某电厂500 kV输电线路三相电流不平衡原因分析

孙旭威

(辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116300)

由于三相输电线路自身参数的不平衡、相邻线路的影响及输电线路在布置上不换位或不完全理想换位，会导致输电线路运行时，各相导线存在不对称电压、电流。当系统电压、电流的不平衡度超过允许值时，就可能影响到发电机等电气设备的正常运行及继电保护的整定计算。本文涉及的输电线路不平衡问题已超过GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》(以下简称标准)所允许的不平衡要求，下面对这一问题产生的原因进行分析。

1 系统概述

某电厂500 kV开关站采用二分之三接线，5个完整串、1个不完整串，共5条输电线路、远期6台机组。其中1、2、3号线接入电网侧二分之三完整串接线开关站1，电厂侧开关站配电装置为全套气体绝缘开关设备(GIS)，电网侧开关站1配电装置为户外敞开式开关设备。本文涉及的1、2、3号线为该电厂至电网侧开关站1同一输电通道内3条并行的输电线路，见图1。

1号线为独立的输电线，全长33.01 km，呈品字形接线；2、3号线为同塔双回，垂直逆相序排列，长度为32.98 km；4、5号线路(独立成塔，长度为139.36 km)接入对侧开关站2，其输电通道与1、2、3号线不同；电网侧开关站1和开关站2之间的电气联系较弱。现场输电线路为塔形布置(见图2，图中A、B、C为输电线路的三相)。下文数据分析最初没有4、5号线路的数据，随着工程进展，4、5号线依次建成投运后加入了相关数据。

图2 某电厂线路布置情况(从该电厂面向输电线路)

2 三回输电线路电流不平衡现状

该电厂输电线路的不平衡现象主要集中在1、2、3这3条线路；其中1号线偏差较大，超过标准要求。历史数据见表1—表3，表中所有数据来自同步相量测量装置(PMU)，3组数据同源同时刻，一次电流互感器准确等级为0.2级；根据PMU的工作原理，表中的电流角度为同一时刻的相对角度；不平衡度的计算参照标准要求，三相不平衡的程度分别用电流负序基波分量和零序基波分量与正序基波分量的均方根值百分比表示；表中不平衡度的计算为负序不平衡，在电网正常运行的最小运行方式下，按标准要求的测量时间和测量条件进行取值，负序不平衡度不超过2%，短时不超过4%[1]。

表1 线路不平衡度计算(2013-08-06 1台机组运行数据)

表2 线路不平衡度计算(2014-11-10 2台机组运行数据)

表3 线路不平衡度计算(2017-10-14 4台机组运行数据)

从表1—表3中数据可知，该电厂1号线电流三相不平衡超过了国家标准要求，2、3号线满足要求；1号线电流不平衡的原因主要集中在B、C两相电流的差值上(B相电流最大，C相电流最小)。将3条线路作整体(九相三相序)计算，3条线路的A相电流总和与B相电流总和、C相电流总和基本相等，说明3条线路整体电流平衡。

3 现场排查

3.1 计量回路核查

检查1、2、3号线测控装置所使用的电流互感器，其准确等级为0.2级，交接试验报告显示满足GB 1208—2006《电流互感器》相关要求；检查测控装置校验记录，精度满足要求；与电网侧开关站核对线路电流数据，同一时刻两侧数据一致，见表4。综上可确定计量二次侧反映的是一次侧的准确值，线路的电流不平衡并不是因为互感器的不准确传递引起的，一次侧确实存在电流不平衡。

表4 同一时刻线路两侧电流数据对比 单位：A

3.2 电厂内的电流核查

截取同一时刻1、2、3号线输电线路及厂内4台机组、4台主变压器(简称主变)的三相电流进行核算，各台机组出口电流平衡，机组经主变接入开关站，主变高压侧三相电流平衡且中性点电流为零，可确定线路的不平衡电流只发生在系统侧而非电厂侧，主要集中在1、2、3号线之间。

3.3 电厂侧开关站主回路检查

根据电工原理，系统侧的电路由开关站内部主回路及输电线路两部分组成。以下分析开关站内部一次主回路对电流不平衡现象的贡献度[2]。

a.如果开关站内部某断路器或隔离开关接触电阻过大，会导致三相电流不平衡。在线路两侧开关站记录一次设备倒闸操作过程中不同接线方式下，线路不平衡电流的突变情况，未发现明显变化。

b.查看电厂侧开关站内部一次主回路直阻交接试验报告，一次导电主回路电阻值(μΩ级别)三相平衡且都满足不大于标准值120%的要求。

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综上分析可排除站内设备引起线路电流不平衡的可能。

3.4 线路检查

1、2、3号线线路长度基本相同，所用钢芯铝绞线参数一致，输电线路路径相同，线路日常巡检及检修过程中未见明显断股、线路连接不牢、开裂等现象，可认为线路带电前三相阻抗值平衡。虽然在送电前对线路均进行了阻抗参数测量，但所测阻抗参数为输电线路的三相集中参数[5]，对本问题的分析意义不大[3]。

4 电流不平衡原因分析

当三相电源对称时，三相不平衡电流产生的原因是电路中三相电气元件的不平衡，即负荷不平衡及输电线路三相参数不对称。

a.对于500 kV高压系统而言，因负荷在低压侧，下游负荷经过了多级变压器的再平衡，且该电厂3条线路除线路杆塔布置不一致外，线路两侧开关站接线方式都为二分之三合环运行模式，潮流负荷不会造成线路相间的不平衡。对比表1—表3的数据也可看出负荷对不平衡的贡献较小。

b.根据统计结果可知，2013—2018年不同负荷、不同运行方式下，负序和零序角度变化不大，可认为导致线路电流不平衡的主要因素为线路自身的运行不平衡。输电线路三相参数不对称，除前面分析的主回路自身参数的原因外，主要取决于各相导线相对于其他导线的距离不对称。

在线路导线ABC坐标系阻抗系数矩阵[4]中，导线的单位长度回路阻抗(自感系数)Zii为

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

两根导线单位长度互感阻抗(互感系数)Zij为

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

式中：Rii=Ri+Rg，为导线等效电阻；Ri为导线单位长度电阻，取决于输电导线的选型，导线型号固定后是一个各相均衡常数；Rg为大地回路等值电阻，Rg=π2×10-4f，为一常数；Dg为导线地中虚拟导体等值深度，Dg= 660ρ/f；ρ为土壤电阻率；f为系统频率(为一常数)；rsi为相应导线和地中虚拟导线的等效半径，当输电线路的选型和结构确定后，为一各相均衡常数；Dij为两导线之间的相对距离，具有不均衡性。

对比1、2、3号线的不平衡度差异(见表1—表3)及3条线路的导线布置(见图2)，可认为1号线输电线路的三相电流不对称主要是由各相参数的不对称所引起，各相参数不对称的主要原因是1号线导线三角形排列造成各相导线间距不同，以及1号线各相导线与2、3号线各相导线的距离不对称。

在2号线停运时，选取同一时刻输电线路的电流，可见1号线的电流不平衡现象明显降低，数据见表5。

在3号线停运时，选取同一时刻输电线路的电流，可见1号线的电流不平衡现象也明显降低，数据见表6。

对比表5与表6数据可知，2、3号线分别停运时，1号线电流不平衡度均明显降低，且2号线停运时不平衡度的降幅更大，符合2、3号线与1号线之间的空间物理位置差异(注：该电厂不存在2号线和3号线同时停运的工况，线路布置见图2)。在同一输电通道内，相邻输电导线间的强电磁耦合会造成较大的不平衡，在理论上和实际工程中都有案例。

c.在输电线路不换位的情况下，因为输电线路参数不平衡产生不平衡电流的可能原因还有：①架空线位置对地不对称造成输电线路参数不对称产生负序电流[5]，但该电厂输电线路长度较短，1号线A相和C相对地位置相同而电流不同，此原因的贡献度较小；②同塔双回的输电线路除导线自身对地不对称造成的不平衡电流外，还存在环流型不平衡，即同塔双回线在两回路中感应出的零序和负序电势之和不为零，不平衡电势使环流在回路中流过，由于线路阻抗较小，可造成较大的不平衡环流[6]。虽然1号线与2、3号线非同塔双回，但两侧开关站都是二分之三接线方式，相当于1、2、3号3条线路是环回状态，也存在环流型不平衡。此问题主要受环流产生的不平衡电势影响。对比线路两侧开关站同一时刻的电流，环流很小，可排除此原因。

综上所述，引起1号线电流不平衡的主要原因为输电线路的不均衡布置，使2、3号线与1号线之间的不均衡强电磁耦合。

5 建议

5.1 不平衡定量分析

线路送电前的参数测量是三相集中测量后的对称参数，无法进行不平衡度的定量分析。可在线路停电时对线路每相进行直阻测试，测试的结果反映各相的不平衡情况，同时验证线路是否存在断股、塔线连接接触电阻是否过大。1号线停电时，可在线路两侧均挂地线的情况下测量A、B、C相受2、3号线电磁耦合作用时的感应电压和感应电流。

该电厂利用1号线线路检修窗口，对其参数(线路分相阻抗、分相电容、分相电磁感应电压、电流)进行了测量。从测量结果看，A、B、C三相均不存在线路断股、塔线连接接触电阻过大的问题，但1号线受到了2、3号线路的电磁耦合影响，这里不作具体的定量分析。

5.2 仿真计算

输电线路工程建设的趋势是输电通道趋于紧凑，导线间的互相干扰必将造成电路运行的不平衡。目前仿真技术的发展已非常成熟，理论仿真与实际结果基本吻合。可积累当前不同模式运行线路的参数，在后续线路投运前建立数据模型，给出最合理的输电线路布置，以便更好地指导线路工程建设。该电厂1号线电流不平衡问题的解决，首先可建立1、2、3号线的线路模型。根据现有分析，可模拟在两侧开关站进站前的第一杆塔处将线路的B、C相互换(由右向左C、B、A更换为B、C、A)，进行不平衡度计算后再在现场实施[7]。

5.3 路径优化

该电厂重新设计了二期接入系统的网架，并与电力设计院就不平衡问题进行了沟通。在后期电厂变更接入电网的网架结构时，需重新进行线路设计，以便从根本上解决此问题。