特高壓交流輸電線路電氣不平衡度及換位研究

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

輸電線路的不平衡度是衡量電力質量的重要參數，架空輸電線路在線路正常運行時，各相導線都具有不同的線路參數，比如導納、阻抗。這種參數上的不對等引起了輸電線路中電流和電壓的不對稱，通常用電壓、電流的不平衡度來衡量。當系統不平衡度超過限值時，回路中連接的電氣設備就會受到影響，甚至影響線路正常運行[1]。

輸電線路中，不平衡度的大小主要取決于導線相間的耦合程度，即導線電壓、導線電流的負序、零序、正序分量之間的耦合程度。這個耦合程度與導線的空間相對方位有著直接的關系。進行導線不同相之間的換位，改變相間的空間相對方位，使三相導線在整個線路長度上的空間位置趨于對稱，是當前解決長距離特高壓輸電線路電力系統不平衡度的常用方法。在超高壓輸電線路中，可以通過調整導線的換位方式和換位點，來保證線路長度較長時輸電線路電力質量的穩定[2]。

武漢—南昌—長沙1000 kV特高壓交流輸電線路工程全線路徑總長度為750.5 km，武漢—南昌段長405.3 km，南昌—長沙段長345.2 km。采用電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP，對該線路不平衡度進行仿真計算，對不平衡度的影響因素進行討論分析，并對換位方式進行研究，推薦合理的換位方式。

1 計算模型

所建電力線路模型采用三相電壓源供電，另一端采用三相等效負載，保持模型輸送的功率、電壓以及功率因數與額定值相當。

1.1 架空線路模型

架空線路用π型等值電路來模擬，其結構如圖1所示。采用EMTP的LINE CONSTANT子程序，根據架空線路空間方位及參數，采用Carson模型進行仿真計算。

圖1 三相輸電線路π型等值電路

按照1000 kV輸電線路桿塔結構，在ATP中建立三相架空線路模型，其結構如圖2所示。

圖2 線路模型

圖3 線路分析模型

1.2 線路分析模型及計算方法

基于架空線路模型，在ATP-EMPT中建立三相架空線路不平衡度分析模型。

線路模型三相電源電壓為1000 kV，架空線路模型分為多個小節，每節采用p型等值電路進行仿真計算。得到線路模型負載端的電壓電流波形，利用相-序變換矩陣求解正、負序分量[3]，對于電壓有：

式中，a=e120。根據標準規定公式計算εU及電流不平衡度εI，由于分析中采用對稱負載，因此只需計算εU[4]。

1.3 其他計算參數

武漢—南昌—長沙1000 kV特高壓交流輸電線路工程最高運行電壓是1100 kV；輸送功率是5000 MW；功率因數為0.95。工程所用到的導地線參數如表1所示。

表1 導地線參數

2 線路不平衡度分析

2.1 線路長度對不平衡度的影響分析

使用線路分析模型在ATP-EMPT軟件進行仿真計算，線路三相電壓與電流波形如圖4、圖5所示，不平衡度計算結果如表2所示。

由表2可知，線路不平衡度隨著線路長度的增加而增大。武漢—南昌段與南昌—長沙段的不平衡度差距較大的原因是兩段線路的單回路比例不一樣，武漢—南昌段單回長度占2.1%，南昌—長沙段單回長度占19.7%。同時也可以看出武漢—南昌段在長度為220 km時不平衡度就超過了2%的限值要求；南昌—長沙段在長度為140 km時不平衡度就超過了2%的限值要求。

圖4 電壓波形

圖5 電流波形

表2 線路不平衡度

2.2 導線對地高度

采用工程給定的系統參數以及桿塔數據，對武南段400 km不同桿塔呼高下的不平衡度進行仿真計算，結果如表3所示。

表3 導線對地高度對不平衡度的影響

從表3可知，輸電線路不平衡度受到導線對地高度的影響微小，在實際工程中可以不計。

2.3 相序對不平衡度的影響

武漢—南昌—長沙工程中同塔雙回全部采用逆相序，為研究相序對不平衡度的影響，用相同的系統參數計算同塔雙回線路不同相序情況下，線路的不平衡度，計算結果如表4所示。

表4 不同相序下線路不平衡度

上述結果表明，導線同相序排列時，雙回輸電線路的不平衡度最高，導線異相序排列時線路的不平衡度較低，逆相序排列時不平衡度最低。

對同相序排列線路，超過100 km需要換位；對于采用異相序排列方式的線路，超過160 km需要換位；對于逆相序排列方式的線路，超過220 km需要換位。

同塔雙回線路間存在電場和磁場耦合，兩回路間相互干擾，同相序運行方式下，兩回路間的干擾是相互加強的，由此引起不平衡度增加；而在逆相序和異相序排列方式下，兩回間的干擾是相互削弱的，雙回線路的不平衡度減小。

2.4 土壤電阻率對不平衡度的影響

武漢—南昌—長沙1000 kV特高壓交流輸電線路工程跨越3省9市，地理位置跨度大，地質不同，需研究土壤電阻率對不平衡度的影響。

針對400 km長的同塔雙回及單回線路，建立仿真模型，計算了不同土壤電阻率的情況下線路的不平衡度，計算結果見表5。

表5 不同土壤電阻率下線路不平衡度

由表5可知，土壤電阻率對輸電線路不平衡度的影響很小，可以忽略不計。

3 全換位后線路不平衡度分析

3.1 全換位后線路不平衡度

圖6為線路換位示意圖，換位后達到首端和末端相序一致，每種相序排列各占1/3的線路長度，構成一個整循環，稱為一個全換位[5-6]。

圖6 線路一個全換位

利用EMTP的換位元件，在EMTP電磁暫態計算程序中，一個輸電線路全換位的模型示于圖7。

圖7 EMTP中一個全換位計算

使用此模型計算線路不平衡度，圖8、圖9為一個全換位后線路負載的電壓、電流波形，表6為不平衡度的計算結果。

表6 一次全換位后線路各段不平衡度

圖8 一次全換位后線路電壓波形

圖9 一次全換位后線路電流波形

從表6中可以看出，經過一次全換位后，線路電壓不平衡度顯著減小。按照國家標準GB/T 15543-2008《電能質量三相電壓允許不平衡度》的要求[7]，對垂直排列線路，一次全換位能滿足電壓不平衡度要求的長度遠大于400 km。

按照武漢—南昌和南昌—長沙兩段分別進行一次和兩次全換位后線路不平衡度如表7所示。

表7 全換位后不平衡度

從表7可看出武漢—南昌—長沙1000 kV線路進行一次全循環換位后，線路不平衡度小于2%的限值，滿足要求。

3.2 不同長度線路全換位后不平衡度

為研究一次全換位后線路長度對不平衡度的影響，保持計算用系統參數和塔頭尺寸不變，分別針對同塔雙回及單回線路，按照圖7所示換位方式，建立仿真模型，計算了不同線路長度的情況下線路的不平衡度，計算結果見表8。

表8 換位后線路長度對不平衡度的影響

由表8可知，按照實際工程的塔頭及系統參數，一次全換位后線路不平衡度能滿足限值要求的長度大于1000 km。使用多項式擬合可知，同塔雙回路不平衡度達到2%限值時的長度約為2700 km，單回線路達到2%限值時的長度約為1600 km。

4 結 語

綜合前面的計算、分析和研究，主要結論如下：

1)導線對地距離對線路不平衡度幾乎沒有影響。隨著水平線間距離的減小，不平衡度有所減小，隨著垂直線間距離增大，不平衡度有所減小。

2)運行電壓、輸送功率和線路不平衡度的關系：在運行電壓一定的情況下，不平衡度隨輸送功率的增大而增大；在輸送功率一定的情況下，不平衡度隨運行電壓的升高而減小。

3)同塔雙回路的不平衡度高于單回路。

4)導線同相序排列時，雙回輸電線路的不平衡度最高，導線異相序排列時線路的不平衡度較低逆相序排列時不平衡度最低。對同相序排列線路，超過100 km需要換位；對于采用異相序排列方式的線路，超過160 km需要換位；對于逆相序排列方式的線路，超過220 km需要換位。

5)按照所研究的實際工程的塔頭及系統參數，一次全換位后線路不平衡度能滿足限值要求的長度大于1000 km。使用多項式擬合可知，同塔雙回路不平衡度達到2%限值時的長度約為2700 km，單回線路達到2%限值時的長度約為1600 km。