1000kV單回和同塔雙回混合線路電氣不平衡度分析

2012-02-08 05:47:50魏利民郭志濤王煒王輝王亮

電力建設 2012年7期

魏利民，郭志濤，王煒，王輝，王亮

(河北省電力勘測設計研究院，石家莊市 050031)

0 引言

在輸電線路中，由于線路三相自身參數不對稱以及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，導致電力系統中產生不對稱電流和電壓，從而對電力系統設備帶來諸多不利影響［1-3］。為確保電力系統的安全穩定，在長距離超高壓、特高壓輸電線路中，必須設計好導線的換位方式及換位距離［4-5］。

1 000kV錫盟—南京特高壓輸電線路工程全長2×1 404 km，是我國第1條1 000 kV特高壓同塔雙回和2條并行單回路混合架設的輸電線路。其中錫盟—北京東段長度約為355.8 km，同塔雙回路段長106.4 km，2條單回路段長249.4 km［6］。目前國內對500 kV等超高壓多回線路及1 000 kV特高壓單回線路和同塔雙回線路已經進行過研究［7-12］，但是對于2條并行單回路與同塔雙回路混合的輸電線路尚未進行深入分析。為此，本文以錫盟—北京東段線路為研究對象，利用電磁暫態分析程序(ATP-EMTP)計算研究混合線路的電氣不平衡度以及最佳換位點的選擇問題，為工程設計提供參考。

1 計算條件

1.1 計算參數

本工程的系統額定電壓為1 000 kV，系統最高運行電壓為1 100 kV;系統輸送功率為6 000 MW，事故時極限輸送功率為12 000 MW;功率因數為0. 95;導線型號為8×JL/G1A－630/ 45;地線型號為LBGJ－240－20AC;絕緣子串長為11 m;桿塔呼高為57 m;對地距離為22 m;導線弧垂為24 m，地線弧垂為17 m;土壤電阻率為500 Ω·m。

1.2 桿塔型式

本文采用工程中使用最多的塔頭尺寸作為計算條件，雙回路為導線垂直排列方式的傘型塔，單回路為導線水平排列的杯型塔，塔頭尺寸如圖1所示。

圖1 桿塔型式Fig.1Tower type

2 計算方法和模型

根據文獻［13］的規定，電力系統公共連接點，電網正常運行時，負序電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%。本文取2%和短時4%作為輸電線路電壓不平衡度限值。

根據文獻［14-15］可得負序電壓不平衡度εU2、負序電流縱向不平衡度Md2、回路間負序電流不平衡度Ml2為

式中:U1和U2分別為負荷端正序和負序電壓;分別為第1回路電源端正序和負序電流;分別為第2回路電源端正序和負序電流。

本文研究采用ATP-EMTP仿真分析程序和相序變換矩陣對架空輸電線路的不平衡度進行計算分析。按照一端供電的開式電力網絡計算模型建模，先假定線路送端功率、三相電壓對稱且不隨時間變化，再觀測線路電源端電流、線路受端電壓、電流的不對稱量，等效負載阻抗值則根據傳輸功率、傳輸電壓和功率因數來計算。

在ATP-EMTP中建立同塔雙回和2條并行單回混合線路的不平衡度計算分析模型，如圖2所示。

圖2 ATP-EMTP中的同塔雙回和2條并行單回混合線路分析模型Fig.2Analysis model of double-circuit on the same tower and the two parallel single-circuit mixed-lines in ATP-EMTP

圖2中三相電源為1 000 kV對稱電壓源，同塔雙回和2條并行單回線路均按1個LCC建模［16］，其中2條并行單回線路塔中心距取80 m，負載用三相對稱負載代替。

3 不換位線路不平衡度的計算與分析

3.1 2條并行單回和同塔雙回線路的相序排列方式的不平衡度計算

2條并行單回路和同塔雙回路的相序排列方式共計8種，如表1所示。

保持計算用系統參數和塔頭尺寸不變，2種架設方式下線路總長度均為200 km，不同相序排列方式的電氣不平衡度計算結果見表2。

對于2條并行單回路，其他相序排列方式負序電壓不平衡度最小，其次為異相序排列方式，逆相序最差;對于同塔雙回路，異相序排列方式負序電壓不平衡度最小，其次為逆相序排列方式，同相序最差。

表1 2條并行單回和同塔雙回線路相序排列方式Tab.1Phase sequence arrangement of two parallel single-circuit and double-circuit on the same tower

根據計算結果可知，同塔雙回路異相序1與2的結果一樣，因此可以僅計算P3/異相序 1;而對其他相序1、2以及1回停運懸空或接地，則分別計算P6/其他相序2及1回停運懸空。

表21 000 kV線路不同相序排列方式的電氣不平衡度Tab.2Electric unbalance degree of 1 000 kV line with different phase sequence arrangement

3.2 混合線路單雙回路分布對不平衡度的影響

線路總長取200 km，其中單回100 km、同塔雙回100 km，劃分的6種線路長度分布方式如表3所示。在并行單回路按P1排列，同塔雙回路按P2排列不變的前提下分別計算單雙回混合線路的電氣不平衡度。

表3 單雙回混合線路的電氣不平衡度Tab.3Electric unbalance degree of single-circuit and double-circuit mixed-lines

由計算結果可知，當單雙回線路的排列方式一定時，混合線路的單雙回分布對不平衡度幾乎沒有影響，可以忽略。

3.3 錫盟—北京東不換位線路不平衡度的計算與分析

錫盟—北京東線路長度為355.8 km，依次為2× 249.4 km單回、106.4 km雙回，單回路部分占70%。按照實際長度、單回和雙回分布、運行電壓為1 000 kV、輸送功率為6 000 MW，計算得出不同相序排列方式、運行方式下的不平衡度見表4、5。

由表4可以看出，雙回路段導線排列方式對線路不平衡度的影響較大。同相序排列方式的不平衡度最大，逆相序排列方式次之，異相序排列方式最好。錫盟—北京東段線路采用逆相序、同相序和異相序等排列方式在不換位情況下的負序電壓不平衡度均大于2%的限值要求，因此需要考慮對線路進行合理換位。

由表5可知，不論是同相序還是逆相序，混合線路的負序不平衡度小于其雙回和單回線路單獨作用時引起的不平衡度之和。這是因為不平衡度受相間互阻抗和互容抗的影響，而互阻抗和互容抗直接由相間距離決定，對雙回路上相和下相距離而言，單回路的相間距離有所減少，使互阻抗差異趨于變小，即在混合段中單回路起抵消作用，使全線的不平衡度有所降低。

4 換位后不平衡度的計算與分析

根據表5計算結果可知，單回路單獨引起的不平衡度已經超過限值，因此必須換位。

由于錫盟—北京東線路大部分為2個單回，可以考慮只在單回進行1個全換位，換位點位于線路全長的1/3和2/3處，或者在單回部分和雙回部分進行1次全換位，計算結果見表6。

由表6可知，單回路進行1次整循環換位后，雙回路段逆向序排列換位和不換位時，都滿足限值要求，并且1回停運、單回運行、輸送功率為12 000 MW時，負序電壓不平衡度的值為2.18%，小于4%的限值要求。

表6 錫盟—北京東線路單回長1/3處換位后電氣不平衡度Tab.6Electric unbalance degree in Ximeng-Beijing East line after the transposition at 1/3 length of single-circuit

根據表6的計算結果，如果同塔雙回路段也經過1個整循環換位，則線路的不平衡度指標更優，考慮到在單回路段做1次整循環換位已能使不平衡度降低到限值以內，因此推薦錫盟—北京東線路只在單回路段進行1次整循環換位。

以往的換位研究大多針對全線都是單回或者雙回的線路，但是對于單雙回路混合的線路，最佳換位點將不在線路全長的1/3和2/3處。

由于本段線路單雙回分布不均勻，從電氣不平衡度計算結果來看，最佳換位點不在單回線路長的1/3處，具體計算結果見表7。

表7 錫盟—北京東線路移動換位點后的電氣不平衡度Tab.7Electric unbalance degree in Ximeng-Beijing East line after movement transposition point

由表7計算結果可知，最優值不是單回路1/3處，而是在63.14 km處，此時負序電流不平衡度和環流不平衡度都較小。

錫盟—北京東線路只在單回路段進行1次整循環換位，換位后電壓、電流不平衡度顯著降低，同時2條回路間的環流也明顯減小。建議錫盟—北京東段在單回路段進行1次全換位(雙回段逆向序排列不換位)，2基換位塔分別位于63.14、103.13 km處。

錫盟—北京東線路換位如圖3所示。

圖3 錫盟—北京東線路推薦換位方式相序布置Fig.3Phase sequence diagram in Ximeng-Beijing East section with recommended transposition way

5 結論

(1)對于2條并行單回路，其他相序排列方式負序電壓不平衡度最小，其次為異相序排列方式，逆相序最差;對于同塔雙回路，異相序排列方式負序電壓不平衡度最小，其次為逆相序排列方式，同相序最差。

(2)當單雙回線路的排列方式一定時，混合線路的單雙回分布對不平衡度幾乎沒有影響，可以忽略。同時對單雙回混合線路的負序電壓不平衡度小于其雙回和單回單獨作用引起的不平衡度之和，即混合線路的不平衡度有所降低。

(3)錫盟—北京東線路在單回路部分進行1次整循環換位后，在雙回段逆相序不換位與換位時負序電壓不平衡度分別為0.44%、0.24%，均小于2%的限值，為了運行安全和減少換位點，推薦采用在單回路段進行1次整循環換位、雙回路段不換位方式。

(4)對于單雙回路混合的線路，最佳換位點不在線路全長的1/3和2/3處，錫盟—北京東線路在雙回路段不換位時單回路最佳換位點在63.14、103.13、83.13 km處，此時負序電壓不平衡度為0.18%。建議錫盟—北京東線路在單回路段進行1次全換位(雙回段逆向序排列不換位)，2基換位塔分別位于63.14、103.13 km處。

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