基于ATP-EMTP的1000 kV交流同塔双回输电线路线损分析

白剑锋

(国网湖南省电力有限公司技术技能培训中心(长沙电力职业技术学院)，湖南 长沙 410131)

线损是电力系统中有功电能损耗的统称，是衡量架空输电线路运行经济性的重要指标。针对地区能源与负荷的分配不均衡，1000 kV特高压输电工程大大提升了我国电网的输送能力，成为区域电网联络的重要纽带，大量电能的远距离输送，势必产生损耗[1-4]。而1000 kV架空输电线路地处环境复杂多变，线路电能损耗难以精确计量，因而掌握1000 kV架空输电线路线损规律，对于跨省输电线路线损计量，具有很强的理论和现实意义[5-7]。

目前对于输电线路的线损研究主要从仿真计算和数据分析两方面开展[8-9]。文献[10]针对500 kV紧凑型同塔双回输电线路，分析了架空地线损耗与导线排列方式的关系；文献[11]针对110 kV同塔六回输电线路，研究了避雷线损耗与导线相序布置的关系；文献[12]分析了导线不平衡电流引起的输电线路附加损耗问题；文献[13]研究了交流500～1100 kV输电线路电晕损失的计算方法。上述研究为本文提供了良好的思路，然而在跨省输电线路之中部分线路计量表正常且统计无误的状况下，依然出现了线损率为负值或异常增大的情况。文献[14]结合实际运行数据，发现气温、降水量等因素与线路异常线损关系不大，而线路负载可能是异常线损的主要原因。

为了准确分析特高压输电线路线损的分布特性，特别是异常线损出现的原因，本文基于电磁暂态仿真软件ATP-EMTP，建立1000 kV同塔双回架空输电线路线损仿真模型，分析功率方向、相序排列、换位方式对架空线路损耗的影响，分析线路出现异常线损的特征，为1000 kV同塔双回架空输电线路线损计算研究提供支撑。

1 仿真模型的建立

本文研究中为了简化仿真模型，设定架空输电线路为同塔双回结构，线路总长度为180 km，总杆塔数量为180个，线路档距长度为1000 m。线路运行额定电压为1000 kV，额定输送功率2×4000 MW，导线型号为8×LGJ-630/45，导线分裂间距为400 mm；架空地线采用LBGJ-180-40AC；工频接地电阻取10 Ω。详细结构如图1所示。土壤电阻率取500 Ω·m。

(a)1000 kV同塔双回输电线路结构示意图

输电线路线损主要包含输电导线线损、架空地线能量损耗、输电线路电晕损耗3个部分，。输电线路导线损耗模型采用LCC模块里面的Π模型集中参数等效电路，该模型适用于100～200 km的架空输电线路的稳态计算。架空地线与输电线路之间存在电磁耦合，对于双架空地线电能损耗由两部分构成：感应电流在两地线之间环流造成的损耗和感应电流环绕地线和大地之间造成的损耗。采用ATP-EMTP建立如图2所示的地线环流模型，其中I1为两地线之间环流，I2为地线与大地之间的环流。输电线路电晕损耗与输电线路本身结构和天气状况相关，本文研究中主要分析是在晴朗天气状况下，输电线路电晕损耗参考文献[13]近似取值。

图2 架空地线线损EMTP仿真模型

2 仿真分析

2.1 功率方向对架空输电线路线损影响

为了研究不同负荷状况下的输电线路线损状况，按照如图3所示的运行状况建立仿真模型。运行方式1表示同塔双回输电线路的功率流向一致，运行方式2表示功率流向相反。

图3 1000 kV同塔双回输电线路运行方式示意图

双回输电线路同向潮流的线损仿真结果如图4所示。图4(a)为不同负载情况下的Ⅰ回输电线路线损值，可知Ⅰ回线路线损值随着自身负载和Ⅱ回线路负载的增加而增加。图4(b)为不同负载情况下的Ⅰ回输电线路线损率，可知Ⅰ回线路线损率随自身负载的增加先下降后上升，随Ⅱ回线路的负载增加而增大。

图5为反向潮流的双回输电线路线损仿真结果，图5(a)表明，Ⅰ回线路线损值随自身负载的增加而增加，随Ⅱ回线路负载的增加而减小。图5(b)表明，Ⅰ回线路线损率随自身负载的增大而增大，随Ⅱ回线路负载的增加而降低。

(a)Ⅰ回输电线路的线损

(a)Ⅰ回输电线路的线损

同时上述结果表明在双回输电线路为反向潮流时，Ⅱ回线路负载大于1.67倍Ⅰ回线路负载时，如图6所示，Ⅰ回线路将出现负线损率，最低线损率达到-4.32%。

图6 双回输电线路异向潮流下线损率为负值的情况

2.2 相序排列对架空输电线路线损的影响

研究同塔双回输电线路的不同相序排列对输电线路线损的影响，建立如图7所示的仿真模型，分析同向潮流下6种相序排列在不同负载情况下的线损状况，研究结果如图8所示。

图7 1000 kV同塔双回输电线路相序排列示意图

由图8(a)可知，当Ⅰ回线路带载200 MW，Ⅱ回线路带载4000 MW时，相比于“ABC-ABC”相序排列，“BCA-ABC”和“BAC-ABC”相序排列的双回输电线路，在Ⅰ回线路上出现了较高线损率，分别达到了13.85%和12.39%，此外Ⅱ回线路上出现了负线损率；“CBA-ABC”和“ACB-ABC”相序排列的双回输电线路，Ⅰ回线路上出现了较大的负线损率，分别达到-13.44%和-20.35%。

由图8(b)可知，当Ⅰ回线路带载200 MW，Ⅱ回线路带载200 MW时，此时情况与Ⅰ回线路带载200 MW，Ⅱ回线路带载4000 MW时类似，但Ⅰ回、Ⅱ回线路的线损率相差更大，特别是“ABC-BCA”相序排列的情况，Ⅰ回线路线损率达到14.97%，Ⅱ回线路出现负线损率。“ABC-CBA”相序排列的情况，Ⅰ回线路线损率降低到-20.45%。

由图8(c)可知，当Ⅰ回、Ⅱ回线路带载4000 MW时，整体线损相差不大，未出现线损异常增大和负线损率状况。

(a)Ⅰ回线路负载200 MW且Ⅱ回线路负载4000 MW

上述分析说明了双回输电线路相序排列不同时，输电线路的线损差异明显，特别是在线路轻载的时候，会出现线损异常增大和负线损率的状况。

2.3 换位方式对架空输电线路线损的影响

双回架空输电线路架设不同换位塔，其输电线路的功率损耗不同，以本文研究的输电线路为例，假定输电线路架设2个换位塔，分别处于输电线路的1/3、2/3处。“方式0”表示为整条线路不设置换位塔，其他换位塔设置如图9所示，仿真分析不同情况下的输电线路线损状况，研究结果如图10所示。

(a)方式1

由图10(a)可知，当输电线路满载时5种方式下的线损相差不大。

由图10(b)可知，Ⅰ回线路带载200 MW，Ⅱ回线路带载4000 MW时，换位“方式1”和“方式2”相对与“方式0”，Ⅰ回输电线路的线损率略微增大，换位“方式3”下Ⅰ回线路出现负线损率，达到-5.13%。换位“方式4”下Ⅰ回线路线损增大明显，达到5.93%。

图10(c)可知，Ⅰ回线路带载4000 MW，Ⅱ回线路带载200 MW时，Ⅰ回线路线损率变化不大。

图10(d)可知，Ⅰ回、Ⅱ回线路带载20 MW时，换位“方式1”和“方式2” 相对与“方式0”，Ⅰ回线路的线损变化不大。但换位“方式3”下Ⅰ回线路出现了负线损率，达到-5.82%。换位“方式4”下Ⅰ回线路线损率增大明显，达到5.76%。

(a)Ⅰ回和Ⅱ回输电线路负载皆为4000 MW

上述分析表明了同塔双回输电线路在轻载时，换位“方式3”下将出现负线损率，换位“方式4”将出现线损异常增大的情况。

3 结论

为了分析1000 kV同塔双回输电线路的线损分布特性，利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP建立了线损仿真模型，发现线路出现负线损率和线损率异常增大的情况是发生在线路轻载时，具体结论如下。

a.对于同塔双回输电线路，线路线损率不仅与自身负载相关，还与另外一回线路负载相关。当双回输电线路为反向潮流时，轻载线路将出现负线损率，负线损值与自身线路负载呈正相关，与另一回线路负载呈负相关。

b.输电线路线损与相序排列相关，不同相序排列的输电线路线损差异明显。对于相序排列为“BCA-ABC”和“BAC-ABC”的双回输电线路，在“ABC” 相序的线路轻载时，将出现较高线损率；对于相序排列为“CBA-ABC”和“ACB-ABC”的双回输电线路，在“ABC”相序的线路轻载时将出现较大的负线损率。

c.双回输电线路线损受换位方式影响，对于轻载线路，采用“换位方式3”将出现负线损率，采用“换位方式4”将出现线损异常增大的情况。