特高压同塔多回混压输电线路潜供电流的影响因素仿真分析

郭鹏飞，张 玲，唐荣年，牛任恺

（1.海南大学机电工程学院，海口570228；2.国网冀北电力有限公司检修分公司，北京 102488）

特高压同塔多回混压输电线路潜供电流的影响因素仿真分析

郭鹏飞1，张 玲1，唐荣年1，牛任恺2

（1.海南大学机电工程学院，海口570228；2.国网冀北电力有限公司检修分公司，北京 102488）

同塔建设的多回架空输电线路同塔建设与单回和双回线路相比较，可以降低电力建设投资，起到减少环境影响的作用，并且可以在节约输电走廊的同时增加单位面积的输电容量。特高压同塔混压多回输电线路引起的潜供电流变化及计算，涉及特高压变电站内部分设备的选择，是特高压设计的重要计算，有必要进行深入研究。根据实际线路特点选取模型，运用PSCAD软件对特高压同塔多回混压输电线路的潜供电流进行仿真分析。研究相序和换位、杆塔塔型、线路长度、同塔段长度等的影响作用，研究表明塔型对潜供电流的影响较小，线路长度特别是故障线路长度对其影响严重，线路相序排列方式，能在一定程度上降低潜供电流三相间的差异。

特高压；同塔多回混压输电线路；潜供电流

0 引言

我国地域广阔，拥有极其丰富的可利用资源，但能源负荷与地理资源的重心并不一致，为满足全国范围内的电力资源优化配置，将西部电力资源通过高压输电调送到东部负荷中心，实现大规模的西电东送、南北互供、全国联网、建设坚强国家电网的发展战略，大容量、跨区域、远距离、低损耗的特高压输电工程建设在未来的电网规划中必将作为重中之重。

因为在特高压等级的线路中，绝大部分故障都属于单相接地故障，并且永久性故障的几率又很小，所以在工程实际应用中，为了提高供电的可靠性和系统的稳定性，特高压系统中一般使用单相自动重合闸来消除瞬时故障，潜供电流是在单相重合闸过程中一次电弧熄灭之后产生的一种暂态现象，并且潜供电流的大小也很大程度上限制了重合闸的时间，是影响单相重合闸成功率的一个非常重要的因素。对超高压及以上等级的系统来说，其电压高、输送容量大、线路长度长，这些系统的因素会导致潜供电流较大，在系统进行单相重合闸时潜供电弧因为不能自熄会引起电弧持续燃烧，从而造成重合闸失败，所以，为了自动重合闸成功率的提高，有必要对潜供电流采取限制措施。

随着电网的发展，电力输送走廊日益匮乏，在电网建设中涉及到的土地赔偿和房屋拆迁等费用在总工程花费中所占比重越来越大，为了在有限的输电走廊中输送更多电能，达到节约走廊用地以及减少项目开支的目的，国内外都纷纷开始着手研究紧凑型输电技术和同塔多回输电技术。该技术不但可以提高单位面积输电效率，并且可以节省线路走廊，具有明显的社会效益和经济效益[1-3]。在锡-上特高压输变电工程中输电线路的建设中，国网考虑在输电线路走廊紧张段架设1 000 kV/500 kV同塔混压四回输电线路。

由于特高压同塔多回线路线间耦合加剧，其潜供电流的特点会不同于常规特高压单回输电线路[4]。因此，为了整定合适的保护设备参数和为重合闸时间提供技术依据，有必要对特高压同塔多回输电线路的潜供电流特性进行研究。

目前，国内外学者针对潜供电流的研究方法主要由以下三种：等值模拟试验、现场模拟试验和数字仿真。主要针对潜供电弧的产生机制、潜供电流的大小和影响因素及限制其大小的措施等进行研究[5-8]。

现在对于超高压同塔单回，双回输电线路的潜供电流所做的研究已经很多，特点也已经明确，但是对于特高压同塔多回混压输电线路的研究仍较少，相较于同塔单回和双回线路，同塔四回线路在杆塔上的分布结构型式、导线采用的排列方式、各相相间距离、杆塔结构这些方面发生了较大变化，其潜供电流大小水平是决定线路单相重合闸成功与否的关键指标[9]。本文根据实际线路特点选取模型，运用PSCAD软件对特高压同塔多回混压输电线路的潜供电流进行仿真分析。研究相序和换位、杆塔塔型、线路长度、同塔段长度等的影响作用，找到不同影响因素下潜供电流大小的变化特点，为抑制措施研究提供依据。

1 输电线路潜供电弧及特高压同塔多回输电线路的特点

1.1 潜供电弧的基本概念

构成潜供电弧的两个主要因素是潜供电流和恢复电压。潜供电流继短路电流之后流过短路点，其值取决于线路参数、系统运行方式、线路传输容量、线路有无补偿电抗器等。

潜供电流（Secondary Arc Current）是在单相接地故障发生后，故障相两端断路器跳开，由故障相与健全相以及可能的相邻线路，通过静电耦合和电磁耦合继续向故障点提供的电流。由于潜供电流的存在，弧道上仍有个小能量的电弧继续燃烧，即为二次电弧（secondary arc），二次电弧即潜供电弧为故障点的对地电弧[10-11]。恢复电压是在潜供电弧熄灭后瞬间出现在弧道上的电压（Recovery Voltage）。

潜供电流由两个部分构成，静电感应分量和电磁感应分量，潜供电流的电磁感应分量由健全相通过相间的电感耦合形成[12]，健全相通过相间的电磁感应在故障相上产生一个感应电动势，由于相与地之间存在着对地电容，此电动势又经由故障相的对地电容形成回路，形成潜供电流的纵分量，横分量与故障点位置无关，但纵分量与故障点的位置有关，当线路中点发生故障时，电磁感应分量为零，越往两边电磁感应分量越大，当到达线路端点时电磁感应分量达到极值；静电感应分量是当发生短路接地之后故障相两端断路器断开，同时短路故障处的电压降低为零，健全相中的电压通过相间电容在故障相上产生一个静电耦合电流，静电耦合电流的大小与故障点的位置无关，但与线路的结构，例如杆塔的结构，线路的长短，换位方式，相序排列等有关。但是在潜供电流的计算中电磁感应分量所占比重很小，静电感应分量占大部分，因此在计算中通常可以忽略电磁感应分量，只计静电感应分量。图1是用于计算线路潜供电流的线路图。

1.2 特高压同塔多回输电线路特性分析

文献中建立了同塔多回输电线路的分布参数耦合模型，得到了潜供电流强制分量的表达式[13]，对其演绎可以得到同塔四回输电线路潜供电流 （强制分量）表达式：

图1 计算潜供电流的三相等效电路Fig.1 Three phase equivalent circuit for calculating the secondary arc current

式中：Zc为波阻抗，γ为相位常数，α为健全相对故障相的总互感系数，M为健全线路对故障相的总互容系数。

从上述公式可以得出同塔多回输电线路潜供电流特点：

潜供电流包含2个分量：其中第一部分与线路的补偿方式有关，取决于边界电压和电流向量，第二部分至于故障点距离电源的位置有关。

当输电线路回路越多，相位常数γc越大，波阻抗Zc越小。而互感系数α、互容系数M则与线路的相序排列和换位方式相关。

此外，与单回输电线路线路相比较，同塔多回输电线路具有以下特点：

1）同塔多回混压输电线路的相序排列方式，并联电抗器的装设形式，导线的换位方式更加复杂。

2）同塔多回混压输电线路静电和电磁耦合作用均加强，这使得潜供电流和恢复电压值均较大。由于是多回线路同塔架设，线路间的距离较近，除了本回线路三相间的耦合作用外，还存在线路两两间的耦合[14]。

3）故障方式增多。从理论上讲，同塔多回输电线路可能发生的故障包括了单相接地故障，双回两相同时接地（同名相或异名相）。两相同时接地故障在实际中发生概率较小，本文就单相接地故障进行研究。

2 仿真模型的建立

文中将同塔四回交流线路作为研究对象，采用PSCAD/EMTDC对其进行仿真研究。

图2是本文采用的1 000 kV/500 kV同塔混压四回输电线路的杆塔塔型导线布置示意图。编号1～6为双回500 kV线路，编号7～12为1 000 kV线路，编号13、14为地线。塔型1中，1-12均采用V串；塔型2中，1-6采用V串。

图2 1 000 kV/500 kV同塔混压四回输电线路杆塔塔型导线布置示意图Fig.2 Schematic diagram of tower type conductor layout of 1 000 kV/500 kV four-circuit on the same tower mixed voltage transmission tower

本研究使用的系统模型如图3所示。

图3 仿真模型示意图Fig.3 Schematic diagram of simulation model

本研究采用双端电源供电系统，m，S分别为1 000 kV和500 kV的电源输送端，n和R分别为1 000 kV和500 kV的电源受端，在1 000 kV和500 kV电源的出线段都有一部分是采用双回输电，在线路中间段，即输电走廊比较紧张的部分采用同塔四回输电线路，当1 000 kV线路长度超过100 km时，应采用并联高抗来补偿对地电容，以抑制工频电压的升高，图3中采用虚线标出的即是1 000 kV线路配置的高抗，高抗容量随线路长度的变化而变化。

根据锡盟-上海段的特高压同塔多回混压输电线路的杆塔模型、分布线路参数模型、线路接口模型、故障模型、断路器模型搭建特高压同塔四回混压输电线路模型。

仿真条件为：系统为双端电源供电系统，线路共四回，其中两回为1 000 kV，两回为500 kV，同塔多回段位于四回线路的中段，1 000 kV双回线路的输送容量为12 000 MW，500 kV的输送容量为3 700 MW，功率因数都为0.95，同塔上的四回线路都采用逆相序的排列方式[15]。

3 特高压同塔多回混压输电线路潜供电流的影响因素仿真分析

3.1 塔型对潜供电流的影响

在本文对探究塔型对潜供电流的影响时，在配置了高抗时暂不考虑中性点加装小电抗。

当1 000 kV线路长度为300 kM，500 kV线路长度为100 kM，每回1 000 kV线路配置600 Mvar的高抗。

分别仿真在不同形状的杆塔结构下其潜供电流的大小。仿真得到的结果如下：

表1 不同塔型下，1 000 kV线路潜供电流大小Table 1 The secondary arc current of 1 000 kV line under different tower type

由表1中数据可知，1000kV线路长度为300km，塔型一和塔型二下的潜供电流值相差并不大，差值仅约为潜供电流值的3.3%，即5 A左右。

当1 000 k线路长度为200 kM，500 kV线路长度为100 kM，每回1 000 kV线路配置840 Mvar的高抗。

分别仿真在不同形状的杆塔结构下其潜供电流的大小。仿真得到的结果如下：

表2 不同塔型下，500 kV线路潜供电流大小Table 2 The secondary arc current of 500 kV line under different tower type

由表2中数据可知，500 kV线路长度为1 00 km时，塔型一和塔型二下的潜供电流的差异仍然很小，仅3.5 A左右。

由表1和表2中数据可知，同塔多回输电线路塔型对潜供电流的影响较小，在进行线路杆塔选择时应重点考虑具体的工程实际情况。

3.2 线路长度对潜供电流的影响

潜供电流随线路长度的变化如表3所示。

表3 中性点不加小电抗，1 000 kV线路潜供电流随线路长度的变化Table 3 The neutral point does not add small reactance，1 000 kV line current with the changes in the length of the line

由表3中数据可以得知，在不加装小电抗时，潜供电流随线路长度变化明显，当1 000 kV线路长度由60 kM变为300 kM，500 kV线路长度由30 kM变为100 kM，同塔四回段长度变为90 kM时，潜供电流在各相首端的变化达到了A相129.9 A，B相101 A，C相116 A，但每相的首端中间段和末端潜供电流变化不大，最大差值不到2 A，由此可以得知，在线路长度一定时，潜供电流在线路上的大小基本不变。

在相同的条件下，当500 kV输电线路发生单相接地故障时，潜供电流随线路长度的变化情况见表4。

由表4中数据可以得到，在不加装小电抗时，潜供电流随线路长度变化明显，当1 000 kV线路长度由60 kM变为300 kM，500 kV线路长度由30 kM变为100 kM，同塔四回段长度变为90 kM时，潜供电流在500 kV各相首端的变化达到了A相24 A，B相26.3 A，C相36 A，但每相的首端中间段和末端潜供电流变化不大，最大差值不到2 A，由此可以得知，在线路长度一定时，潜供电流在线路上沿线分布的大小基本不变。

3.3 相序对潜供电流的影响

特高压输电线路在变电站的出线段一般采用双回输电线路，当遇到输电走廊狭窄的地段才会使用同塔多回输电，而在其他路段，每回线路或每两回线路仍旧单独占用一条输电走廊。在线路的同塔多回段，导线的相序排列方式对线路的不平衡度影响巨大，因此，在针对特高压同塔多回混压输电线路的潜供电流研究时，研究相序排列方式对潜供电流的影响程度具有明显的工程意义。

表4 中性点不加小电抗，500 kV线路潜供电流随线路长度的变化Table 4 The neutral point does not add small reactance，500 kV line current with the changes in the length of the line

在前文建立的模型基础上，针对其相序排列方式进行研究。导线的布置方式采用工程中常用的布置方式，1 000 kV线路位于上三层横担采用上中下垂直排列，500 kV线路采用三角形排列位于杆塔的下两层横担。在此文中，主要是针对三种排列方式进行探究，即同相序，逆向序和异相序。对应的字母表达式为

1）交流线路同相序（ABC-ABC）

2）交流线路逆相序（ABC-CBA）

3）交流线路异相序（ABC-BCA）

各种导线排列方式的示意图如图4所示。

图4 相序排列示意图Fig.4 Phase sequence diagram

仿真得到不同相序排列方式下1 000 kV线路各相潜供电流大小，幅值如表5所示。

表5 同塔四回不同线路排列方式下1 000 kV线路潜供电流Table 5 1 000 kV line secondary arc current with the tower four-circuits in different arrangement

由表5中数据可以得出，当线路高抗中性点不装设小电抗，不换位而只改变线路的相序排列时，在三种排列方式下的潜供电流值都较大，通过对数据的比对可以得知，在线路异相序排列时的潜供电流最大，当逆相序排列时潜供电流最小，逆向序和异相序最大差值为1 000 kV线路300 km，500 kV线路100 km，同塔四回段90 km时的A相潜供电流，差值为56.1 A，差值比为39.93%。

可以得知，潜供电流受线路的相序排列方式影响很大，在同相序，逆向序，异相序三中排列方式中逆相序的潜供电流最小，不平衡度最低，且线路同相序排列，随着线路长度增加三相电流最大差异均在7.3%～8.0%之间；逆相序排列，三相电流差异在18%～19%之间；异相序排列，三相电流差异在45%～52%之间。可见，随线路长度增加，三相潜供电流幅值均增加，但三相电流差异变化较小。

3.4 换位对潜供电流的影响

根据之前对500 kV线路的研究可知，对线路进行换位可以减小线路的不平衡度，使得三相对地电容达到接近相等的水平，从而达到减小潜供电流的目的。在以往的研究中换位方式主要有三段式同向换位、反向换位，四段式同向换位、反向换位，五段式同向换位、反向换位，笔者针对三段式逆向序同向换位和反向换位进行仿真研究。图5是逆向序同向换位和反向换位的示意图。

同样本文选取杆塔二作为研究对象，采用双端电源供电系统，在线路中部采用同塔四回，其余部分的线路单独占用一条输电走廊。1 000 kV线路的输送功率为12 000 MW，500 kV线路的输送功率为3 700 MW，功率因数都为0.95，选取1 000 kV线路长度为100 km，500 kV线路长度为60 km，同塔段长度为30 km，不加装小电抗时对线路进行一次全换位之后得到的各项故障潜供电流结果如表6所示。

图5 逆相序换位方式示意图Fig.5 Inverse phase sequence transposition diagram

表6 无相间补偿，反向全换位前后潜供电流的大小Table 6 Without phase compensation，the magnitude of the secondary arc current of reverse full transposition

由表6中数据可以得知，在高抗中性点不加装小电抗接地的情况下，线路进行一次反向全换位之后，潜供电流有适当的减小，但是仍不能达到灭弧的要求。反向换位的潜供电流大小虽然不是最小，但是相比较来说其大小更加均匀，三相潜供电流值更加接近，最大差值为14%，而不换位情况下三相最大差值达到21%，这样更加均匀的潜供电流有利于对设备参数进行整定。不同换位方式下，线路首端、中间和末端潜供电流差异较小，最大仅为0.4 A，此时潜供电流分布与故障点位置无关。

4 结论

笔者主要研究了塔型、线路长度、相序和换位对特高压同塔多回混压输电线路潜供电流大小的影响，以期为抑制措施研究提供依据。研究结果表明：

1）特高压同塔多回混压输电线路不同塔型对潜供电流的影响较小，在进行线路杆塔选择时应重点考虑具体的工程实际情况。

2）特高压同塔多回混压输电线路长度对潜供电流的影响明显，这主要是影响力潜供电流的静电感应分量。且故障线路长度对潜供电流影响明显，非故障线路长度的影响作用较小。

3）改变特高压同塔多回混压线路相序排列方式，能在一定程度上降低潜供电流三相间的差异，且同相序排列时故障点潜供电流最小。

4）换位使得相间参数更加均匀，能减小三相潜供电流差异。但是无中性点小电抗补偿相间电容，所以换位对降低潜供电流值的作用不明显。逆向序反向换位方式下三相电流更加均匀，潜供电流最小。

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Simulation and Analysis of the Influence Factors on Secondary Arc Current of UHV Mixed Voltage Multi-Circuit Transmission Line

GUO Pengfei1，ZHANG Ling1，TANG Rongnian1，NIU Renkai2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hainan University，Haikou 570228，China；2.Chinese Hebei North Electric Co.，Ltd.，Maintenance Branch，Beijing 102488，China）

Comparing the multi-circuit overhead transmission line with single-circuit and doublecircuit on the same tower，shows that the former can reduce the electric power construction investment，and it have fewer adverse environmental impacts，moreover，it can save power transmission corridor and increase the transmission capacity of per unit area.The variation and calculation of potential supply current caused by multi-circuittransmission lines in UHV transmission line，which involves the selection of some equipment in UHV substation，is an important calculation of UHV design，it is necessary to conduct in-depth study.According to the actual line feature selection model，based on PSCAD software，the secondary arc current of UHV transmission line is simulated.The effects of sequence and transposition，tower type，line length，the same tower segment length are studied.Studies show that the impact of tower type on the secondary arc current is smaller，line length especially the length of the fault line serious effect on the secondary arc current，line phase sequence，in a certain extent reduce the potential for differences in three phases of current.

UHV；multi-circuit transmission line；secondary arc current

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.008

2016-07-13

郭鹏飞 （1990—），男，硕士，研究方向：热带农业生产过程中的检测和控制，电力系统的接地保护。

海南省重点科技专项 （编号：ZDXM2014079）。