單雙回混合輸電線路電氣不平衡度影響因素分析

沈力，田開慶，曹陶爽，楊洪磊

(中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，昆明 650051)

0 前言

我國現已基本建成連接各大區域電網、大煤電基地、大水電基地和主要負荷中心的超/特高壓大電網［1］，為實現全國電網互聯，提升電網優化配置，仍需大力推進特/高壓電網、不斷新建超/特高壓輸電工程。但是，隨著土地資源的日益緊缺，輸電線路走廊也日益緊張。同塔雙回輸電線路因其具有輸送能力強、工程造價低、所需出線走廊窄、占地面積少、建設周期短等優點而在現代電網建設中得到了廣泛的應用［2］。但在以能源輸出為主的西南地區，大多同塔雙回輸電線路并非全線都是同塔架設的，在重冰區或者是輸電走廊開闊區域，為保證輸電線路供電可靠性，兩回輸電線路多采用單回路平行架設方式。

現已有的關于輸電線路電氣不平衡度的研究大多是針對全線同塔雙回架設線路或全線單回路架設情況［2－4］，鮮有文章針對同塔雙回路與兩條平行單回路混合架設的輸電線路進行深入分析。本文推導、分析并仿真驗證了單雙回混合架設輸電線路電氣不平衡度產生的原因。采用PSCAD/EMTDC 建立了單雙回混合輸電線路模型，仿真分析了混合輸電線路電氣不平衡度的變化規律，給出了超/特高壓單雙回輸電線路混合架設的相關建議，為今后混合輸電線路的設計提供一定的技術參考。

1 線路不平衡度分析

1.1 單回線路不平衡度理論分析

輸電線路主要有電阻、電抗、電導、電納四個參數，其中，造成輸電線路電氣不平衡的主要參數是電抗和電納。單回輸電線路模型如圖1所示。

圖1 單回路三相輸電線路模型

假設在線路阻抗上施加對稱電壓源，根據電路理論相模變換基本知識，當輸電線路對稱排列，即輸電線路采用正三角排列時，zAA=zBB=zCC=zs，zAB=zBC=zCA=zm，序阻抗矩陣Zsc為一對角線矩陣，如式(1)所示。

因為施加在三相阻抗上的電壓對稱，所以:

當三相輸電線路不對稱排列時，以水平排列為例說明，序電流的表達式為

由式(3)可以推導出單回路負序電感不平衡度的近似表達式為［5］

從上式中可看出，若不考慮系統阻抗，負序電感不平衡度隨線路長度的變化基本不變，但在考慮系統阻抗的情況下，負序電感不平衡度均隨線路長度的增加而增大。

同理，單回路負序電容不平衡度的近似表達式為［5］

從上式中可看出，負序電容不平衡度不隨線路長度的變化而變化。

1.2 同塔雙回線路不平衡度

與單回路分析方法相同，同塔雙回路負序電感不平衡度的近似表達式為［5］

由式(6)可以看出，同塔雙回輸電線路與單回路有相同的結論，在考慮系統阻抗的情況下，電氣不平衡度隨線路長度的增加而增大。但是，同塔雙回輸電線路電氣不平衡度的分析更加復雜，這是因為同塔雙回輸電線路不僅存在相間耦合，還存在線間耦合。

1.3 輸電線路換位原則的現狀

根據《110～750 kV 架空送電線路設計規程》(GB 50545－2010)規定:在中性點直接接地的電力網中，長度超過100 km 的線路均應換位，換位循環長度不宜大于200 km。規程僅是針對單回路做出了規定，對于同單雙回混合線路是否適用，有待進一步研究。本文將針對這一問題進行仿真分析計算。

2 單雙回混合線路不平衡度

2.1 不平衡度仿真模型

本文搭建單雙回混合輸電線路模型如圖2 所示，設首端運行電壓為525 kV，末端運行電壓為500 kV，兩端電源正序阻抗和負序阻抗相等，為Zm1=Zm2=Zn1=Zm2=j49.45Ω，送端和受端零序阻抗Zm0=Zn0=j46.53Ω。單雙回混合線路全長100 km，導線采用4×JL/G1A－400/50 鋼芯鋁絞線，分裂導線間距為400 mm，兩根地線采用JLB20AC－120 鋁包鋼絞線，土壤電阻率取300 Ω·m，線路采用貝杰龍模型。

圖2 單雙回混合輸電線路模型

2.2 單雙回混合線路不平衡度影響因素分析

2.2.1 不同相序排列下的不平衡度計算

同塔雙回輸電線路共有6 種排序方式，如表1 所示。

表1 同塔雙回輸電線路相序排列

同理，定義兩個單回同走廊輸電線路的排序方式，如表2 所示。

表2 兩個單回同走廊輸電線路的排序方式

如圖2 所示的單雙回混合輸電線路的排序方式共有216 種，這里雙回路部分采用同一種排序方式，且四種異相序排列中僅以異相序3 為例說明，保持系統參數和塔頭尺寸不變，單、雙回路部分分別為25 km 和75 km，不同排序方式下首端的電氣不平衡度計算結果，綜合考慮電壓不平衡度和電流不平衡度，對于單雙回混合輸電線路，本文優先推薦采用同－逆排列方式、其次推薦逆－逆排列方式。

2.2.2 線路分布對不平衡度影響

如圖2 所示的仿真模型，假設輸電線路總長度為100 km，其中，兩個單回路并行架設長度為25 km，同塔雙回路部分長度為75 km。單回路部分采用同相序排列，同塔雙回路部分采用逆相序排列，單、雙回線路不同分布情況下的電氣不平衡度計算結果可以看出，在相序排列方式且單、雙回路線路長度一定的情況下，混合線路的單雙回分布對電氣不平衡度基本沒有影響。

同樣，假設線路總長度為100 km，單回路部分采用同相序排列，同塔雙回路部分采用逆相序排列，單回路部分由0 km 增加至90 km 的電氣不平衡度可以看出，對于單、雙回混合線路，負序電壓不平衡度和負序電流不平衡度隨著單回路長度增加先減小后增大;零序電壓不平衡度和零序電流不平衡度隨著單回路長度增加而減小，如圖3 所示。

圖3 單回線路不同長度下的電氣不平衡度

綜合上述分析可以看出，對于本線路而言，單回路占30%～40%為宜。這里需要注意的是，對于其他混合線路，該結論會因塔頭尺寸、線路參數等的不同而略有不同。

2.2.3 線路長度對不平衡度影響

單回路部分采用同相序排列，同塔雙回路部分采用逆相序排列，單、雙回路線路長度各占總長度的一半，不同總長度下的電氣不平衡度數據可以看出，負序電壓不平衡度、負序電流不平衡度、零序電壓不平衡度和零序電流不平衡度都隨線路長度的增加而增大。

2.2.4 傳輸功率對不平衡度影響

對于單雙回混合線路，線路之間存在相間耦合和線間耦合，因此當線路輸送功率變化時，耦合強弱也不同，導致電氣不平衡度不同。假設線路總長度為100 km，其中兩個單回路并行架設25 km，同塔雙回路部分75 km。單回路部分采用同相序排列，同塔雙回路部分采用逆相序排列，不同傳輸功率下的電氣不平衡度同樣，單回路部分采用同相序排列，同塔雙回路部分采用同相序排列，由試驗數據可以看出，無論是在同－逆排列方式下，還是在同－同方列方式下，電壓不平衡度隨輸送功率的增大而增大;電流不平衡度雖然隨功率的增大而有所增大，但是增量不明顯。這是因為電壓不對稱是線路互感造成的，而電流不對稱是線路分布電容造成的，輸送功率的增大會加強線路間的磁耦合，而對靜電感應大小影響不大。

3 結束語

本文利用PSCAD/EMTP 軟件建立了單雙回混合輸電線路模型，對影響電氣不平衡度的主要因素:相序排列方式、單雙回線路分布、線路長度和傳輸功率等進行建模仿真，并利用Matlab 軟件進行計算分析，得出結論如下:

1)對于單雙回混合線路，采用同－同相序排列方式，電壓不平衡度最大，采用異－異相序排列方式，電壓不平衡度最小，但在同－異、異－異、逆－異相序排列方式下，電流不平衡度較大。綜合考慮電壓與電流不平衡度，在實際單雙回混合線路中，優先考慮同－逆排列方式或逆－逆排列方式。

2)單、雙回路線路長度一定的情況下，混合線路的單雙回分布對電氣不平衡度基本沒有影響。在總長度一定的情況下，負序電壓不平衡度和負序電流不平衡度隨著單回路長度增加先減小后增大;零序電壓不平衡度和零序電流不平衡度隨著單回路長度增加而減小，因此，對于實際混合線路，通過仿真分析可以找到一個合適的單雙回比例，使得電氣不平衡度最小。

3)負序電壓不平衡度、負序電流不平衡度、零序電壓不平衡度和零序電流不平衡度都隨線路長度的增加而增大。

4)無論是在同－逆排列方式下，還是在同－同方列方式下，電壓不平衡度隨輸送功率的增大而增大;電流不平衡度雖然隨功率的增大而有所增大，但是增量不明顯。

［1］劉振亞.特高壓交流輸電技術研究成果專輯(2008 年)［M］.北京:中國電力出版社.2009:1－13，159－165.

［2］林軍，曾煥巖.同桿雙回線換位方式的比較［J］.高電壓技術，2004，30 (8):11－16.

［3］胡丹暉，蔡漢生，涂彩琪，等.500 kV 同桿并架雙回線路電氣特性研究［J］.高電壓技術，2005，31 (4):21－23.

［4］鄒林，林福昌，龍兆芝，等.輸電線路不平衡度影響因素分析［J］.電網技術，2008，32 (增刊2):283－286.

［5］常文華，特高壓長距離輸電線路換位問題的研究:［碩士學位論文］，沈陽，天津大學，2009

［6］朱慶鋼，劉向前，同塔雙回不換位線路電壓不平衡度研究［J］.電力系統保護與控制，2014.42 (7):73－79

［7］王曄，1000kV 特高壓輸電線路不平衡度分析及換位方式的研究［J］.華北電力大學學報，2010.37 (5):38－42

［8］朱軍，吳廣寧，非全線并行架設的共用走廊高壓輸電線路電氣不平衡度及其影響因素分析［J］.高電壓技術，2014.40 (12):3939－3951