交流1000 kV同塔双回线路电气不平衡度研究

席晓丽，郝阳，高振，许苗

（西北电力设计院，陕西西安710075）

电力系统三相电压平衡状况是电能质量的主要指标之一，在输电线路中，由于三相架空线路自身参数的不平衡，导致在线路正常运行时，每相导线的阻抗和导纳不相等，导致了电力系统中的不对称电流和不对称电压，当系统电压、电流的不平衡度超过允许水平时，就可能影响到发电机等电气设备的正常运行[1-2]。按照国家标准《电能质量三相电压允许不平衡度GB/T 15543-2008》的要求，需要对系统电压、电流的不平衡度进行控制。

锡盟—南京特高压1000 kV交流工程，起于内蒙古自治区多伦县的锡盟特高压变电站，经北京东特高压变电站、济南特高压变电站、徐州特高压变电站，止于南京特高压变电站。线路总体呈南北走向，可研推荐路径方案全长约1434 km。

本文以我国运行多年，并已成为国家电网及区域电网的主干网架的500kV线路、750kV线路和已经投入建设的晋东南—南阳—荆门1000 kV输电线路设计运行经验及研究成果做为参考依据，利用ATP等计算工具对不平衡度进行具体分析，给出合理的换位方式。

1 目前1000 kV线路换位情况及电气不平衡度限值

《1000 kV架空输电线路设计规范》（GB 50665-2011）规定：“单回线路采用水平排列方式时，线路长度超过120 km应换位；单回线路采用三角形排列及同塔双回线路按逆向序排列时，其换位长度可适当延长。换位循环长度不宜大于200 km；1个变电所每回出线虽小于120 km，但其总长度超过200 km，可采用换位或变换各回输电线路的相序排列的措施来平衡不对称电流”。我国已建的晋东南—南阳—荆门1000 kV输电线路在晋东南—南阳和南阳—荆门2段各进行了1次换位。

电力系统的三相电压的平衡状况是衡量电能指标的主要指标。中华人民共和国国家标准《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-2008（2008-06-18发布，2009-05-01实施）对不平衡度的定义为：“三相电力系统中三相不平衡的程度，用电压或电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。电压或电流不平衡度分别用εu或εI表示。”

根据《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-2008对电压不平衡度限值的规定：“电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。国家标准GB755-87《电机基本技术要求》中给出，定子及磁场绕组直接冷却的电动机和发电机在正常运行条件下，能够承受的电流不平衡度分别为8%和5%。我国《电力工业技术管理法规》规定：“转子为绑线式的汽轮发电机禁止在不平衡的负荷下运行（当负序电流不超过正序电流的5%时，则认为三相电流实际上是平衡的）。”[3-4]

国家标准未对输电线路提出相应指标。公共连接点定义为电力系统中一个以上用户的连接处，作为系统组成的输电线路，其自身所产生的电压不平衡度也应该理解为必须低于2%。

因此，本文推荐将2%作为输电线路电压不平衡度的限值。

2 输电线路不平衡度

2.1 计算条件

1）系统参数。①系统额定电压为1000 kV；②系统最高运行电压为1100 kV；③系统输送功率为6000MW；④事故时极限输送功率为12000 MW；⑤功率因数为0.95。

2）导、地线参数。导线采用8分裂LGJ－630/45导线，地线采用JLB 20A-240。

3）杆塔型式。本工程初步设计推荐路径方案全长约1434 km，其中黄河大跨越推荐方案长3.6 km，淮河大跨越推荐方案长2.4 km。本工程单回路线路长2×318.5 km，双回路线路长1115.5 km。根据杆塔规划结果，本工程典型铁塔布置尺寸详见图1。

4）其他参数。①绝缘子串长为取10 m；②杆塔呼高为取52 m；③土壤电阻率为取500 Ω·m

2.2 济南—徐州段线路不平衡度计算分析

2.2.1 不换位线路不平衡度分析

济南—徐州段线路长414.5 km，本段线路全线为同塔双回路，塔头尺寸如图1所示，针对本工程规划铁塔，按照本段线路实际长度在不换位情况下，由波形提取三相电压、电流的相量形式，由对称分量法计算电压、电流的正序、负序分量，并计算电压、电流不平衡度[5]。计算得出的不同运行方式下的不平衡度表1。

图1 双回路铁塔Fig.1 Double-circuit steel tower

表1 济南—徐州线路不换位电压不平衡度Tab.1 Voltage imbalance of Jinan-Xuzhou untransposed line

由表1可以看出，导线排列方式对线路不平衡度影响非常大。同相序排列方式的不平衡度最大，逆相序排列方式次之，异相序排列方式最好。济南—徐州段线路如果采用同相序排列方式，在不换位情况下负序不平衡度远大于2%的限值要求，而采用如果逆相序排列方式，负序不平衡也超过2%的限值要求。因此，济南—徐州段线路采用换位方式降低不平衡度是很必要的。

2.2.2 换位后不平衡度

根据750kV和500kV线路工程经验，对于同相序和异相序，必须同向换位，对于逆相序，必须反向换位，才能保证相序排列在换位前后保持一致。

利用ATP的换位元件，在ATP电磁暂态计算程序中，1个输电线路逆相序1个整循环全换位和2个整循环全换位的模型示于图2和图3中。

图2 ATP中1个整循环全换位计算示意图Fig.2 Calculation diagram of full transposition in the entire cycle in ATP

图3 ATP中2个整循环全换位实现换位计算示意图Fig.3 Calculation diagram of full transposition in the 2 cycles in ATP

针对本工程推荐塔型，按照实际线路长度，由波形提取三相电压、电流的相量形式，由对称分量法计算电压、电流的正序、负序分量，并计算电压的不平衡度。计算得出的不同运行方式下的不平衡度见表2。

表2 济南—徐州段线路经过1次换位后电压不平衡度Tab.2 Voltage unbalance after a transposition in Jinan-Xuzhou line

由表2可知：

1）待选的几种换位方式都可以使本段线路的不平衡度降到2%的限值以下。

2）1个整循环换位时的线路电压不平衡度为0.31%，2个整循环换位时的线路电压不平衡度为0.04%，2个整循环换位效果更佳，但是要增加2基换位塔，这将大大增加线路投资，而1个整循环效果已经很好，完全满足限值要求。

3）1个整循环换位时，若按照工程实际情况，考虑山地、平地对不平衡度的影响，可以看出，实际的不平衡度要和完全按照山地考虑的情况不平衡度基本相当。这说明在1次整循环换位后，线路已经具备很好的不平衡度。

4）考虑事故情况，单回输送12000 MW功率时，1个整循环换位的电压不平衡度为0.52%，比正常运行时增加0.21%。

根据以上的计算结果，同塔双回线路在经过1个整循环换位后，线路的平衡度有较大提高，逆向序反向换位效果最好。因此，本段线路推荐使用逆向序反向换位。

2.2.3 换位长度推荐

济南—徐州段线路长度为414.5 km，根据计算在不换位情况下，线路不平衡度均达不到2%的限值要求，必须进行换位。

本工程全长2×143.4 km，其中济南—徐州线路长度为2×414.5 km，推荐本段进行1个单独全循环换位，换位后电压、电流不平衡度显著降低，同时两回路间的回流电流也明显减小。1个全换位最长节距约138 km，换位后不平衡度能满足要求。

采用二基换位塔实现全循环换位，可提高线路运行可靠度，同时降低线路造价，本段线路推荐采用二基换位塔实现全循环换位。

济南—徐州线路长度414.5 km，全段为同塔双回线路。线路的具体换位节距见图4。

3 影响不平衡度的因素

考虑到本工程双回路推荐采用逆相序排列方式，因此，本节只对逆相序反向换位进行影响不平衡度的因素分析。

3.1 线路长度对不换位线路影响

保持计算用系统参数和塔头尺寸不变，计算了几种长度时的不平衡度，结果见表3、表4。

表3 线路长度对不换位线路不平衡度的影响计算结果（双回路正常运行）Tab.3 Influence of line length on unbalance of nontransposition line(two-loop normal running)

从表3结果可以看出，特高压双回路逆相序排列方式下，额定输送功率为6000 MW时，当线路长度超过385 km时，不换位线路不平衡度超过2%。

表4 线路长度对不换位线路不平衡度的影响计算结果（单回运行，一回停运）Tab.4 Influence of line length on unbalance of nontransposition line(single-back runs and a return to outages)

根据《1000 kV架空输电线路设计规范》（送审稿）中，1000 kV单回路水平排列在线路长度为120 km时不平衡度为1.76%，对应双回路逆相序排列的线路长度为330 km。

考虑单回运行，一回停运的工况，单回输送功率12000 MW，按照负序电压不平衡度4%控制，线路长度不超过145 km。

3.2 换位点位置对换位线路不平衡度的影响

保持计算用系统参数和塔头尺寸不变，计算了线路长度400 km，换位点在L/3、2L/3时的不平衡度，并且考虑到实际工程中，由于换位塔对地形等条件要求比较高，因此，换位点有可能会前后移动。计算了前后各移动10 km、20 km、30 km时的不平衡度。结果见表5。

表5 换位点位置对换位线路不平衡度的影响计算结果Tab.5 Influence of transposition position on unbalance of transposition line

从以上计算结果可以看出，换位点在L/3、2L/3处时的不平衡度是最小的。

3.3 导线对地距离的影响

保持计算用系统参数和塔头尺寸不变，计算400 km不同杆塔呼高下的不平衡度，结果见表6。

表6 导线对地距离对不平衡度的影响（2个换位塔）Tab.6 Influence of wire-to-ground distance on the unbalance(2 transposition tower)

从表6可以看出，导线对地距离对输电线路不平衡度的影响很小，可以忽略不计。

3.4 线间距离对不平衡度的影响

3.4.1 水平线间距离的影响

保持系统参数、杆塔呼高、导地线间水平位移不变，对于垂直逆相序排列杆塔，保持垂直线间距离不变，计算400 km不同水平线间距离对不平衡度的影响，计算结果见表7。

表7 水平线间距离对不平衡度影响Tab.7 Influence of horizontal distance among lines on the unbalance

从表7可以看出，随着水平线间距离的减小，对于水平排列逆相序的未换位线路，负序不平衡度增加程度较大；对于换位的线路，不平衡度随着水平线间距离的增大而增大，增加幅度相对较小。这是因为，随着水平线间距离的增大，水平逆相序排列的两回线路之间的抵消作用减弱，互感阻抗不平衡的影响也随之增大。

3.4.2 垂直线间距离的影响

对于垂直排列的双回线路，保持系统参数、杆塔呼高、导地线间水平位移和两回导线空间位置不变，计算400 km线路不同垂直线间距离对不平衡度的影响，计算结果见表8。

表8 垂直线间距离对不平衡度影响Tab.8 Influence of vertical distance among lines on the unbalance

从表8可以看出，随着垂直线间距离的增大，对于逆相序垂直排列的线路，换位和不换位线路的不平衡度均有所减小，这说明适当增大相间距离能够使得两回路之间的抵消作用加强。

3.5 输送功率对不平衡度的影响

保持运行电压（1000 kV）和功率因数（0.95）不变，按照给定的塔头尺寸，分别计算400 km线路在不换位和换位的情况下不平衡度的变化，计算结果见表9。

表9 输送功率对不平衡度影响Tab.9 Influence of transmission power on the unbalance

从表9中可以看出，在不换位的情况下，线路轻载运行时，在运行电压不变的情况下，负载等效阻抗较大，因此，线路三相阻抗不平衡造成的不平衡度的影响较小；当线路满负荷运行时，在运行电压不变的情况下，负载等效阻抗较小，因此，线路三相阻抗不平衡造成的不平衡度的影响显著增大。在换位的情况下，由于线路已经具备比较好的平衡度，因此,三相对称负载的增加与减少对不平衡度的影响很小。

3.6 运行电压对不平衡度的影响

保持输送功率（假设为4500 MV·A）和功率因数（0.95）不变，按照给定的塔头尺寸，分别计算2种导线排列下400 km线路的不平衡度，计算结果见表10。

表10 运行电压对不平衡度影响Tab.10 Influence of operating voltage on the unbalance

从表10可以看出，随着运行电压的升高，线路不平衡度有所下降。这是因为在输送功率不变的情况下，运行电压升高，负载阻抗相应增大，因为线路三相阻抗不平衡造成的不平衡度的影响减小。

3.7 与750kV和500kV线路不平衡度比较

3.7.1 与750kV线路比较

计算条件为典型750kV线路工程参数：采用6分裂LGJ-400/50导线，塔型分别采用垂直逆相序排列鼓型塔，塔头尺寸见图5（a）。有功功率2300 MW，运行电压750kV，计算线路不平衡度。

从表11、表12的计算结果可以看出：1000 kV交流特高压线路在输送功率为4500 MW时，比750kV线路电压不平衡度略低。根据表7的计算结果，考虑到本工程系统额定输送功率可能会达到6000 MW，因此，1000 kV线路在385 km时不平衡度达到2%，750kV线路在200 km时不平衡度达到2%。

3.7.2 与500kV线路比较

下面将1000kV交流线路与500kV线路进行比较。

图5 750kV、500kV铁塔示意图Fig.5750kV,500kV tower diagram

表11 750kV换位与不换位线路不平衡度计算结果Tab.11 Unbalance of 750kV transposed and untransposed line

表12 1000 kV不换位线路不平衡度计算结果Tab.12 Unbalance of 1000 kV untransposed line

计算条件为典型500kV线路工程参数：采用4分裂LGJ-400/50导线，塔型采用垂直逆相序排列鼓型塔，塔头尺寸见图5（b）。有功功率1200 MW，运行电压500kV时，计算线路不平衡度，计算结果见表13。

表13 500kV换位与不换位线路不平衡度计算结果Tab.13 Unbalance of 500kV transposed and untransposed line

从表13的对比可以看出，500kV不换位线路的不平衡度略差于750kV线路。1000 kV线路在385 km时不平衡度达到2%，750kV线路在200 km时不平衡度达到2%，500kV线路在180 km时不平衡度达到2%。

4 结论

综合以上计算分析，本文主要结论如下：

1）对于同塔双回线路，导线排列方式对线路不平衡度影响非常大。不换位情况下，同相序排列方式的不平衡度最大，异相序和逆向序排列方式较好。

2）随着线路长度的增加，不平衡度变大。对于特高压同塔双回逆相序排列方式下，额定输送功率为6000 MW时，当线路长度到385 km时，不换位线路不平衡度达到2%。

3）导线相间距离的影响。随着水平线间距离的减小，对于水平排列逆相序的未换位线路，负序不平衡度增加程度较大；对于换位的线路，不平衡度随着水平线间距离的增大而增大，增加幅度相对较小。这是因为，随着水平线间距离的增大，水平逆相序排列的两回线路之间的抵消作用减弱，互感阻抗不平衡的影响也随之增大。随着垂直线间距离的增大，对于逆相序垂直排列的线路，换位和不换位线路的不平衡度均有所减小，这说明适当增大相间距离能够使得两回路之间的抵消作用加强。

4）在不换位的情况下，线路轻载运行时，在运行电压不变的情况下，负载等效阻抗较大，因此，线路三相阻抗不平衡造成的不平衡度的影响较小；当线路满负荷运行时，在运行电压不变的情况下，负载等效阻抗较小，因此，线路三相阻抗不平衡造成的不平衡度的影响显著增大。在换位的情况下，由于线路已经具备比较好的平衡度，因此，三相对称负载的增加与减少对不平衡度的影响就很小。

5）500kV线路不换位线路的不平衡度略差于750kV线路，1000 kV不换位线路的不平衡度相对最小。1000 kV线路在385 km时不平衡度达到2%，750kV线路在200 km时不平衡度达到2%，500kV线路在180 km时不平衡度达到2%。

6）济南—徐州段线路的换位方式。①济南—徐州段线路长414.5 km，全段为同塔双回线路。经过不平衡度计算，在线路逆相序垂直排列情况下，线路不平衡度为2.31%，经过1个整循环换位时的线路电压不平衡度为0.31%，2个整循环换位时的线路电压不平衡度为0.04%，2个整循环换位效果更佳，但是要增加2基换位塔，这将大大增加线路投资，而1个整循环效果已经很好，完全满足限值要求。②考虑事故情况，单回输送12000 MW功率时，一个整循环换位的电压不平衡度为0.52%，比正常运行时增加0.21%，但仍然远远小于2%的限值要求。

[1]泽利琴科A C.超高压架空线路机械部分设计[M].北京：水利电力出版社，1986.

[2]亚历山大罗夫ГН.超高压输电线路的设计[M].北京:水利电力出版社，1987.

[3]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].北京.中国电力出版社，2004.

[4]印永华.特高压大电网发展规划研究[J].电网与清洁能源,2009,25（10）:1-3.YIN Yong-hua.A study of large uhv electric power grid development planning[J].Power system and clean energy.2009,25（10）:1-3(in Chinese).

[5]顾锦汶，胡云.超高压超长距离交流输电若干问题的数字仿真研究[J].电网与清洁能源,2011,27（8）:1-6.GU Jin-wen,Huyun.digital simulation of ultra-high pressure ultra-long-distance ac transmission problem[J].Power system and clean energy.2011,27（8）:1-6(in Chinese).