750 kV同塔双回不换位线路电流不平衡度研究

刘前进，朱庆钢，罗龙波

（华南理工大学电力学院，广东 广州 510640）

0 引言

为了解决输电走廊紧张问题，同塔双回、多回高压输电线路应运而生。高压输电线路原则上应采用换位措施，以减小电力系统正常运行时电流与电压的不对称性。但设计和运行经验表明，高压线路完全换位会减弱线路的电气和机械强度，增加建造和运行维护的费用[1]。并且在某些线路走廊特别紧张的地区，部分线路可能没有条件采用完全换位的架设方式。

由于线路不换位导致电气三相参数不对称所引起三相电压、电流不对称，会增大电网输电元件的损耗，并且在线路负荷较轻的情况下及系统黑启动的初始阶段，过大的负序电流可能导致发电机负序保护动作，从而引发发电机跳闸或阻止发电机并网运行，甚至会造成大面积停电[2-5]。目前，对高压输电线路的电气参数不平衡问题研究比较常见。文献[6-8]通过参数解耦、分相建模等方法对多回线路不平衡度的计算进行了理论研究，但不能针对各种塔形情况进行分析且计算精度较低。文献[9-10]对单回不换位线路的不平衡度的影响因素进行了分析，指出线路不换位长度、相序变换等是影响其不平衡度的主要因素，但未涉及双回或多回线路。文献[11-12]分析了换位方式对同塔双回线路不平衡度的影响，结果表明逆相序反向换位方式的线路不平衡度较小。而对同塔双回不换位线路，特别是对750 kV不同塔型、不同相序排列情况下的同塔双回不换位线路研究比较少见。

本文对同塔双回不换位线路的线路不平衡度计算进行了理论推导，并以某地区一条750 kV同塔双回线路为例，应用 EMTDC/PSCAD电磁暂态仿真程序，采用目前较为常见的750 kV同塔双回常规型与同塔同窗紧凑型两种典型杆塔类型[13-14]，对主要影响同塔双回线路电流不平衡度的相序排列方式、回间距离以及线路长度等因素进行仿真分析。结合实际情况对杆塔的选型、导线的相序排列提出了相应的建议。

1 同塔双回不换位线路的不平衡度计算

同塔双回线路为强电磁耦合，回路之间的距离可以和回路内的相间距离相比较，并且从一回的任一相到另一回三相间的距离都不相等。设为各相的感应电压为各相的注入电流，AAZ 、BBZ 、表示各相的自阻抗，abZ 、acZ、表示本回路的相间互阻抗，CaZ、AbZ、BbZ、CbZ、AcZ、BcZ、CcZ表示两回路之间的互阻抗。则同塔双回线路自感、互感示意图如图1所示。

图1 双回线路自感、互感示意图Fig. 1 Self-inductance and mutual inductance schematic diagram of double-circuit transmission line

根据图1可以写出系统的电压方程为

定义双回线路各回的零序、负序电流不平衡度为

由上述公式可以看出，同塔双回不换位线路I、II回的零序、负序电流不平衡度不相等且与线路的自阻抗、相间的互阻抗、双回线路之间的互阻抗密切相关。而同塔双回不换位线路，由于没有进行换位，空间上并不对称，线路阻抗矩阵中的各对角线元素和非对角元素都不相等。因此影响同塔双回线路参数不平衡度的因素主要有：导线的自身属性、杆塔类型、回间距离、相序排列等。

2 EMTDC仿真建模

2.1 系统模型

图2 双回线路仿真计算简化模型接线图Fig. 2 Simplified connection diagram for simulative calculation of double circuit transmission system

2.2 线路模型

取典型线路参数如下：线路全长50 km且不换位。线路导线型号为6*LGJ-400/35，分裂间距为400 mm，导线弧垂取 10 m，两根地线全线采用JLB40-120型号，大地电阻率取300 mW×。输电线路采用贝瑞隆模型（the Bergeron model），杆塔参数及布置如图3所示。

图3 双回输电线路塔型布置图Fig. 3 Block diagram of the tower for the double circuit transmission line

由于双回路导线相序排列方式组合形式多变，使得不换位线路电气参数不对称性更加明显。如果以I回线路为参考，双回线路相序排列方式可以分为六种，如表1所示。

表1 双回线路相序排列方式Table 1 Phase sequences of double circuit transmission line

工程经验表明，同塔双回不换位线路，由于导线之间存在着复杂的电磁、静电耦合分量关系，在不同相序排列情况下线路不平衡度相差较大。

3 仿真结果及其分析

3.1 相序排列对同塔双回线路电流不平衡度的影响

采用不同的相序排列方式，以同塔双回常规型塔和同塔同窗双回紧凑型塔两种塔形（以下简称常规型塔、紧凑型塔），对750 kV双回不换位线路进行仿真，其电流不平衡度如表2所示。

表2 不同相序排列下的电流不平衡度Table 2 Current imbalance of different phase sequence arrangement

考虑I、II回的零序、负序电流不平衡度最严重的情况，常规型塔与紧凑型塔在不同相序排列情况下的电流不平衡度如图4所示。

由表2和图4可以看出：

1）线路首端与末端电流不平衡度不同但相差不大，而I、II两回线路电流不平衡度在不同的相序排列方式下相差较大。其中同相序排列时，I、II两回电流不平衡度相等，而在其他排列方式下I、II两回电流不平衡度相差较大，在常规型逆相序排列时，II回线末端负序不平衡度为8.6%，I回线路末端负序不平衡度为2.3%，两回线路相差最大，约为6.3%。

图4 不同相序排列下的电流不平衡度Fig. 4 Current imbalance of different phase sequence arrangement

2）不同相序排列情况下，常规型塔的零序与负序的电流不平衡度相差很大。其中零序电流不平衡度由小到大排序为：同相序＜异相序 2＜异相序3=异相序 4＜逆相序＜异相序 1；负序电流不平衡度由小到大排序为：同相序＜逆相序＜异相序 3=异相序4＜异相序1≈异相序2。综合考虑零序与负序不平衡度，常规型塔为同相序最优，逆相序次之。3）不同相序排列情况下，紧凑型塔的零序电流不平衡度在不同相序排列的情况下相差不大；而负序电流不平衡度相差较大，其由小到大排序为：逆相序＜同相序＜异相序3≈异相序4＜异相序1≈异相序 2。综合考虑零序与负序不平衡度，紧凑型塔为逆相序最优，同相序次之。

3.2 回间距离对同塔双回线路电流不平衡度的影响

采用同相序、逆相序，常规型塔和紧凑型塔回间距离分别由22~28 m、4~10 m间隔1 m均匀变化，考虑I、II回零序与负序电流不平衡度最严重的情况，仿真结果如图5所示。

图5 不同回间距离下的电流不平衡度Fig. 5 Current imbalance of different loops distance

由图5可知：

1）常规型塔回间距离由22 m变化至28 m时，同相序零序电流不平衡度基本不变，负序不平衡度减小约0.5%，变化幅度较小。逆相序零序和负序不平衡度均随着回间距离的增大而增大，回间距离由22~28 m均匀变化时，零序不平衡度由8.13%增加至9.81%，负序不平衡度由8.03%增加至10.78%，变化幅度较大。

2）紧凑型塔回间距离由4 m变化至10 m时，同相序零序与负序不平衡度分别减小了0.14%、0.58%，变化幅度较小。在逆相序的排列情况下，回间距离由4~10 m均匀变化时，零序不平衡度由3.15%增加至 5.76%，而负序不平衡度由 8.5%降至1.4%，减小了7.1%。因此紧凑型塔在逆相序排列时，在保证零序电流不平衡度在允许范围的情况下，适当增大回间距离能有效减小负序电流不平衡度。

3.3 线路长度对同塔双回线路电流不平衡度的影响

采用常规型塔和紧凑型塔，分别在同相序排列、逆相序排列的情况下，线路长度由20~100 km每隔10 km均匀变化，考虑I、II回零序与负序电流不平衡度最严重的情况，仿真结果如图6所示。

图6 不同线路长度的电流不平衡度Fig. 6 Current imbalance of different line length

由图6可以看出：

1）线路长度变化对零序电流不平衡度影响较小。其中逆相序排列方式下常规型与紧凑型的零序不平衡度基本不随线路长度变化，而在同相序排列方式下，当线路长度由20 km变化至100 km时，常规型与紧凑型零序电流不平衡度分别由2.6%、2.8%增加至4.4%、4.5%，增加幅度较小。

2）负序电流不平衡度随着线路长度增长而迅速增大。线路长度较短时，紧凑型塔在逆相序排列的情况下负序电流不平衡度为1.9%，因此在线路走廊紧张的地区可以考虑不换位，如750 kV的金昌-酒泉段只有27.7 km的走廊拥挤地段，可以考虑采用同塔同窗紧凑型逆相序排列不换位线路并选择合适的并补度限制潜供电流[14]。当线路长度由 20~100 km均匀变化时，同相序常规型、同相序紧凑型、逆相序常规型、逆相序紧凑型的负序电流不平衡度分别由2.9%、3.8%、1.9%、6.9%增加至7.9%、10.3%、5.3%、11%，增幅分别为5%、6.5%、2.4%、3.9%。因此线路长度较长时，应该考虑对线路进行换位以限制负序电流不平衡度在允许范围之内。

4 结论与建议

本文建立了同塔双回不换位输电线电流不平衡度计算模型，在此基础上以某地区750 kV同塔双回线路为例，通过PSCAD/EMTDC软件对杆塔类型、相序排列方式、回间距离、线路长度对电流不平衡度的影响进行仿真，得出结论如下：

1）综合考虑电流的零序与负序不平衡度，常规塔型在同相序排列情况下最优，逆相序次之；而紧凑型塔则为逆相序排列情况下最优，同相序次之；在实际工程设计中，可优先考虑同相序或逆相序排列方式。

2）同相序情况下，无论是常规型塔还是紧凑型塔，调节回间距离对线路的电流不平衡度影响不大。而在逆相序情况下，在一定合适范围内调节回间距离能有效地减小电流不平衡度，如同塔同窗紧凑型塔在逆相序排列的情况下，适当增加回间距离可在保证零序电流在一定范围的情况下，大幅度减小负序电流不平衡度。

3）线路长度对电流的零序不平衡度影响不大，而电流的负序不平衡度在线路较短时较小，但随着线路长度的增大而迅速增大。因此，在输送距离较短而输电走廊特别拥挤的地段，可以考虑采用同塔同窗逆相序不换位线路以缓解线路走廊紧张问题。当输电线路较长时电流负序不平衡度较大，需对输电线路进行换位，避免电流不平衡度对系统造成不良影响。

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