单双回混合输电线路电气不平衡度影响因素分析

沈力，田开庆，曹陶爽，杨洪磊

(中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，昆明 650051)

0 前言

我国现已基本建成连接各大区域电网、大煤电基地、大水电基地和主要负荷中心的超/特高压大电网［1］，为实现全国电网互联，提升电网优化配置，仍需大力推进特/高压电网、不断新建超/特高压输电工程。但是，随着土地资源的日益紧缺，输电线路走廊也日益紧张。同塔双回输电线路因其具有输送能力强、工程造价低、所需出线走廊窄、占地面积少、建设周期短等优点而在现代电网建设中得到了广泛的应用［2］。但在以能源输出为主的西南地区，大多同塔双回输电线路并非全线都是同塔架设的，在重冰区或者是输电走廊开阔区域，为保证输电线路供电可靠性，两回输电线路多采用单回路平行架设方式。

现已有的关于输电线路电气不平衡度的研究大多是针对全线同塔双回架设线路或全线单回路架设情况［2－4］，鲜有文章针对同塔双回路与两条平行单回路混合架设的输电线路进行深入分析。本文推导、分析并仿真验证了单双回混合架设输电线路电气不平衡度产生的原因。采用PSCAD/EMTDC 建立了单双回混合输电线路模型，仿真分析了混合输电线路电气不平衡度的变化规律，给出了超/特高压单双回输电线路混合架设的相关建议，为今后混合输电线路的设计提供一定的技术参考。

1 线路不平衡度分析

1.1 单回线路不平衡度理论分析

输电线路主要有电阻、电抗、电导、电纳四个参数，其中，造成输电线路电气不平衡的主要参数是电抗和电纳。单回输电线路模型如图1所示。

图1 单回路三相输电线路模型

假设在线路阻抗上施加对称电压源，根据电路理论相模变换基本知识，当输电线路对称排列，即输电线路采用正三角排列时，zAA=zBB=zCC=zs，zAB=zBC=zCA=zm，序阻抗矩阵Zsc为一对角线矩阵，如式(1)所示。

因为施加在三相阻抗上的电压对称，所以:

当三相输电线路不对称排列时，以水平排列为例说明，序电流的表达式为

由式(3)可以推导出单回路负序电感不平衡度的近似表达式为［5］

从上式中可看出，若不考虑系统阻抗，负序电感不平衡度随线路长度的变化基本不变，但在考虑系统阻抗的情况下，负序电感不平衡度均随线路长度的增加而增大。

同理，单回路负序电容不平衡度的近似表达式为［5］

从上式中可看出，负序电容不平衡度不随线路长度的变化而变化。

1.2 同塔双回线路不平衡度

与单回路分析方法相同，同塔双回路负序电感不平衡度的近似表达式为［5］

由式(6)可以看出，同塔双回输电线路与单回路有相同的结论，在考虑系统阻抗的情况下，电气不平衡度随线路长度的增加而增大。但是，同塔双回输电线路电气不平衡度的分析更加复杂，这是因为同塔双回输电线路不仅存在相间耦合，还存在线间耦合。

1.3 输电线路换位原则的现状

根据《110～750 kV 架空送电线路设计规程》(GB 50545－2010)规定:在中性点直接接地的电力网中，长度超过100 km 的线路均应换位，换位循环长度不宜大于200 km。规程仅是针对单回路做出了规定，对于同单双回混合线路是否适用，有待进一步研究。本文将针对这一问题进行仿真分析计算。

2 单双回混合线路不平衡度

2.1 不平衡度仿真模型

本文搭建单双回混合输电线路模型如图2 所示，设首端运行电压为525 kV，末端运行电压为500 kV，两端电源正序阻抗和负序阻抗相等，为Zm1=Zm2=Zn1=Zm2=j49.45Ω，送端和受端零序阻抗Zm0=Zn0=j46.53Ω。单双回混合线路全长100 km，导线采用4×JL/G1A－400/50 钢芯铝绞线，分裂导线间距为400 mm，两根地线采用JLB20AC－120 铝包钢绞线，土壤电阻率取300 Ω·m，线路采用贝杰龙模型。

图2 单双回混合输电线路模型

2.2 单双回混合线路不平衡度影响因素分析

2.2.1 不同相序排列下的不平衡度计算

同塔双回输电线路共有6 种排序方式，如表1 所示。

表1 同塔双回输电线路相序排列

同理，定义两个单回同走廊输电线路的排序方式，如表2 所示。

表2 两个单回同走廊输电线路的排序方式

如图2 所示的单双回混合输电线路的排序方式共有216 种，这里双回路部分采用同一种排序方式，且四种异相序排列中仅以异相序3 为例说明，保持系统参数和塔头尺寸不变，单、双回路部分分别为25 km 和75 km，不同排序方式下首端的电气不平衡度计算结果，综合考虑电压不平衡度和电流不平衡度，对于单双回混合输电线路，本文优先推荐采用同－逆排列方式、其次推荐逆－逆排列方式。

2.2.2 线路分布对不平衡度影响

如图2 所示的仿真模型，假设输电线路总长度为100 km，其中，两个单回路并行架设长度为25 km，同塔双回路部分长度为75 km。单回路部分采用同相序排列，同塔双回路部分采用逆相序排列，单、双回线路不同分布情况下的电气不平衡度计算结果可以看出，在相序排列方式且单、双回路线路长度一定的情况下，混合线路的单双回分布对电气不平衡度基本没有影响。

同样，假设线路总长度为100 km，单回路部分采用同相序排列，同塔双回路部分采用逆相序排列，单回路部分由0 km 增加至90 km 的电气不平衡度可以看出，对于单、双回混合线路，负序电压不平衡度和负序电流不平衡度随着单回路长度增加先减小后增大;零序电压不平衡度和零序电流不平衡度随着单回路长度增加而减小，如图3 所示。

图3 单回线路不同长度下的电气不平衡度

综合上述分析可以看出，对于本线路而言，单回路占30%～40%为宜。这里需要注意的是，对于其他混合线路，该结论会因塔头尺寸、线路参数等的不同而略有不同。

2.2.3 线路长度对不平衡度影响

单回路部分采用同相序排列，同塔双回路部分采用逆相序排列，单、双回路线路长度各占总长度的一半，不同总长度下的电气不平衡度数据可以看出，负序电压不平衡度、负序电流不平衡度、零序电压不平衡度和零序电流不平衡度都随线路长度的增加而增大。

2.2.4 传输功率对不平衡度影响

对于单双回混合线路，线路之间存在相间耦合和线间耦合，因此当线路输送功率变化时，耦合强弱也不同，导致电气不平衡度不同。假设线路总长度为100 km，其中两个单回路并行架设25 km，同塔双回路部分75 km。单回路部分采用同相序排列，同塔双回路部分采用逆相序排列，不同传输功率下的电气不平衡度同样，单回路部分采用同相序排列，同塔双回路部分采用同相序排列，由试验数据可以看出，无论是在同－逆排列方式下，还是在同－同方列方式下，电压不平衡度随输送功率的增大而增大;电流不平衡度虽然随功率的增大而有所增大，但是增量不明显。这是因为电压不对称是线路互感造成的，而电流不对称是线路分布电容造成的，输送功率的增大会加强线路间的磁耦合，而对静电感应大小影响不大。

3 结束语

本文利用PSCAD/EMTP 软件建立了单双回混合输电线路模型，对影响电气不平衡度的主要因素:相序排列方式、单双回线路分布、线路长度和传输功率等进行建模仿真，并利用Matlab 软件进行计算分析，得出结论如下:

1)对于单双回混合线路，采用同－同相序排列方式，电压不平衡度最大，采用异－异相序排列方式，电压不平衡度最小，但在同－异、异－异、逆－异相序排列方式下，电流不平衡度较大。综合考虑电压与电流不平衡度，在实际单双回混合线路中，优先考虑同－逆排列方式或逆－逆排列方式。

2)单、双回路线路长度一定的情况下，混合线路的单双回分布对电气不平衡度基本没有影响。在总长度一定的情况下，负序电压不平衡度和负序电流不平衡度随着单回路长度增加先减小后增大;零序电压不平衡度和零序电流不平衡度随着单回路长度增加而减小，因此，对于实际混合线路，通过仿真分析可以找到一个合适的单双回比例，使得电气不平衡度最小。

3)负序电压不平衡度、负序电流不平衡度、零序电压不平衡度和零序电流不平衡度都随线路长度的增加而增大。

4)无论是在同－逆排列方式下，还是在同－同方列方式下，电压不平衡度随输送功率的增大而增大;电流不平衡度虽然随功率的增大而有所增大，但是增量不明显。

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