表1所示。

保持计算用系统参数和塔头尺寸不变，2种架设方式下线路总长度均为200 km，不同相序排列方式的电气不平衡度计算结果见表2。

对于2条并行单回路，其他相序排列方式负序电压不平衡度最小，其次为异相序排列方式，逆相序最差;对于同塔双回路，异相序排列方式负序电压不平衡度最小，其次为逆相序排列方式，同相序最差。

表1 2条并行单回和同塔双回线路相序排列方式Tab.1Phase sequence arrangement of two parallel single-circuit and double-circuit on the same tower

根据计算结果可知，同塔双回路异相序1与2的结果一样，因此可以仅计算P3/异相序 1;而对其他相序1、2以及1回停运悬空或接地，则分别计算P6/其他相序2及1回停运悬空。

表21 000 kV线路不同相序排列方式的电气不平衡度Tab.2Electric unbalance degree of 1 000 kV line with different phase sequence arrangement

3.2 混合线路单双回路分布对不平衡度的影响

线路总长取200 km，其中单回100 km、同塔双回100 km，划分的6种线路长度分布方式如表3所示。在并行单回路按P1排列，同塔双回路按P2排列不变的前提下分别计算单双回混合线路的电气不平衡度。

表3 单双回混合线路的电气不平衡度Tab.3Electric unbalance degree of single-circuit and double-circuit mixed-lines

由计算结果可知，当单双回线路的排列方式一定时，混合线路的单双回分布对不平衡度几乎没有影响，可以忽略。

3.3 锡盟—北京东不换位线路不平衡度的计算与分析

锡盟—北京东线路长度为355.8 km，依次为2× 249.4 km单回、106.4 km双回，单回路部分占70%。按照实际长度、单回和双回分布、运行电压为1 000 kV、输送功率为6 000 MW，计算得出不同相序排列方式、运行方式下的不平衡度见表4、5。

由表4可以看出，双回路段导线排列方式对线路不平衡度的影响较大。同相序排列方式的不平衡度最大，逆相序排列方式次之，异相序排列方式最好。锡盟—北京东段线路采用逆相序、同相序和异相序等排列方式在不换位情况下的负序电压不平衡度均大于2%的限值要求，因此需要考虑对线路进行合理换位。

由表5可知，不论是同相序还是逆相序，混合线路的负序不平衡度小于其双回和单回线路单独作用时引起的不平衡度之和。这是因为不平衡度受相间互阻抗和互容抗的影响，而互阻抗和互容抗直接由相间距离决定，对双回路上相和下相距离而言，单回路的相间距离有所减少，使互阻抗差异趋于变小，即在混合段中单回路起抵消作用，使全线的不平衡度有所降低。

4 换位后不平衡度的计算与分析

根据表5计算结果可知，单回路单独引起的不平衡度已经超过限值，因此必须换位。

由于锡盟—北京东线路大部分为2个单回，可以考虑只在单回进行1个全换位，换位点位于线路全长的1/3和2/3处，或者在单回部分和双回部分进行1次全换位，计算结果见表6。

由表6可知，单回路进行1次整循环换位后，双回路段逆向序排列换位和不换位时，都满足限值要求，并且1回停运、单回运行、输送功率为12 000 MW时，负序电压不平衡度的值为2.18%，小于4%的限值要求。

表6 锡盟—北京东线路单回长1/3处换位后电气不平衡度Tab.6Electric unbalance degree in Ximeng-Beijing East line after the transposition at 1/3 length of single-circuit

根据表6的计算结果，如果同塔双回路段也经过1个整循环换位，则线路的不平衡度指标更优，考虑到在单回路段做1次整循环换位已能使不平衡度降低到限值以内，因此推荐锡盟—北京东线路只在单回路段进行1次整循环换位。

以往的换位研究大多针对全线都是单回或者双回的线路，但是对于单双回路混合的线路，最佳换位点将不在线路全长的1/3和2/3处。

由于本段线路单双回分布不均匀，从电气不平衡度计算结果来看，最佳换位点不在单回线路长的1/3处，具体计算结果见表7。

表7 锡盟—北京东线路移动换位点后的电气不平衡度Tab.7Electric unbalance degree in Ximeng-Beijing East line after movement transposition point

由表7计算结果可知，最优值不是单回路1/3处，而是在63.14 km处，此时负序电流不平衡度和环流不平衡度都较小。

锡盟—北京东线路只在单回路段进行1次整循环换位，换位后电压、电流不平衡度显著降低，同时2条回路间的环流也明显减小。建议锡盟—北京东段在单回路段进行1次全换位(双回段逆向序排列不换位)，2基换位塔分别位于63.14、103.13 km处。

锡盟—北京东线路换位如图3所示。

图3 锡盟—北京东线路推荐换位方式相序布置Fig.3Phase sequence diagram in Ximeng-Beijing East section with recommended transposition way

5 结论

(1)对于2条并行单回路，其他相序排列方式负序电压不平衡度最小，其次为异相序排列方式，逆相序最差;对于同塔双回路，异相序排列方式负序电压不平衡度最小，其次为逆相序排列方式，同相序最差。

(2)当单双回线路的排列方式一定时，混合线路的单双回分布对不平衡度几乎没有影响，可以忽略。同时对单双回混合线路的负序电压不平衡度小于其双回和单回单独作用引起的不平衡度之和，即混合线路的不平衡度有所降低。

(3)锡盟—北京东线路在单回路部分进行1次整循环换位后，在双回段逆相序不换位与换位时负序电压不平衡度分别为0.44%、0.24%，均小于2%的限值，为了运行安全和减少换位点，推荐采用在单回路段进行1次整循环换位、双回路段不换位方式。

(4)对于单双回路混合的线路，最佳换位点不在线路全长的1/3和2/3处，锡盟—北京东线路在双回路段不换位时单回路最佳换位点在63.14、103.13、83.13 km处，此时负序电压不平衡度为0.18%。建议锡盟—北京东线路在单回路段进行1次全换位(双回段逆向序排列不换位)，2基换位塔分别位于63.14、103.13 km处。

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(编辑:张磊)