區域220kV同塔雙回線路不對稱問題的研究分析

李現寶　何信林

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區域220kV同塔雙回線路不對稱問題的研究分析

李現寶1何信林2

（1. 山東魏橋鋁電有限公司，山東鄒平 256200； 2. 西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

同塔雙回輸電線路電氣參數不對稱會造成線路電流、電壓不平衡，進而影響系統運行的經濟性與可靠性。本文首先分析了導致同塔雙回輸電線路不對稱的原因，提出了通過利用ATP-EMTP仿真軟件對山東省某區域220kV電網同塔雙回輸電線路在不同負荷下進行建模及仿真計算，分析了其在同相序、逆相序、異相序、電容補償器等不同連接方式下的電網不平衡度，并提出了相應的決策及建議。研究結果表明：長距離同塔雙回輸電線路，同相序排列時不平衡度最大，逆相序次之，異相序時最小；電容器補償可以顯著改善負序不平衡度，而且隨著線路長度的增加，改善效果會更加明顯。

同塔雙回；不對稱；ATP-EMTP；逆相序；異相序

隨著我國電力事業的迅速發展，電網輸送容量也在大幅增加，為了減少輸電線路的占地面積以及降低單位容量線路造價，尋求新的輸電線路模式變得越來越重要。高壓同塔雙回線路可有效解決上述問題，因此得到了大范圍的應用[1-2]。

電力系統輸電回路中的同塔雙回輸電線路由于兩條線路各相之間物理布置方式的不同，也會產生一些潛在的安全問題。如兩條線路之間以及各條線路相與相之間的電磁耦合會影響三相電壓和電流的不平衡，一方面會降低電網的電能質量指標，另一方面還會增加輸電線路的損耗。同時，電網不平衡引起的負序電流分量在某種工況下甚至會導致相鄰發電廠機組的負序保護發生誤動作，給電網增加不安全因素，嚴重的時候可能導致電網發生大面積停電事故[3-5]。

文獻[6-7]還提出了其他引起電力系統區域電網不平衡的因素，如三相負載不平衡分配、配電網中電壓互感器鐵心飽和導致的鐵磁諧振以及中性點不接地電網系統中消弧線圈的引入，均會導致區域電網的三相不平衡。因此，研究同塔雙回輸電線路的不平衡現象除了應考慮同塔雙回輸電線路自身的影響，同時也要考慮負載側因素的影響。

電磁暫態程序（electro-magnetic transient program, EMTP）主要用于模擬計算電力系統的電磁暫態過程，其利用通過現場實際測試證實的各種元件模型，完成對區域電網的建模并進行諧波分析。（the alternative transient program-electro-magnetic transient program, ATP-EMPT）是EMTP使用最廣的一個版本，具有圖形化建模的功能，也是一款可以免費使用的軟件，因此在我國各科研機構、大專院校、制造廠等均有廣泛應用。

本文通過利用ATP-EMTP仿真軟件對山東省某區域220kV電網同塔雙回輸電線路在不同負荷下進行建模及仿真計算，分析了其在同相序、逆相序、異相序、電容補償器等不同連接方式下的電網不平衡度，揭示了同塔雙回輸電線路運行參數對電網三相不平衡的影響機制及結果，并提出了決策及建議。

1 區域220kV電網簡介

山東省某區域220kV電網示意圖如圖1所示，BZ-HM-WQ（BZ代表濱州、HM代表惠民、WQ代表魏橋）系統聯絡線均采用同塔雙線聯網，實現三地單線環網運行，聯網線路長度均小于100km。該區域電網系統額定電壓220kV，最高運行電壓252kV；按額定輸送容量單根導線外徑26.82mm、內徑7.5mm，直阻單根0.07389W/km，分裂間距400mm，絕緣子串長取3m，桿塔取呼高27m，土壤電阻率取60W·m，導、地線弧垂分別取8m、6m；一根OPGW-120避雷線，外徑1.45cm，內徑0，直阻0.368W/km；另一根避雷線內徑0，外1.6cm，直阻0.2992W/km。

2011年8月，某企業110kV電纜系統發生故障，此系統在線運行12年。故障相電纜終端為瓷套電纜終端，其應力錐已炸裂。內部的填充絕緣油為硅油。圖1給出了事故現場的電纜狀況。從圖1中可以看到，故障電纜絕緣層外側在浸泡絕緣油情況下出現大量水樹，而在未浸泡絕緣油的情況下未出現水樹。

圖1 220kV區域電網示意圖

區域電網各區域發供電負荷不平衡造成同塔雙回線部分線路存在潮流方向不一致情況。自2013年6月后隨著各區域負荷不平衡程度加劇，電網BZ側、HM側運行中發現各節點短時電壓不平衡度超標，發電機負序電流增大或操作變壓器中性點刀閘時電弧較大等問題。

本文所選取的研究對象為山東某區域220kV電網中應用最多的垂直排列雙回路直線塔。220kV輸電桿塔示意圖如圖2所示。

圖2 220kV輸電桿塔示意圖

2 EMTP建模

根據已有電網參數及電網運行潮流，參照文獻[8]中的方法，利用ATP-EMTP軟件建立系統模型，ATP-EMTP計算模型示意圖如圖3所示。

圖3 ATP-EMTP計算模型示意圖

工程實踐經驗表明，雙回路導線相序排列方式和線路長度是影響同塔雙回輸電線路電氣不平衡度的重要因素，因區域電網涉及到的電力系統線路均較短，達不到換位設計條件，本文主要研究線路換相前后電氣不平衡度與導線相序排列方式、線路長度的關系[9-14]。

3 區域電網220kV的不平衡度

根據文獻[15]規定，電力系統中的三相不平衡度是用電壓或電流負序分量與正序分量均方根值的百分比表示。

本文針對220kV同塔雙回架空線路的不平衡度，其基本思路是假設線路末端功率已知、電源和負載端參數對稱，用多段p線路模型等值電路來模擬架空線路，負載阻抗可根據線路輸送功率和功率因數來計算。仿真計算在電磁暫態計算程序（ATP-EMTP）來完成，而數據處理、相序變換和不平衡度計算由Matlab軟件來操作。

零序（1）

正序（2）

負序（3）

而任意三相相量滿足式（4），即

（5）

（7）

4 算例分析

4.1 換相前電氣不平衡度的計算

換相前，利用ATP-EMTP電磁暫態程序計算220kV同塔雙回架空線路同相序排列方式（ABC-ABC）下的電氣不平衡度，計算結果見表1，其中計算條件為線路處于額定輸送容量工況。

表1 同相序導線排列方式下的電氣不平衡度/%

4.2 逆相序和異相序后電氣不平衡度的計算

調整同塔雙回線路的相序后，利用ATP-EMTP電磁暫態程序分別計算220kV同塔雙回架空線路逆相序（ABC-CBA）和異相序（ABC-BCA）導線排列方式下的電氣不平衡度，計算結果見表2。

表2 逆相序和異相序導線排列方式下的電氣不平衡度/%

對比表1、表2的計算結果，可以看出按目前系統接線方式及潮流計算：①采用逆相序和異相序接線方式均比同相序效果要好；②采用異相序接線方式比逆相序效果要好。綜上所述，異相序最好，逆相序次之，最后是同相序。

4.3 ATP-EMTP計算數據與實測數據對比結果

為了驗證ATP-EMTP電磁暫態程序計算模型的準確性，本文將仿真結果與2014年2月20日區域電網BZ側、HM側實際運行數據進行校核對比，對比結果見表3，其中仿真計算時線路輸送功率選擇與當日線路實際功率一致。

表3 計算數據與實測數據對比結果/%

根據表3所示數據，計算結果與實測值基本一致，最大誤差為-7.38%，符合要求。

4.4 電容補償器

在系統建模時，為了簡化仿真分析過程，采取了分別對每回線路進行串聯電容器和并聯電容器集中補償的仿真計算方法，由于沒有考慮兩回同塔線路之間的相互電磁耦合，因此本方法雖然會使建模仿真過程簡單易懂，但一定程度上會與實際情況有所偏差，其偏差率對于工程應用而言可以接受。圖4所示為本文所采用補償方法的線路等效電路示意圖。量化后的三相線路等值電路如圖5所示。

圖4 電容器補償線路參數

圖5 三相輸電線路等值電路

在仿真分析時，為了能更突出地體現電容器補償對降低同塔雙回輸電線路不平衡度的作用，對雙回線路中每回線路的不平衡度進行預置，使其相序一致，同時只對負序不平衡度進行分析。仿真結果見表4。

表4 電容補償器前后的負序不平衡度

5 結論

1）山東某區域220kV電網同塔雙回BW線、BH線及HW線等重要系統聯絡線在額定電壓和額定輸電容量工況下運行時，同塔雙回線路采用逆相序（ABC-CBA）敷設可明顯降低線路及電網各變電站節點電壓不平衡度。

2）本文的計算、仿真結果表明：220kV長距離同塔雙回輸電線路，同相序排列時不平衡度最大，逆相序次之，異相序時最小；電容器補償方式對于較長的線路可以有效改善由于線路參數不對稱引起的負序電流不平衡度。

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Research and Solution Making of the Asymmetry Problem of Double Circuit Lines on the Same Tower in the Regional 220kV Power Grid

Li Xianbao1He Xinlin2

(1. Shandong Weiqiao Aluminum-electricity Co., Ltd, Zouping, Shandong 256200; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710054)

Electrical parameters asymmetry of double circuit lines on the same tower will cause the line current and voltage unbalance, thereby affecting the operation of the system of economy and reliability. This paper analyzes the cause of the asymmetry problem of double circuit lines on the same tower, and put forward the modeling and simulation of the double circuit lines on the same tower in a regional 220kV power grid in Shandong province by using ATP-EMTP software. It analyzes the grid unbalance in the same phase sequence, reverse phase sequence, sequence of phase, capacitor compensation, etc. different connectors, and the corresponding decisions and recommendations. The results show that: the long-range tower double circuit transmission lines are arranged at the same phase sequence imbalance maximum, followed by reverse phase sequence, then the inverse phase sequence; compensation capacitor can significantly improve the negative sequence unbalance, and with the line length increase and improve the effect will be more obvious.

double circuit lines on the same tower; asymmetry; ATP-EMTP; reverse phase sequence; inverse phase sequence

李現寶（1978-），男，山東省鄒平市人，本科，繼電保護技師，主要從事電力系統安全與穩定方向的研究工作。