某電廠500 kV輸電線路三相電流不平衡原因分析

孫旭威

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116300)

由于三相輸電線路自身參數的不平衡、相鄰線路的影響及輸電線路在布置上不換位或不完全理想換位，會導致輸電線路運行時，各相導線存在不對稱電壓、電流。當系統電壓、電流的不平衡度超過允許值時，就可能影響到發電機等電氣設備的正常運行及繼電保護的整定計算。本文涉及的輸電線路不平衡問題已超過GB/T 15543—2008《電能質量 三相電壓不平衡》(以下簡稱標準)所允許的不平衡要求，下面對這一問題產生的原因進行分析。

1 系統概述

某電廠500 kV開關站采用二分之三接線，5個完整串、1個不完整串，共5條輸電線路、遠期6臺機組。其中1、2、3號線接入電網側二分之三完整串接線開關站1，電廠側開關站配電裝置為全套氣體絕緣開關設備(GIS)，電網側開關站1配電裝置為戶外敞開式開關設備。本文涉及的1、2、3號線為該電廠至電網側開關站1同一輸電通道內3條并行的輸電線路，見圖1。

1號線為獨立的輸電線，全長33.01 km，呈品字形接線；2、3號線為同塔雙回，垂直逆相序排列，長度為32.98 km；4、5號線路(獨立成塔，長度為139.36 km)接入對側開關站2，其輸電通道與1、2、3號線不同；電網側開關站1和開關站2之間的電氣聯系較弱。現場輸電線路為塔形布置(見圖2，圖中A、B、C為輸電線路的三相)。下文數據分析最初沒有4、5號線路的數據，隨著工程進展，4、5號線依次建成投運后加入了相關數據。

圖2 某電廠線路布置情況(從該電廠面向輸電線路)

2 三回輸電線路電流不平衡現狀

該電廠輸電線路的不平衡現象主要集中在1、2、3這3條線路；其中1號線偏差較大，超過標準要求。歷史數據見表1—表3，表中所有數據來自同步相量測量裝置(PMU)，3組數據同源同時刻，一次電流互感器準確等級為0.2級；根據PMU的工作原理，表中的電流角度為同一時刻的相對角度；不平衡度的計算參照標準要求，三相不平衡的程度分別用電流負序基波分量和零序基波分量與正序基波分量的均方根值百分比表示；表中不平衡度的計算為負序不平衡，在電網正常運行的最小運行方式下，按標準要求的測量時間和測量條件進行取值，負序不平衡度不超過2%，短時不超過4%[1]。

表1 線路不平衡度計算(2013-08-06 1臺機組運行數據)

表2 線路不平衡度計算(2014-11-10 2臺機組運行數據)

表3 線路不平衡度計算(2017-10-14 4臺機組運行數據)

從表1—表3中數據可知，該電廠1號線電流三相不平衡超過了國家標準要求，2、3號線滿足要求；1號線電流不平衡的原因主要集中在B、C兩相電流的差值上(B相電流最大，C相電流最小)。將3條線路作整體(九相三相序)計算，3條線路的A相電流總和與B相電流總和、C相電流總和基本相等，說明3條線路整體電流平衡。

3 現場排查

3.1 計量回路核查

檢查1、2、3號線測控裝置所使用的電流互感器，其準確等級為0.2級，交接試驗報告顯示滿足GB 1208—2006《電流互感器》相關要求；檢查測控裝置校驗記錄，精度滿足要求；與電網側開關站核對線路電流數據，同一時刻兩側數據一致，見表4。綜上可確定計量二次側反映的是一次側的準確值，線路的電流不平衡并不是因為互感器的不準確傳遞引起的，一次側確實存在電流不平衡。

表4 同一時刻線路兩側電流數據對比 單位：A

3.2 電廠內的電流核查

截取同一時刻1、2、3號線輸電線路及廠內4臺機組、4臺主變壓器(簡稱主變)的三相電流進行核算，各臺機組出口電流平衡，機組經主變接入開關站，主變高壓側三相電流平衡且中性點電流為零，可確定線路的不平衡電流只發生在系統側而非電廠側，主要集中在1、2、3號線之間。

3.3 電廠側開關站主回路檢查

根據電工原理，系統側的電路由開關站內部主回路及輸電線路兩部分組成。以下分析開關站內部一次主回路對電流不平衡現象的貢獻度[2]。

a.如果開關站內部某斷路器或隔離開關接觸電阻過大，會導致三相電流不平衡。在線路兩側開關站記錄一次設備倒閘操作過程中不同接線方式下，線路不平衡電流的突變情況，未發現明顯變化。

b.查看電廠側開關站內部一次主回路直阻交接試驗報告，一次導電主回路電阻值(μΩ級別)三相平衡且都滿足不大于標準值120%的要求。

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綜上分析可排除站內設備引起線路電流不平衡的可能。

3.4 線路檢查

1、2、3號線線路長度基本相同，所用鋼芯鋁絞線參數一致，輸電線路路徑相同，線路日常巡檢及檢修過程中未見明顯斷股、線路連接不牢、開裂等現象，可認為線路帶電前三相阻抗值平衡。雖然在送電前對線路均進行了阻抗參數測量，但所測阻抗參數為輸電線路的三相集中參數[5]，對本問題的分析意義不大[3]。

4 電流不平衡原因分析

當三相電源對稱時，三相不平衡電流產生的原因是電路中三相電氣元件的不平衡，即負荷不平衡及輸電線路三相參數不對稱。

a.對于500 kV高壓系統而言，因負荷在低壓側，下游負荷經過了多級變壓器的再平衡，且該電廠3條線路除線路桿塔布置不一致外，線路兩側開關站接線方式都為二分之三合環運行模式，潮流負荷不會造成線路相間的不平衡。對比表1—表3的數據也可看出負荷對不平衡的貢獻較小。

b.根據統計結果可知，2013—2018年不同負荷、不同運行方式下，負序和零序角度變化不大，可認為導致線路電流不平衡的主要因素為線路自身的運行不平衡。輸電線路三相參數不對稱，除前面分析的主回路自身參數的原因外，主要取決于各相導線相對于其他導線的距離不對稱。

在線路導線ABC坐標系阻抗系數矩陣[4]中，導線的單位長度回路阻抗(自感系數)Zii為

Zii=Rii+ j0.145lg(Dg/rsi)

兩根導線單位長度互感阻抗(互感系數)Zij為

Zij=Rg+ j0.145lg(Dg/Dij)

式中：Rii=Ri+Rg，為導線等效電阻；Ri為導線單位長度電阻，取決于輸電導線的選型，導線型號固定后是一個各相均衡常數；Rg為大地回路等值電阻，Rg=π2×10-4f，為一常數；Dg為導線地中虛擬導體等值深度，Dg= 660ρ/f；ρ為土壤電阻率；f為系統頻率(為一常數)；rsi為相應導線和地中虛擬導線的等效半徑，當輸電線路的選型和結構確定后，為一各相均衡常數；Dij為兩導線之間的相對距離，具有不均衡性。

對比1、2、3號線的不平衡度差異(見表1—表3)及3條線路的導線布置(見圖2)，可認為1號線輸電線路的三相電流不對稱主要是由各相參數的不對稱所引起，各相參數不對稱的主要原因是1號線導線三角形排列造成各相導線間距不同，以及1號線各相導線與2、3號線各相導線的距離不對稱。

在2號線停運時，選取同一時刻輸電線路的電流，可見1號線的電流不平衡現象明顯降低，數據見表5。

在3號線停運時，選取同一時刻輸電線路的電流，可見1號線的電流不平衡現象也明顯降低，數據見表6。

對比表5與表6數據可知，2、3號線分別停運時，1號線電流不平衡度均明顯降低，且2號線停運時不平衡度的降幅更大，符合2、3號線與1號線之間的空間物理位置差異(注：該電廠不存在2號線和3號線同時停運的工況，線路布置見圖2)。在同一輸電通道內，相鄰輸電導線間的強電磁耦合會造成較大的不平衡，在理論上和實際工程中都有案例。

c.在輸電線路不換位的情況下，因為輸電線路參數不平衡產生不平衡電流的可能原因還有：①架空線位置對地不對稱造成輸電線路參數不對稱產生負序電流[5]，但該電廠輸電線路長度較短，1號線A相和C相對地位置相同而電流不同，此原因的貢獻度較小；②同塔雙回的輸電線路除導線自身對地不對稱造成的不平衡電流外，還存在環流型不平衡，即同塔雙回線在兩回路中感應出的零序和負序電勢之和不為零，不平衡電勢使環流在回路中流過，由于線路阻抗較小，可造成較大的不平衡環流[6]。雖然1號線與2、3號線非同塔雙回，但兩側開關站都是二分之三接線方式，相當于1、2、3號3條線路是環回狀態，也存在環流型不平衡。此問題主要受環流產生的不平衡電勢影響。對比線路兩側開關站同一時刻的電流，環流很小，可排除此原因。

綜上所述，引起1號線電流不平衡的主要原因為輸電線路的不均衡布置，使2、3號線與1號線之間的不均衡強電磁耦合。

5 建議

5.1 不平衡定量分析

線路送電前的參數測量是三相集中測量后的對稱參數，無法進行不平衡度的定量分析。可在線路停電時對線路每相進行直阻測試，測試的結果反映各相的不平衡情況，同時驗證線路是否存在斷股、塔線連接接觸電阻是否過大。1號線停電時，可在線路兩側均掛地線的情況下測量A、B、C相受2、3號線電磁耦合作用時的感應電壓和感應電流。

該電廠利用1號線線路檢修窗口，對其參數(線路分相阻抗、分相電容、分相電磁感應電壓、電流)進行了測量。從測量結果看，A、B、C三相均不存在線路斷股、塔線連接接觸電阻過大的問題，但1號線受到了2、3號線路的電磁耦合影響，這里不作具體的定量分析。

5.2 仿真計算

輸電線路工程建設的趨勢是輸電通道趨于緊湊，導線間的互相干擾必將造成電路運行的不平衡。目前仿真技術的發展已非常成熟，理論仿真與實際結果基本吻合。可積累當前不同模式運行線路的參數，在后續線路投運前建立數據模型，給出最合理的輸電線路布置，以便更好地指導線路工程建設。該電廠1號線電流不平衡問題的解決，首先可建立1、2、3號線的線路模型。根據現有分析，可模擬在兩側開關站進站前的第一桿塔處將線路的B、C相互換(由右向左C、B、A更換為B、C、A)，進行不平衡度計算后再在現場實施[7]。

5.3 路徑優化

該電廠重新設計了二期接入系統的網架，并與電力設計院就不平衡問題進行了溝通。在后期電廠變更接入電網的網架結構時，需重新進行線路設計，以便從根本上解決此問題。