一起電磁環(huán)網(wǎng)線路三相電流不平衡案例分析

傘晨峻，黃霆，陳汝昌

（云南電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

云南電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中，500 kV大理變-500 kV德宏變500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)保持開環(huán)運(yùn)行方式，因方式變更需要在安排該電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)過程中，發(fā)現(xiàn)合環(huán)期間合環(huán)點(diǎn)220 kV保施Ⅱ回線存在較大三相電流不平衡率，相間偏差最大值與三相電流平均值的比值最大達(dá)29.74%，本文就上述電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)情況發(fā)生的輸電線路三相不平衡案例展開研究。

1 三相電流不平衡概述

三相電流不平衡情況廣泛存在于電力系統(tǒng)中,電流不平衡主要由于負(fù)荷不平衡和電氣參數(shù)不平衡所引起。電力系統(tǒng)三相參數(shù)、負(fù)荷并非嚴(yán)格相同，如架空線的集合布置使每相對地電氣參數(shù)不對稱以及三相負(fù)荷不對稱情況，都可能引起三相電流不平衡情況。嚴(yán)重的電流不平衡度情況可能造成巨大的危害[1-3]，如增加電網(wǎng)的線路損耗，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)熱和振動(dòng)、變壓器磁通泄漏和局部過熱，甚至引起保護(hù)裝置誤動(dòng)。高電壓等級線路發(fā)生三相電流不平衡情況已有眾多文獻(xiàn)[4-11]進(jìn)行過研究，主要集中在同塔線路換相、相序布置方式等方面，而針對前言中電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)過程發(fā)現(xiàn)的三相電流不平衡情況卻沒有相關(guān)研究。

2 三相電流不平衡度計(jì)算方法選擇

三相不平衡度的國標(biāo)計(jì)算方法（GBb/T 14543-2008）[12]，包括三相電壓零序不平衡度和三相電壓負(fù)序不平衡度，分別為零序分量與正序分量的比值及負(fù)序分量與正序分量的比值。注：εU0表示三相電壓零序不平衡度，εI2表示三相電壓負(fù)序不平衡度，U0、U1、U2分別表示三相電壓的零序分量、正序分量和負(fù)序分量。

參考三相不平衡度的IEEE std 936-1987計(jì)算方法，定義的電壓不平衡度為流電壓不平衡率（Phase to Phase Voltage Unbalance Rate,PVUR），PVUR等于三相相電壓中的最大方均根電壓與最小方均根電壓的差值與平均相電壓方均根值的比值：

參考三相不平衡度的IEEE std 112-1991計(jì)算方法，定義的電壓不平衡度為相電壓不平衡率（Phase to Phase Voltage Unbalance Rate,PVUR），PVUR等于三相相電壓方均根值與三相相電壓方均根值的平均值之差的最大值與三相相電壓方均根值的平均值的比值：

調(diào)度SCADA系統(tǒng)的有功和無功量并不是分相的，電壓和電流量的有效值雖是分相的，但沒有相位角，不便于于相間不平衡量的分析。雖220 kV保山變布置了PMU裝置，但部分相鄰廠站未配置PMU裝置，僅保山變布置PMU裝置也無法進(jìn)行三相不平衡問題溯源，故本文采用簡化的有效值方法計(jì)算三相不平衡度，參考IEEE std 936-1987計(jì)算方法計(jì)算相電流不平衡率（Phase to Phase Current Unbalance Rate,PIUR）如下：

3 220 kV保施Ⅱ回線輸電線路三相電流不平衡情況

正常方式下，500 kV大理變-500 kV德宏變500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)保持開環(huán)運(yùn)行方式（如圖1），220 kV保施Ⅱ回線由220 kV施甸變沖空線運(yùn)行，220 kV保施Ⅱ回線220 kV保山變側(cè)斷路器處熱備用作為系統(tǒng)斷點(diǎn)。為配合系統(tǒng)檢修工作，2018年3月25日，計(jì)劃安排方式變更，安排500 kV大理變-500 kV德宏變500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)，故安排220 kV保施Ⅱ回線220 kV保山變側(cè)斷路器同期合環(huán)，合上該斷路器后，發(fā)現(xiàn)220 kV保山變220 kV保施Ⅱ回線275斷路器三相電流存在偏差。14時(shí)35分，三相電流差值達(dá)到最大（三相電流值為81.205 A、58.317 A、74.705 A），最大偏差電流為AB相、差值為21.239 A，三相電流不平衡率為29.74%。

圖1 500 kV大理變-500 kV德宏變500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)示意圖

4 現(xiàn)場排查

1）現(xiàn)場設(shè)備檢查方面，經(jīng)對220 kV保山變、220 kV施甸變站內(nèi)相關(guān)一、二次設(shè)備以及220 kV保施Ⅱ回線線路進(jìn)行詳細(xì)檢查及測溫，未發(fā)現(xiàn)異常。

2）自動(dòng)化系統(tǒng)方面，經(jīng)檢查調(diào)度端主站、廠站端自動(dòng)化系統(tǒng)和220 kV保山變、施甸變測控裝置，并比對廠站端和調(diào)控端遙測、遙信信號，未發(fā)現(xiàn)異常。

3）保護(hù)分析方面，經(jīng)現(xiàn)場檢查保護(hù)裝置無保護(hù)啟動(dòng)，220 kV保施Ⅱ回線零序啟動(dòng)電流二次定值為0.5 A，CT變比為1500:5，折算至一次值為150 A,經(jīng)計(jì)算2018年3月25日14時(shí)35分220 kV保山變220 kV保施Ⅱ回線零序電流約為6.24 A，遠(yuǎn)低于保護(hù)啟動(dòng)值。

5 歷史數(shù)據(jù)分析

通過對比表1、表2歷史數(shù)據(jù)可知：①不同運(yùn)行方式（如電磁環(huán)網(wǎng)斷環(huán)方式下保施Ⅱ回線未作為斷環(huán)點(diǎn)情況、電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)方式下保施Ⅱ回線作為合環(huán)點(diǎn)情況）、不同潮流情況下，不同時(shí)間點(diǎn)，不同設(shè)備三相電流均廣泛存在不同程度的不平衡；②220 kV保施Ⅱ回線2018年3月25日14:35電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)后三相電流不平衡率也并非最大，如2017年10月28日21:00 220 kV保施Ⅱ回線作為末端供電線路時(shí)三相電流不平衡率達(dá)到過36%；③偏差出現(xiàn)最大相和最小相不固定，即在不同時(shí)間最大偏差會(huì)出現(xiàn)在不同相別間；④電流偏差值并沒有隨電流增大而增大；⑤線路電流與三相電流不平衡率大致呈反比關(guān)系。

表1 電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)方式下數(shù)據(jù)

表2 電磁環(huán)網(wǎng)斷環(huán)方式下數(shù)據(jù)

因此可得到結(jié)論220 kV保施Ⅱ回線在電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)期間出現(xiàn)的三相電流不平衡并非由220 kV保施Ⅱ回線線路三相電氣參數(shù)引起。同時(shí)經(jīng)過檢查電磁環(huán)網(wǎng)內(nèi)其余線路潮流及220 kV保施Ⅱ回線兩側(cè)變電站相關(guān)線路、主變間隔潮流數(shù)據(jù)（表1），并未發(fā)現(xiàn)存在顯著潮流不平衡問題，故需進(jìn)一步探究線路輕載情況下保施Ⅱ回線三相電流不平衡率增大問題機(jī)理。

6 電流不平衡原因機(jī)理分析

以AB相偏差為例，根據(jù)(UI)2=S2=P2+Q2有：

由PMU調(diào)取數(shù)據(jù)可知相間電壓幅值偏差微小，可認(rèn)為相間電壓無偏差，故有：

即相間電流幅值平方差可由相間有功、無功平方差共同決定。同時(shí)還可推出下式：

若令線路功角為φ，可作如下近似有：KP≈cosφ(UIavg)、KQ≈sinφ(UIavg)。隨著線路潮流增大，有功將會(huì)逐漸增大，而無功將保持在一定范圍，線路功率因數(shù)將趨近于1，KP數(shù)值上將保持在一定范圍內(nèi)，KQ將遠(yuǎn)小于KP，相間有功偏差主要影響三相電流偏差率，且其影響較為穩(wěn)定；而線路輕載情況下，KQ同時(shí)將影響三相電流偏差率，相間無功偏差影響將提高。

根據(jù)2018年3月27日07:22及2018年3月25日14:35兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)220 kV保施Ⅱ回線情況可知，線路非輕載情況下（表3），KP遠(yuǎn)大于KQ，線路相間有功偏差對電流偏差占主導(dǎo)作用，且相間功率偏差不大，故偏差電流很小，此時(shí)即使相間無功偏差較大，對三相電流偏差率影響也很小。電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)需要控制合環(huán)點(diǎn)潮流，故220 kV保施Ⅱ回線線路輕載狀態(tài)下（表4），KQ顯著增大，相間無功功率偏差對相間電流偏差影響顯著上升，使得三相電流偏差率增大。2018年3月25日14:35（表4）案例中各相電流雖有一定的偏差（22.88 A），盡管相間有功偏差和相見無功偏差都不大（分別為2.652 MW和2.488 MVar），但KQ顯著增大后導(dǎo)致相間有功偏差和相見無功偏差貢獻(xiàn)變得相當(dāng)（67:33），有功影響疊加無功影響促使三相電流偏差率增大。

表3 220 kV保施Ⅱ回線信息（2018年3月27日 07:22）

表4 220 kV保施Ⅱ回線信息（2018年3月25日14:35）

7 結(jié)束語

500 kV大理變-500 kV德宏變500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)由開環(huán)運(yùn)行轉(zhuǎn)合環(huán)運(yùn)行方式過程中出現(xiàn)的合環(huán)點(diǎn)220 kV保施Ⅱ回線三相電流不平衡情況，通過現(xiàn)場設(shè)備檢查及歷史數(shù)據(jù)分析可知屬正常范圍偏差。本文通過數(shù)據(jù)分析及機(jī)理分析，認(rèn)為電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)條件下合環(huán)點(diǎn)輸電線路三相電流偏差率顯著增大的原因是由于電磁環(huán)合環(huán)過程需控制合環(huán)點(diǎn)潮流，導(dǎo)致合環(huán)點(diǎn)220 kV保施Ⅱ回線線路輕載，從而導(dǎo)致線路的相間無功功率偏差對三相電流偏差率的影響顯著升高所導(dǎo)致，不屬于電網(wǎng)異常情況，不影響設(shè)備運(yùn)行。