共用走廊的复杂多回输电线路感应电压和感应电流仿真分析

伊晓宇，张佳鑫，郑雄伟，张志猛，孙翠英

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021)

近年来，伴随用电需求大幅增加，需不断架设输电线路以满足电量输送需求。受输电走廊地形、工程造价、改破口等影响，线路网络更加错综复杂，越来越多输电线路出现同塔、非同塔交叉排列，与其他输电线路共用走廊区段情况，导致线路间的耦合作用增强。

近年来，对于同塔多回输电线路感应电影响已开展大量研究，但对于存在共用走廊的多回输电线路，由于在输电线路局部存在一定长度近线段，且在近线段两侧一般存在延长段，延长段的电容、电感效应，对停运线路电磁耦合作用产生影响。并且同塔输电线路杆塔一般与平行架设杆塔型式不同，造成导线布线方式有很大不同。因此，与全线同塔架设的输电线路相比，共用走廊输电线路的电磁耦合拓扑结构会发生很大变化。但目前针对共用走廊架设的复杂多回输电线路感应电问题，还未引起高度重视，因此有必要对此方面开展研究。

根据相关文献，影响线路感应电压的主要因素有各回路的架设参数(弧垂、档距、杆塔布置等)、线路运行状况、线路长度、线路换位方式、相序布置、相间和回路间距离以及线路的高压并联电抗器配置等。而对于共用走廊多回输电系统，除以上影响因素外，近线段水平间距、近线段长度及位置对停电线路两端电磁耦合及沿线路的分布情况产生较大影响。

本文利用EMTP-ATP软件仿真分析了华北地区某在运500 kV双回输电线路(非同塔)在一回运行、一回停运时的感应电压、感应电流，仿真分析了复杂多回输电线路间的水平间距、近线段长度、近线段位置、输送潮流等因素对停运线路上感应电压的影响规律。对线路停电检修时制定的安全措施提出建议，旨在为解决工程实际问题提供参考。

1 理论分析

对于多回非全线同塔存在近线段平行架设输电线路，当一回停运、其他回路正常运行时，运行线路在其周围将产生交变的电磁场，停运线路与其交链，因此会在停运线路上感应出一个沿导线方向分布的纵电势，线路间感应电压、电流见图1。CAa、CBa、CCa和MAa、MBa、MCa分别为运行线路A、B、C三相与停运线路a相之间的单位长度互电容和互电感，Ca0、L分别为检修线路a相单位长度对地电容和电感，l为线路长度，运行线路各相运行电压、电流分别为UA、UB、UC、IA、IB、IC。

图1 近线段平行线路感应电压、电流

为便于分析，忽略运行线路对地电容和线间电容、停运线路线间电容、沿线电阻、全部对地有功泄漏。采用分布参数法，停运线路a相任一位置的U、I方程为

(1)

(2)

运行线路电流、电压相角均互差120°，上式简化推导出感应电压和电流通用公式为

U2=U1cosγl-jI1ZCsinγl+(α/γ2)UA(1-cosγl)-j(M/L)ZCIAsinγ

(3)

I2=-j(U1/ZC)sinγl+I1cosγl+j(α/γ2ZC)UAsinγl+(M/L)IA(cosγl-1)

(4)

γ为线路的传输参数。计算公式为

(5)

α为线路的等效电容，计算公式为

(6)

Zc为线路上的波阻抗，计算公式为

(7)

M为等效电感，计算公式为

(8)

当停运线路不存在接地点时，感应电压主要由静电耦合起作用。

(9)

当停电线路一端接地时，在另一端产生的感应电压主要由电磁耦合起作用，在接地端产生的感应电流主要由静电耦合起作用。

|U|≈|jωl(MAaIA+MBaIB+MCaIC)|

(10)

|I|≈|jωl(CAaUA+CBaUB+CCaUC)|

(11)

当停电线路两端接地时，在停电线路上产生的感应电流主要由电磁耦合起作用。

I≈-(MAaIA+MBaIB+MCaIC)/L

(12)

2 仿真算例建模

为定量分析近线段水平间距、近线段长度、近线段位置等影响因素对停运线路感应电压影响，搭建存在单个近线段的双回输电线路模型，确定如下计算条件：线路输送功率为1200 MW，沿线电压取额定电压的105%，近线段区间间距取50 m，线路全长为350 km，近线段长度为50 km，近线段两侧分别存在150 km延长段，线路全线不换位。

线路布置结构如图2所示，两回线路均为水平排列方式，导线型号为4XLGJ-400/35，左侧地线型号为GJ-80，右侧地线型号分别为JLB40-150和OPGW。线路参数见表1。

表1 线路参数

图2 近线段内双回线路结构布置

在运行工况为Ⅰ回线正常运行、Ⅱ回线停运时，计算停运线路上耦合感应电压如表2所示。从仿真结果可知，在近线段回路水平间距为50 m、长度为150 km的条件下，静电感应电压可达到3.20 kV，电磁感应电压可达到1.24 kV。本文将基于该算例对近线段水平间距、近线段长度、近线段位置、输送功率等影响因素进行仿真分析，并总结变化规律。

表2 线路感应电压和感应电流计算结果 单位：kV

3 影响因素分析

3.1 近线段水平间距

近线段长度为50 km，近线段两侧延长段长度均为150 km，此时近线段长度为计算总长度的14%，当Ⅰ回线正常运行、Ⅱ回线停电时，保持运行电流不变，近线段部分水平间距从10 m增至200 m，对停电线路上的感应电压进行仿真计算，其静电感应电压和电磁感应电压结果见图3。

图3 在近线段不同水平间距条件下感应电压和感应电流

根据图4仿真结果可知，近线段水平间距是影响停电线路感应电压的一个重要因素。以静电感应电压为例，水平间距小于100 m时，间距对感应电压的影响较大，水平间距从20 m增至40 m，静电感应电压从19.21 kV减小到7.86 kV，差值为11.35 kV；而水平间距从100 m增至150 m，静电感应电压从0.58 kV减小到0.18 kV，差值仅为0.4 kV，同样，电磁感应电压和电流有同样变化规律。因此可知，停电线路的感应电压、感应电流随着水平间距的增大而不断减小，但并非线性关系，随着间距的不断增大，运行线路对停电线路耦合作用明显减小，感应电压、感应电流变化也逐渐趋于平缓。

3.2 近线段长度

分别计算了近线段两侧延长段长度均为150 km，近线段部分长度从5 km增至200 km，以及总长度为200 km不变，近线段长度占总长度百分比从5%增至50% 2种情况下的停运线路上耦合产生的感应电压和感应电流，其结果见图4、图5。

图4 两侧延长段长度不变近线段部分不同长度下感应电压和感应电流

图5 线路总长度不变近线段长度增加时的感应电压和感应电流

根据图4和图5仿真结果可知，近线段部分的长度同样是影响停电线路感应电压的一个重要因素，停运线路上的静电感应电压和电磁感应电压均随近线段长度的增加而增加。由图5可知，随着近线段占总长度比例不断增加，停运线路上的静电感应分量和电磁感应分量均不断增加，并且近似成正比例关系。因此可知，在线路总长度不变的情况下，静电感应电压和电流、电磁感应电压和电流与近线段长度占比成正比。

3.3 近线段位置

近线段间距为50 m，近线段长度为50 km，两侧延长段长度分别为150 km。当Ⅰ回线正常运行、Ⅱ回线停电时，保持运行电流不变，近线段位置从首端逐渐向末端变化，其首末端静电感应电压和电磁感应电压结果见图6。

(a)线路首端感应电压和感应电流

根据图6仿真结果，近线段位置对停电线路上耦合产生的感应电压有较大影响。当近线段位置从首端向末端变化时，首端静电感应电压和静电感应电流逐渐减小，末端的静电感应电压和静电感应电流逐渐增加。当近线段位置从首端向末端变化时，首端和末端的电磁感应电压和电磁感应电流均逐渐减小，但首端变化幅度较小，末端电磁感应电压和电磁感应电流变化较大。

3.4 线路输送功率

近线段间距为50 m，近线段长度为50 km，两侧延长段长度分别为150 km。当Ⅰ回线正常运行、Ⅰ回线停电时，运行线路上的输送功率从500 MW增至5000 MW时，其停电线路上的感应电压与感应电流结果见表3。

表3 输送功率变化时感应电压和感应电流

从表3结果可知，停电线路上的静电感应电压和静电感应电流随输送功率的增加而增加，但影响较小，而电磁感应电压和电磁感应电流随输送功率的增加而明显增大，几乎成正比例关系。

4 华北地区某500 kV双回输电线路感应电分析

4.1 线路参数及建模

本文选取华北地区某在运500 kV双回输电系统(以下简称AB双回线)，其中AB Ⅰ线线路长度为48.444 km，共有铁塔115基，AB Ⅱ线线路长度为55.284 km，共有铁塔144基。导线均采用4×LGJ-400/35的钢芯铝绞线。避雷线型号分别如图7所示。避雷线采用以耐张段为单元分段绝缘中间一点接地方式，光缆采用逐基接地方式。AB双回线相序排列方式和换位情况如图8所示。

图7 AB双回线避雷线布置

图8 AB双回线相序排列方式和换位

500 kV AB双回线路仅在线路两侧站内段2基塔同塔外，全线无同塔架设，并通过对AB双回线杆塔位置坐标分析，双回线间存在3个近线段，近线段位置信息如表4所示。因此，依据本文对近线段、间距、位置及长度的仿真分析所得结论，为保证仿真结果的准确性，利用EMTP-ATP软件，将双回线分为7段LCC模型来进行建模仿真。在运行工况为 Ⅰ回线正常运行、Ⅱ回线停电检修时，输送潮流为5000 MW和1500 MW时，计算线路两侧感应电压和感应电流。感应电压和感应电流仿真结果如表5所示。

表4 AB双回线路近线段位置信息

表5 AB双回线路感应电压和感应电流结果

4.2 线路停电检修时安全措施

由表5结果可知，对于该双回输电线路，3个近线段总长度为9.1 km，仅约占线路全长的1/5，平均水平间距为55 m，在输送潮流为1500 MW时，静电感应电压已达到1.2 kV，电磁感应电压为0.25 kV，当输送潮流增加到5000 MW时，电磁感应电压已达到0.87 kV，如若近线段长度增加和(或)水平间距较小时，停电线路上耦合产生的感应电流和感应电压将线性增大。因此一回线路停电检修时，有必要提前计算或现场测量线路上的感应电压和电流大小，根据感应电大小制定安全措施，在检修点加装接地线，必要时需要安排相应近线段线路进行陪停，从而保证检修人员安全。

5 结论

a.回路间水平间距对感应电压和感应电流有较大影响，当水平间距增大时，停电线路的感应电压、感应电流不断减小，但非线性关系。随着间距的不断增大，运行线路对停电线路耦合作用明显减小，感应电压、感应电流变化也逐渐趋于平缓。

b.近线段长度对感应电压和感应电流有较大影响，在线路总长度不变的情况下，感应电压和感应电流与近线段长度成正比。

c.当近线段位置从首端向末端变化时，首端静电感应电压电流逐渐减小，末端逐渐增加。两端电磁感应电压和电流均逐渐减小，但首端的感应电压和感应电流变化幅度较小，基本可忽略不计，而末端变化较明显。

d.对于存在近线段的线路，在进行停电检修时，需通过仿真计算或现场测量感应电压、感应电流大小，从而制定相应的安全防护措施，保证检修人员安全。