一起电磁环网线路三相电流不平衡案例分析

伞晨峻，黄霆，陈汝昌

（云南电力调度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

云南电网实际运行过程中，500 kV大理变-500 kV德宏变500 kV/220 kV电磁环网保持开环运行方式，因方式变更需要在安排该电磁环网合环过程中，发现合环期间合环点220 kV保施Ⅱ回线存在较大三相电流不平衡率，相间偏差最大值与三相电流平均值的比值最大达29.74%，本文就上述电磁环网合环情况发生的输电线路三相不平衡案例展开研究。

1 三相电流不平衡概述

三相电流不平衡情况广泛存在于电力系统中,电流不平衡主要由于负荷不平衡和电气参数不平衡所引起。电力系统三相参数、负荷并非严格相同，如架空线的集合布置使每相对地电气参数不对称以及三相负荷不对称情况，都可能引起三相电流不平衡情况。严重的电流不平衡度情况可能造成巨大的危害[1-3]，如增加电网的线路损耗，导致发电机发热和振动、变压器磁通泄漏和局部过热，甚至引起保护装置误动。高电压等级线路发生三相电流不平衡情况已有众多文献[4-11]进行过研究，主要集中在同塔线路换相、相序布置方式等方面，而针对前言中电磁环网合环过程发现的三相电流不平衡情况却没有相关研究。

2 三相电流不平衡度计算方法选择

三相不平衡度的国标计算方法（GBb/T 14543-2008）[12]，包括三相电压零序不平衡度和三相电压负序不平衡度，分别为零序分量与正序分量的比值及负序分量与正序分量的比值。注：εU0表示三相电压零序不平衡度，εI2表示三相电压负序不平衡度，U0、U1、U2分别表示三相电压的零序分量、正序分量和负序分量。

参考三相不平衡度的IEEE std 936-1987计算方法，定义的电压不平衡度为流电压不平衡率（Phase to Phase Voltage Unbalance Rate,PVUR），PVUR等于三相相电压中的最大方均根电压与最小方均根电压的差值与平均相电压方均根值的比值：

参考三相不平衡度的IEEE std 112-1991计算方法，定义的电压不平衡度为相电压不平衡率（Phase to Phase Voltage Unbalance Rate,PVUR），PVUR等于三相相电压方均根值与三相相电压方均根值的平均值之差的最大值与三相相电压方均根值的平均值的比值：

调度SCADA系统的有功和无功量并不是分相的，电压和电流量的有效值虽是分相的，但没有相位角，不便于于相间不平衡量的分析。虽220 kV保山变布置了PMU装置，但部分相邻厂站未配置PMU装置，仅保山变布置PMU装置也无法进行三相不平衡问题溯源，故本文采用简化的有效值方法计算三相不平衡度，参考IEEE std 936-1987计算方法计算相电流不平衡率（Phase to Phase Current Unbalance Rate,PIUR）如下：

3 220 kV保施Ⅱ回线输电线路三相电流不平衡情况

正常方式下，500 kV大理变-500 kV德宏变500 kV/220 kV电磁环网保持开环运行方式（如图1），220 kV保施Ⅱ回线由220 kV施甸变冲空线运行，220 kV保施Ⅱ回线220 kV保山变侧断路器处热备用作为系统断点。为配合系统检修工作，2018年3月25日，计划安排方式变更，安排500 kV大理变-500 kV德宏变500 kV/220 kV电磁环网合环，故安排220 kV保施Ⅱ回线220 kV保山变侧断路器同期合环，合上该断路器后，发现220 kV保山变220 kV保施Ⅱ回线275断路器三相电流存在偏差。14时35分，三相电流差值达到最大（三相电流值为81.205 A、58.317 A、74.705 A），最大偏差电流为AB相、差值为21.239 A，三相电流不平衡率为29.74%。

图1 500 kV大理变-500 kV德宏变500 kV/220 kV电磁环网示意图

4 现场排查

1）现场设备检查方面，经对220 kV保山变、220 kV施甸变站内相关一、二次设备以及220 kV保施Ⅱ回线线路进行详细检查及测温，未发现异常。

2）自动化系统方面，经检查调度端主站、厂站端自动化系统和220 kV保山变、施甸变测控装置，并比对厂站端和调控端遥测、遥信信号，未发现异常。

3）保护分析方面，经现场检查保护装置无保护启动，220 kV保施Ⅱ回线零序启动电流二次定值为0.5 A，CT变比为1500:5，折算至一次值为150 A,经计算2018年3月25日14时35分220 kV保山变220 kV保施Ⅱ回线零序电流约为6.24 A，远低于保护启动值。

5 历史数据分析

通过对比表1、表2历史数据可知：①不同运行方式（如电磁环网断环方式下保施Ⅱ回线未作为断环点情况、电磁环网合环方式下保施Ⅱ回线作为合环点情况）、不同潮流情况下，不同时间点，不同设备三相电流均广泛存在不同程度的不平衡；②220 kV保施Ⅱ回线2018年3月25日14:35电磁环网合环后三相电流不平衡率也并非最大，如2017年10月28日21:00 220 kV保施Ⅱ回线作为末端供电线路时三相电流不平衡率达到过36%；③偏差出现最大相和最小相不固定，即在不同时间最大偏差会出现在不同相别间；④电流偏差值并没有随电流增大而增大；⑤线路电流与三相电流不平衡率大致呈反比关系。

表1 电磁环网合环方式下数据

表2 电磁环网断环方式下数据

因此可得到结论220 kV保施Ⅱ回线在电磁环网合环期间出现的三相电流不平衡并非由220 kV保施Ⅱ回线线路三相电气参数引起。同时经过检查电磁环网内其余线路潮流及220 kV保施Ⅱ回线两侧变电站相关线路、主变间隔潮流数据（表1），并未发现存在显著潮流不平衡问题，故需进一步探究线路轻载情况下保施Ⅱ回线三相电流不平衡率增大问题机理。

6 电流不平衡原因机理分析

以AB相偏差为例，根据(UI)2=S2=P2+Q2有：

由PMU调取数据可知相间电压幅值偏差微小，可认为相间电压无偏差，故有：

即相间电流幅值平方差可由相间有功、无功平方差共同决定。同时还可推出下式：

若令线路功角为φ，可作如下近似有：KP≈cosφ(UIavg)、KQ≈sinφ(UIavg)。随着线路潮流增大，有功将会逐渐增大，而无功将保持在一定范围，线路功率因数将趋近于1，KP数值上将保持在一定范围内，KQ将远小于KP，相间有功偏差主要影响三相电流偏差率，且其影响较为稳定；而线路轻载情况下，KQ同时将影响三相电流偏差率，相间无功偏差影响将提高。

根据2018年3月27日07:22及2018年3月25日14:35两个时间点220 kV保施Ⅱ回线情况可知，线路非轻载情况下（表3），KP远大于KQ，线路相间有功偏差对电流偏差占主导作用，且相间功率偏差不大，故偏差电流很小，此时即使相间无功偏差较大，对三相电流偏差率影响也很小。电磁环网合环需要控制合环点潮流，故220 kV保施Ⅱ回线线路轻载状态下（表4），KQ显著增大，相间无功功率偏差对相间电流偏差影响显著上升，使得三相电流偏差率增大。2018年3月25日14:35（表4）案例中各相电流虽有一定的偏差（22.88 A），尽管相间有功偏差和相见无功偏差都不大（分别为2.652 MW和2.488 MVar），但KQ显著增大后导致相间有功偏差和相见无功偏差贡献变得相当（67:33），有功影响叠加无功影响促使三相电流偏差率增大。

表3 220 kV保施Ⅱ回线信息（2018年3月27日 07:22）

表4 220 kV保施Ⅱ回线信息（2018年3月25日14:35）

7 结束语

500 kV大理变-500 kV德宏变500 kV/220 kV电磁环网由开环运行转合环运行方式过程中出现的合环点220 kV保施Ⅱ回线三相电流不平衡情况，通过现场设备检查及历史数据分析可知属正常范围偏差。本文通过数据分析及机理分析，认为电磁环网合环条件下合环点输电线路三相电流偏差率显著增大的原因是由于电磁环合环过程需控制合环点潮流，导致合环点220 kV保施Ⅱ回线线路轻载，从而导致线路的相间无功功率偏差对三相电流偏差率的影响显著升高所导致，不属于电网异常情况，不影响设备运行。