500 k V同塔双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,赵海涛,李彦丽

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.河北西柏坡发电有限责任公司,河北 石家庄 050400;3.国家电投集团东方新能源股份有限公司长安分公司,河北 石家庄 050032)

0 引言

随着社会经济的不断发展,用电需求大幅增加,线路走廊资源短缺的问题日益凸显,近年来同塔多回线路已被广泛采纳。但同塔多回输电线路也给线路检修带来了难题,当同塔双回线路一回线运行,另一回停运时,由于回路间存在静电耦合和电磁耦合,将在停运线路上产生感应电压、感应电流。对于500 k V等级的同塔双回线路,感应电压会达到十几甚至几十k V。因此,计算分析停运线路上的感应电压、电流的变化规律尤为重要[1 3]。

本文利用EMTP-ATP软件对华北地区某在运500 k V同塔双回线路进行了感应电压、感应电流的仿真计算分析,探索了双回线路间的水平间距、线路长度、输送潮流、地线高度以及土壤电阻率等影响因素对停运线路上产生的感应电压和感应电流的影响[4-5],并分析了不同接地电阻大小和接地方式对感应电压和感应电流的影响,为今后同塔线路架设、接地刀闸等设备参数确定以及停运线路检修、试验安全措施制定等提供参考依据。

1 感应电压、感应电流理论分析及线路模型

1.1 感应电压、感应电流理论分析

以500 k V同塔双回输电线路为例,为便于分析,线路参数采用集中参数(忽略运行线路的对地电容、相间电容、线路电阻和电导),CUu、CVv、CWw和MUu、MVv、MWw分别表示运行回路U、V、W三相与停运回路u相之间单位长度的互电容、互电感,Cu0、L分别表示停运线路u相单位长度的对地电容、电感,l表示线路长度,UU、UV、UW、IU、IV、IW分别表示运行线路各相的运行电压和电流。

停运线路上产生的感应电压和电流根据产生原理不同分为2种分量,一种是由静电耦合作用引起的静电感应分量;一种是由电磁耦合作用产生的电磁感应分量。根据接地方式不同,将产生不同形式的感应电压、感应电流,见图1。

图1 线路感应电压示意

(1)当停运线路无接地时,运行线路U、V、W相通过与停运线路u相之间的互电容、u相的对地电容和大地形成回路,在u相上产生容性感应电压,静电耦合作用在容性感应电压的大小上起决定性作用,静电感应分量的大小可近似表示为

由式(1)可见,静电感应电压的大小与线路间电容和停运线路对地电容有关,与运行线路电压成正比,与运行线路输送功率大小无关。

(2)当停运线路存在1个接地点时,接地端承载容性电流,不接地端承载感应电压,电磁感应电压和静电感应电流的大小可近似表示为

由式(2)可见,电磁分量对感性感应电压大小起决定性作用,电磁感应电压与互感和运行线路的功率成正比,与运行线路电压无关。

由式(3)可见,静电感应电流与互电容、运行线路电压成正比,与线路输送功率无关。

(3)当停运线路存在至少2个接地点时,u相线路与大地形成回路,由于电磁感应作用,停运线路将产生感应电流,电磁感应分量对感应电流的大小起决定性作用,电磁感应电流的大小可近似表示为:

由式(4)可见,电磁感应电流与互感、输送功率成正比,与自感成反比。

1.2 线路模型

华北地区在运500 k V双回输电系统(GY双回线)线路全长为56.753 k m,共有铁塔148基。导线型号是4×JL/GIA-400/35的4分裂钢芯铝绞线,导线的分裂间距为450 mm,外径为53.6 mm,直阻为0.073 9Ω/k m。双回路避雷线均采用OPGW架空复合光纤地线。双回线站外全线无换位,瀛易I线相序为V-U-W,II线相序为V-W-U。

利用EMTP-ATP电磁暂态仿真软件对500 k V GY双回线路进行仿真建模,搭建双回线路铁塔塔头选择5C1-SZ2,呼高取36 m。同塔双回线路导地线布置如图2所示。进而研究双回输电线路当一回路运行,另一回路停运时,双回路间的水平间距、线路长度、输送潮流、地线高度以及接地电阻大小和接地方式等因素对感应电压和感应电流的影响及规律[68]。

图2 同塔双回线路导地线布置

2 影响因素分析

2.1 水平间距

保持线路的其他初始条件不变,只改变双回输电线路间的水平间距,变化量Δx取-10 m、-8 m、-6 m、-4 m、-2 m、0 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m。导线布置如图3所示。

图3 水平间距变化时的导线布置

当II线正常运行,I线停运时,不同水平间距下停运线路上产生的感应电压和感应电流结果见表1所示。由表1可知,水平间距对停运线路上的静电感应分量和电磁感应分量的影响较大,随着双回线路间的水平间距不断增大,停运线路上的静电感应分量和电磁感应分量不断减小。这是由于随着双回输电线路间的水平间距不断增大,线路间的耦合系数会不断减小,由式(1)～(4)可知,当线路间的耦合系数减小时静电感应分量和电磁感应分量也相应减小。

表1 不同水平间距下的感应电压、感应电流结果

2.2 线路长度

保持线路的其他初始条件不变,只改变双回输电线路长度,取线路长度分别为20 k m、40 k m、60 k m、80 k m、100 k m、150 k m、200 k m,当II线正常运行,I线停运时,其感应电压和感应电流结果如表2所示。

表2 不同线路长度下的感应电压、感应电流结果

由表2结果可知,线路长度对静电感应电压和电磁感应电流影响不大,可忽略不计,对静电感应电流和电磁感应电压影响较大,随同塔长度增加静电感应电流和电磁感应电压逐渐增加,基本成正比关系。

由式(2)、式(3)可知,互感和线间电容均与线路长度成正比,因此电磁感应电压和静电感应电流与线路长度成正比。

由表2结果可以看出,静电感应电流和电磁感应电压与同塔线路长度成正比,表2所得规律与其一致。

2.3 输送潮流

保持线路的其他初始条件不变,只改变双回输电线路输送潮流,取输送潮流分别为300 MW、600 MW、900 M W、1 200 M W、1 500 M W,当II线正常运行,I线停运时,其感应电压和感应电流结果如表3所示。

表3 不同输送潮流下的感应电压、感应电流结果

由表3可知,输送潮流对电磁感应分量影响较大,对静电感应分量几乎没有影响,电磁感应电压和电磁感应电流与输送潮流成正比例关系。由式(2)和(4)可知,电磁感应分量与流过电流基本成正比,其他条件不变时,输送潮流与流过电流成正比,因此电磁感应分量与输送潮流成正比。而由式(1)和(3)可知,静电感应分量与输送潮流基本无关,表3所得规律与其一致。

2.4 地线高度

保持线路的其他初始条件不变,只改变双回输电线路地线高度,取地线高度变化量Δh分别为-2 m、-1 m、0 m、+1 m、+2 m,当II线正常运行,I线停运时,其感应电压和感应电流结果如表4所示。

表4 不同地线高度下的感应电压、感应电流结果

由表4可知,静电感应电压和电磁感应电流受地线高度影响较大,基本与地线高度成正比关系,静电感应电流与电磁感应电压也随地线高度的增加而不断增加,但受地线高度的影响较小。

2.5 土壤电阻率

保持线路的其他初始条件不变,只改变双回输电线路土壤电阻率,取土壤电阻率分别为50Ω·m、100Ω·m、200Ω·m、400Ω·m、600 Ω·m、800Ω·m、1 000Ω·m,当II线正常运行,I线停运时,其感应电压和感应电流结果如表5所示。

表5 不同土壤电阻率下的感应电压、感应电流结果

由表5可知,土壤电阻率对停运线路上的静电感应分量和电磁感应分量影响均较小,因此土壤电阻率的影响可忽略不计。

3 接地方式分析

无论是对停运线路进行试验或检修,对检修线路进行接地是最基本的安全措施,接地电阻的大小和接地方式对电磁感应和静电感影响较大,以下针对500 k V GY双回线路当II线正常运行,I线停运时,对不同接地电阻大小和接地方式进行了仿真分析[9- 10]。

3.1 接地电阻大小

线路的其他初始条件不变,只改变线路两端接地电阻大小,表6给出了当线路两端接地电阻大小分别为0.1Ω、1Ω、10Ω、50Ω、100Ω时的感应电压和感应电流值。

表6 不同接地电阻大小下的感应电压、感应电流结果

由表6可知,接地电阻的大小对静电感应电流的大小几乎没有影响,电磁感应分量受接地电阻大小影响较大,接地电阻增大时,电磁感应电压和感应电流呈减小趋势。

3.2 接地方式

表7给出了一回不同接地方式和接地位置情况下,接地电阻为1Ω时的感应电压和感应电流值。

表7 不同接地方式下的感应电压、感应电流结果

由表7可知,接地方式不同对感应电压和感应电流产生很大的影响。在无接地方式下,停运线路上的感应电压较大在26 k V左右;当线路存在1个接地点时,接地点处电压与无接地方式下相比,电压从26 k V下降到5 k V左右,不接地端电压在1 k V左右;当线路两端接地时,两端电压相与无接地方式下相比,电压从25 k V下降至100 V左右;当线路两端接地并且中点接地时,线路两端电压100 V左右,中间接地点处电压仅不到1 V。

根据以上分析可知,在停运线路上挂接地线是降低停运线路沿线感应电压的重要措施,通过在停运线路首末端及线路中间分别挂接地点,可有效降低线路检修点的感应电压。因此,线路停运检修或试验时在检修点处挂接地线是尤为有效的安全措施。

4 结论

根据对华北地区某在运500 k V双回输电线路感应电压和感应电流仿真分析研究,得到以下结论。

双回线路间的水平间距对停运线路的静电感应分量和电磁感应分量的影响较大,电磁感应电压和静电感应电流与同塔线路长度基本成正比,输送潮流对停运线路的电磁感应分量影响较大,对静电感应分量几乎没有影响,静电感应电压和电磁感应电流基本与地线高度成正比关系,土壤电阻率对停运线路上的静电感应分量和电磁感应分量影响均不大,基本可忽略不计。

随着接地电阻增加,停运线路电磁感应分量逐步减小,并且在无接地方式下,停运线路感应电压在26 k V左右,而当线路两端接地并且中点接地时,线路两端电压在100 V左右,中间接地点处电压仅不到1 V。

因此,对同塔双回输电线路,接地方式的选择尤为重要,通过在停运线路首末端及线路中间分别挂接地点,可有效降低线路检修点的感应电压。