1000kV同塔雙回線路電氣不平衡度計算及換位研究

唐焱,陳根

摘 要：以1 000 kV淮南—南京—上海特高壓輸變電工程為例，利用EMTP計算、研究線路不平衡度。當特高壓同塔雙回線路長度超過130 km時，需要換位；當導線采用逆相序的排列方式時，其不平衡度最小。推薦南京—泰州段線路進行一次全換位，這樣可以滿足線路不平衡度的要求。

關鍵詞：1 000 kV同塔雙回線路；電氣不平衡度；換位；EMTP

中圖分類號：TM752 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）21-0001-03

電氣不平衡度是衡量輸電線路性能和電能質量的主要指標之一。在輸電線路中，鑒于線路三相自身參數不對稱和雙回路之間的電磁耦合關系，在線路正常運行時，每相導線的阻抗和導納并不相等，導致電力系統中出現了不對稱電流和不對稱電壓。當電氣不平衡度超過允許水平時，就會給電力設備造成諸多不利的影響。

淮南—南京—上海特高壓交流輸變電工程線路起點為淮南變電站，途經南京變電站、泰州變電站、蘇州變電站，止于上海（滬西）變電站。線路全長約779.5 km（含淮河大跨越2.61 km、長江大跨越6.21 km），途經安徽、江蘇和上海3個省市。

針對南京—泰州段同塔雙回線路，利用EMTP計算、分析其電氣不平衡度，提出了推薦使用的換位長度和換位方式。

1 計算條件

該工程的額定電壓為1 000 kV，輸送容量為6 500 MVA，功率因數為0.95.導線采用8×LGJ-630/45，一根地線采用鋁包鋼絞線LBGJ-240-20AC，另一根采用36芯OPGW，導線弧垂24 m，地線弧垂17 m。桿塔選取的是使用較多的Ⅲ型雙回路直線塔SZ302，塔頭尺寸如圖1所示，呼高取57 m，導線懸垂串長為10.5 m。

圖1 SZ302桿塔塔頭尺寸

2 計算方法

根據國家標準規定公式計算零序電壓不平衡度εU0和負序電壓不平衡度εU2，計算公式為：

. （1）

. （2）

式（1）（2）中：V0——負荷端零序電壓；

V1——負荷端正序電壓；

V2——負荷端負序電壓。

本文采用國際上通用的電力系統分析軟件ATP-EMTP計算、分析架空輸電線路的電氣不平衡度。根據塔頭尺寸、導線掛點位置建立線路的π型等值模型，根據傳輸功率、傳輸電壓和功率因數計算等效負載阻抗值。

在ATP-EMTP中建立同塔雙回線路電氣不平衡度的計算分析模型，如圖2所示。

圖2 EMTP中的同塔雙回線路分析模型

3 確定換位長度限值

1 000 kV錫盟—南京特高壓工程已有的研究成果表明，當線路輸送功率為6 000 MVA時，120 km單回和兩條并行單回線路的負序電壓不平衡度大約為1.8%. 以1.8%作為控制條件計算相應的同塔雙回線路逆向序排列時，等效長度為300～330 km。考慮到雙回線路存在單回運行這一工況，300 km線路單回事故運行時的負序電壓不平衡度為6.86%，已經超過短時允許限值的4%. 當140 km線路單回事故運行時，負序電壓不平衡度為4.15%，略大于短時限值的要求。根據插值法，推算出4%限值對應雙回線路的長度為134 km（河北院）。140 km線路單回事故運行時，負序電壓不平衡度為3.56%，短時事故4%限值對應的雙回線路長度為145 km（西北院）。

該工程的輸送容量為6 500 MVA，塔頭尺寸也有差別，因此，需要重新計算、研究換位長度限值。以同塔雙回線路正常運行時不超過2%、事故單回運行時不超過4%作為輸電線路負序電壓不平衡度的限值，計算分析如下。

3.1 正常運行方式

在同塔雙回線路都正常運行的情況下，保持計算用系統參數和塔頭尺寸不變，改變線路的長度，計算該工程同塔雙回線路的不平衡度。其中，雙回同相序、異相序、逆相序的計算結果分別見表1、表2和表3.

表1 同塔雙回線路在正常運行、同相序方式下不平衡度的計算結果

線路長度/km 正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平

衡度/% 零序不平

衡度/%

50 788 170-j653 010 -11 311-j739 316+j3 510 1.43 0.45

100 754 440-j121 430 -20 641+j2 461 1 914+j5 073 2.72 0.71

150 717 660-j168 550 -28 139+j7 214 3 279+j5 208 3.94 0.83

200 679 490-j208 480 -33 240+j13 161 4 200+j5 116 5.03 0.93

250 641 670-j240 820 -36 137+j19 602 4 852+j5 067 6.00 1.02

300 605 060-j266 960 -37 387+j26 502 5 863+j5 233 6.93 1.19

表2 同塔雙回線路在正常運行、異相序方式下不平衡度的計算結果

線路長度/km 正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平

衡度/% 零序不平

衡度/%

50 78 7870-j57 185 -6 018+j2 655 168+j1 862 0.83 0.24

100 756 150-j106 570 -10 426+j6 508 134+j2 664 1.61 0.35

150 722 860-j148 800 -13 238+j10 844 165+j3 459 2.32 0.47

200 689 240-j184 580 -14 655+j15 210 421+j4 200 2.96 0.59

250 656 030-j190 570 -14 711+j19 497 799+j5 080 3.54 0.74

300 623 920-j240 870 -14 018+j23 244 1 394+j5 638 4.06 0.87

表3 同塔雙回線路在正常運行、逆相序方式下不平衡度的計算結果

線路長度/km 正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平衡度/% 零序不平衡度/%

50 791 990-j580 240 -3 010-j231 477+j3 467 0.38 0.44

100 763 480-j109 590 -5 969+j313 2 413+j3 828 0.78 0.59

150 732 320-j154 810 -7 924+j1 644 3 368+j3 775 1.08 0.68

200 700 050-j192 880 -9 556+j3 309 4 211+j3 423 1.39 0.77

250 667 050-j226 710 -10 818+j5 173 4 994+j2 857 1.70 0.82

300 634 720-j254 670 -11 460+j7 136 5 544+j2 366 1.97 0.88

根據表1、表2和表3的計算結果，對表中的數據作處理，負序不平衡度與線路長度的關系如圖3所示。

圖3 負序不平衡度與線路長度的關系

由圖3可知，隨著線路長度的增加，負序和零序不平衡度逐漸增大。在架設同塔雙回線路時，同相序排列時的不平衡度最大，異相序次之，逆相序時最小，因此，推薦同塔雙回線路采用逆相序的排列方式。以2%為負序不平衡度控制條件，通過差值計算可得，同塔雙回線路逆相序排列下對應的線路長度為309 km。

3.2 事故單回運行方式

在事故單回運行方式下，無同相序、異相序、逆相序的概念和不平衡度的計算結果計如表4所示。

表4 同塔雙回線路在事故單回運行方式下不平衡度的計算結果

線路長度/km 正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平衡度/% 零序不平衡度/%

50 756 620-j113 820 -14 282+j1 307 649+j4 260 1.87 0.56

100 681 500-j194 720 -23 026+j8 249 2 336+j4 459 3.45 0.71

150 604 730-j247 020 -26 238+j16 754 3 387+j4 118 4.77 0.82

200 533 540-j278 250 -25553+j24 064 3 973+j3 601 5.83 0.89

250 470 780-j294 920 -22654+j29 483 4 293+j3 179 6.69 0.96

300 416 880-j301 970 -19 086+j33 060 4 574+j2 596 7.42 1.02

從表4中的數據中可知，以4%為負序不平衡度的控制條件，通過差值計算可得，同塔雙回線路在事故單回運行方式下對應線路的長度為130 km。

4 換位前后不平衡度計算

以該工程——南京—泰州段157.5 km線路為例，全線同塔雙回設計的輸送功率為6 500 MVA，根據圖1所示的塔頭尺寸計算線路的不平衡度，分析其換位效果。

4.1 換位前不平衡度計算

當不換位時，利用EMTP計算負載側三相電壓，并結合MATLAB計算得出，同塔雙回線路在正常的運行方式下、不同相序排列的不平衡度計算結果如表5所示。

表5 同塔雙回線路正常運行、不同相序排列形式下的不平衡度計算結果

排列

方式 正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平衡度/% 零序不平衡度/%

同相序 711 970-j175 100 -28 667+j7 865 3 183+j5 130 4.08 0.82

異相序 717 800-j154 610 -13 454+j11 525 123+j3 626 2.41 0.49

逆相序 727 610-j160 540 -8 295+j1 885 3 598+j3 707 1.14 0.69

同塔雙回線路在事故單回運行方式下，不平衡度的計算與相序排列方式無關。當不換位時，不平衡度計算結果如表6所示。

表6 同塔雙回線路在事故單回運行方式下的不平衡度計算結果

正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平衡度/% 零序不平衡度/%

593 590-j252 870 -26 339+j17 951 3 495+j4 038 4.94 0.83

由表5和表6中的數據可知：①在不換位、正常運行的方式下，同相序、異相序、逆相序負序不平衡度分別為4.08%，2.41%和1.14%，只有在逆相序排列方式下可以滿足不平衡度小于2%的要求；②在不換位、事故單回運行的方式下，負序不平衡度為4.49%，超過了短時限值4%，不能滿足其要求，需要考慮合理換位。

4.2 換位方案

根據以往工程的計算經驗，3基換位塔實現整循環換位和2基換位塔加終端塔實現整循環換位線路的不平衡度相近，而且采用2基換位塔實現全循環換位，減少了1基換位塔，可以提高線路運行的可靠度，同時還能降低線路的造價。本文兩基換位塔實現全循環換位，如圖4所示，因此，以2個換位塔加終端塔實現整循環的換位方式進行計算。

圖4 換位方式圖

4.3 換位后不平衡度計算

換位后，計算同塔雙回線路在正常運行方式下，不同相序排列的不平衡度，計算結果見表7.

表7 同塔雙回線路在正常運行、不同相序排列形式下的不平衡度計算結果

排列

方式 正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平衡度/% 零序不平衡度/%

同相序 712 240-j176 660 546+j1 002 319+j644 0.16 0.10

異相序 717 340-j155 350 562+j454 359+j230 0.10 0.06

逆相序 727 500-j160 880 161+j331 507+j136 0.05 0.07

換位后，計算同塔雙回線路在事故單回運行方式下的不平衡度，計算結果見表8.

表8 同塔雙回線路在事故單回運行方式下的不平衡度計算結果

正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平衡度/% 零序不平衡度/%

592 870-j254 720 513+j423 157+j221 0.10 0.04

由表7和表8中的數據可知：①采取換位后，在正常運行方式下，同相序、異相序、逆相序負序的不平衡度分別為0.16%，0.10%和0.05%，相比換位前分別降低了96.1%，95.9%和95.6%；②采取換位后，在事故單回運行方式下，負序不平衡度下降到0.04%，相比換位前降低了99.1%；③采用兩基換位塔加終端塔實現全換位，換位后的不平衡度顯著降低。

5 結論

綜合文中的計算、分析，得出如下結論：①同塔雙回路線路導線同相序排列時，負序不平衡度值最大，異相序次之，逆相序時最小，因此，推薦采用逆相序的排列方式。②綜合分析正常運行和事故單回運行兩種方式，建議該工程換位長度限制值取為130 km。③計算南京—泰州段線路換位前后的不平衡度，換位后，不平衡度顯著降低。在逆相序時正常運行、事故單回運行方式下，不平衡度分別從1.14%和4.49%降為0.05%和0.04%，換位效果良好。

參考文獻

[1]國家電力公司東北電力設計院.電力工程高壓送電線路手冊[M].第二版.北京：中國電力出版社，2002.

[2]電力科學研究院，機械標準化研究所，華北電力學院，等.GB/T 15543—1995 電能質量三相電壓允許不平衡度[S].北京：中國標準出版社，1995.

[3]Dommel H W.電力系統電磁暫態計算理論[M].北京：水利電力出版社，1991.

[4]韋剛，張子陽，房正良，等.多回輸電線路并架的不平衡度分析[J].高電壓技術，2005，31（4）：9-11.

[5]李建，謝幫華，文武，等.750 kV同塔雙回輸電線路電氣不平衡度及換位研究[J].電力建設，2007，28（6）：27-31.

[6]中國電力工程顧問集團公司，國家電網公司.GB 50665—2011 1 000 kV架空輸電線路設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

〔編輯：白潔〕

Study on Electric Imbalance and Transposition of 1000 kV 1-Tower Double-Circuit Transmission Line

Tang Yan， Chen Gen

Abstract： Taking the 1000kV double-ciruit transmission line on the same tower from Huainan to Nanjin to Shanghai for example， by means of EMTP the electric unbalance degree of the transmission line under various operation condition is simulated and calculated. Put forward the ultra-high voltage double-ciruit transmission line reached over 130 km need transposition. The electric unbalance degree can reduced to a minimum by using negative phase sequence arrangement of conductors. For the transmission line from Nanjin to Taizhou of this project， it is recommended to adopt one full transposition to meet the demand of unbalance degree.

Key words： 1 000 kV 1-tower double-circuit lines； electrical imbalance； transposition； EMTP

圖4 換位方式圖

4.3 換位后不平衡度計算

換位后，計算同塔雙回線路在正常運行方式下，不同相序排列的不平衡度，計算結果見表7.

表7 同塔雙回線路在正常運行、不同相序排列形式下的不平衡度計算結果

排列

方式 正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平衡度/% 零序不平衡度/%

同相序 712 240-j176 660 546+j1 002 319+j644 0.16 0.10

異相序 717 340-j155 350 562+j454 359+j230 0.10 0.06

逆相序 727 500-j160 880 161+j331 507+j136 0.05 0.07

換位后，計算同塔雙回線路在事故單回運行方式下的不平衡度，計算結果見表8.

表8 同塔雙回線路在事故單回運行方式下的不平衡度計算結果

正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平衡度/% 零序不平衡度/%

592 870-j254 720 513+j423 157+j221 0.10 0.04

由表7和表8中的數據可知：①采取換位后，在正常運行方式下，同相序、異相序、逆相序負序的不平衡度分別為0.16%，0.10%和0.05%，相比換位前分別降低了96.1%，95.9%和95.6%；②采取換位后，在事故單回運行方式下，負序不平衡度下降到0.04%，相比換位前降低了99.1%；③采用兩基換位塔加終端塔實現全換位，換位后的不平衡度顯著降低。

5 結論

綜合文中的計算、分析，得出如下結論：①同塔雙回路線路導線同相序排列時，負序不平衡度值最大，異相序次之，逆相序時最小，因此，推薦采用逆相序的排列方式。②綜合分析正常運行和事故單回運行兩種方式，建議該工程換位長度限制值取為130 km。③計算南京—泰州段線路換位前后的不平衡度，換位后，不平衡度顯著降低。在逆相序時正常運行、事故單回運行方式下，不平衡度分別從1.14%和4.49%降為0.05%和0.04%，換位效果良好。

參考文獻

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[5]李建，謝幫華，文武，等.750 kV同塔雙回輸電線路電氣不平衡度及換位研究[J].電力建設，2007，28（6）：27-31.

[6]中國電力工程顧問集團公司，國家電網公司.GB 50665—2011 1 000 kV架空輸電線路設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

〔編輯：白潔〕

Study on Electric Imbalance and Transposition of 1000 kV 1-Tower Double-Circuit Transmission Line

Tang Yan， Chen Gen

Abstract： Taking the 1000kV double-ciruit transmission line on the same tower from Huainan to Nanjin to Shanghai for example， by means of EMTP the electric unbalance degree of the transmission line under various operation condition is simulated and calculated. Put forward the ultra-high voltage double-ciruit transmission line reached over 130 km need transposition. The electric unbalance degree can reduced to a minimum by using negative phase sequence arrangement of conductors. For the transmission line from Nanjin to Taizhou of this project， it is recommended to adopt one full transposition to meet the demand of unbalance degree.

Key words： 1 000 kV 1-tower double-circuit lines； electrical imbalance； transposition； EMTP

圖4 換位方式圖

4.3 換位后不平衡度計算

換位后，計算同塔雙回線路在正常運行方式下，不同相序排列的不平衡度，計算結果見表7.

表7 同塔雙回線路在正常運行、不同相序排列形式下的不平衡度計算結果

排列

方式 正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平衡度/% 零序不平衡度/%

同相序 712 240-j176 660 546+j1 002 319+j644 0.16 0.10

異相序 717 340-j155 350 562+j454 359+j230 0.10 0.06

逆相序 727 500-j160 880 161+j331 507+j136 0.05 0.07

換位后，計算同塔雙回線路在事故單回運行方式下的不平衡度，計算結果見表8.

表8 同塔雙回線路在事故單回運行方式下的不平衡度計算結果

正序電壓/kV 負序電壓/kV 零序電壓/kV 負序不平衡度/% 零序不平衡度/%

592 870-j254 720 513+j423 157+j221 0.10 0.04

由表7和表8中的數據可知：①采取換位后，在正常運行方式下，同相序、異相序、逆相序負序的不平衡度分別為0.16%，0.10%和0.05%，相比換位前分別降低了96.1%，95.9%和95.6%；②采取換位后，在事故單回運行方式下，負序不平衡度下降到0.04%，相比換位前降低了99.1%；③采用兩基換位塔加終端塔實現全換位，換位后的不平衡度顯著降低。

5 結論

綜合文中的計算、分析，得出如下結論：①同塔雙回路線路導線同相序排列時，負序不平衡度值最大，異相序次之，逆相序時最小，因此，推薦采用逆相序的排列方式。②綜合分析正常運行和事故單回運行兩種方式，建議該工程換位長度限制值取為130 km。③計算南京—泰州段線路換位前后的不平衡度，換位后，不平衡度顯著降低。在逆相序時正常運行、事故單回運行方式下，不平衡度分別從1.14%和4.49%降為0.05%和0.04%，換位效果良好。

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[6]中國電力工程顧問集團公司，國家電網公司.GB 50665—2011 1 000 kV架空輸電線路設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

〔編輯：白潔〕

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Tang Yan， Chen Gen

Abstract： Taking the 1000kV double-ciruit transmission line on the same tower from Huainan to Nanjin to Shanghai for example， by means of EMTP the electric unbalance degree of the transmission line under various operation condition is simulated and calculated. Put forward the ultra-high voltage double-ciruit transmission line reached over 130 km need transposition. The electric unbalance degree can reduced to a minimum by using negative phase sequence arrangement of conductors. For the transmission line from Nanjin to Taizhou of this project， it is recommended to adopt one full transposition to meet the demand of unbalance degree.

Key words： 1 000 kV 1-tower double-circuit lines； electrical imbalance； transposition； EMTP