750 kV输电线路对运行35 kV线路的电压影响分析

刘文飞，杨 勇，滕文涛，牛浩明，郝如海

（1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州 730070；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

随着我国电力工业的快速发展，建设了大批特/超高压输电线路。在输电走廊资源不足地区，特/超高压输电线路不可避免的与低压输电线近距离平行架设[1]。高压线路在运行过程中，其周围伴随着强静电场和电磁场，会在临近低压线路上产生感应电压和感应电流[2-4]。

同塔双回架设的相同电压等级的输电线路或近距离平行架设的两回不同电压等级的输电线路在一回线正常运行，另一回线停运时，停运线路上出现的感应电压和感应电流可在工程设计阶段，通过选择足够容量的接地开关或接地开关加装辅助灭弧装置，在检修中将停运线路接地开关可靠接地来加以消除，确保检修工作安全进行[5-7]。其他邻近高压输电线路的金属管线，如塑料大棚铁架、金属晾衣绳等物体上的感应电压可通过将其两端直接接地予以消除[8-9]。总之，以往国内外的研究主要集中于运行线路对同电压或低电压停运线路的感应电压和感应电流的计算分析，而高压运行线路对另一运行线路电压产生的感应影响则鲜有研究。甘肃河西走廊地区可架设电力设施的土地资源匮乏，同时又是西北-新疆联网通道及酒泉千万千瓦风电外送消纳的必经之路，存在密集的输电通道。在甘肃电网运行过程中出现750 kV输电线路导致运行的35 kV线路电压偏离目标值，三相电压不平衡及零序电压持续升高，影响用户正常用电。因此，开展750 kV交流输电线路对近距离平行架设的运行35 kV线路电压影响的实验分析和仿真分析，并研究防治措施，既有重大的实际意义，又有一定的理论价值。本文首先利用EMTPE电磁暂态仿真软件建立多导线仿真模型，模拟实验现象；然后，计算高压输电线路电压和电流变化对35 kV线路三相电压不平衡、零序电压、35 kV线路的电磁感应电压、静电感应电压的影响，对比分析35 kV线路电压异常的根本原因；最后，提出抑制35 kV线路三相电压不平衡及零序电压持续升高的措施。

1 750 kV交流输电线路对运行35 kV线路电压影响

750 kV线路全长230.1 km，三相导线呈水平排布，换位情况如图1所示。35 kV线路全长53.0 km，三相线路呈三角形排布，线路全程无换位。两线位置关系如图2所示，图2中，35 kV线路#124～#289塔与750 kV线路#6段存在并行架设的情况，并行长度17.3 km，平均并行间距为21.5 m。

图1 750 kV线路导线换位示意Fig.1 Schematic of transposition of conductors on 750 kV line

图2 750 kV线路与35 kV线路位置示意Fig.2 Schematic of location of 750 kV and 35 kV lines

750 kV线路投运后，35 kV线路A、C相电压持续降低，B相电压升高，呈现出三相电压不平衡及零序电压升高的现象，如表1所示。

表1 35 kV线路电压变化情况Tab.1 Voltage variation of 35 kV line

35 kV系统电压异常变化，一方面影响35 kV系统所带工业负荷的正常运行，同时也传导至图2中A火电厂的35 kV母线，导致厂内零序电压越限报警。

2 750 kV交流输电线路对平行架设的35 kV线路电压影响的仿真分析

2.1 仿真模型建立

若要对35 kV线路受750 kV输电线路影响的电压变化情况和感应电压进行计算，需建立多导线系统仿真模型[10-11]。根据现场实际情况，750 kV线路水平排列，并按图1所示线路进行换位；35 kV线路单回架设，导线按三角形排列；各导线、地线位置如图3所示。

图3 750 kV线路与35 kV线路导线位置示意Fig.3 Schematic of conductor locations for 750 kV and 35 kV lines

图3中，A、B、C分别为750 kV线路的三相；4、5为750 kV线路的地线；a、b、c分别为35 kV线路的三相；35 kV线路未铺设地线。多导线系统以750 kV杆塔的中线为基准表达多根导线的相对位置，750 kV杆塔和35 kV杆塔均采用直线塔。

750 kV线路采用6*JL/G1A-400/45导线；35 kV线路采用LJG-35导线。导线、地线、地回路参数如表2所示。

表2 导线和地线参数Tab.2 Parameters of conductor and ground wire

建立的并行线路仿真模型如图4所示。图4中，750 kV系统电源采用理想电压源，线路考虑两侧高抗，并按线路连接实际情况进行换位；35 kV系统按图2方式接线，由火电厂A单电源供电，经D站带对称负荷，系统经消弧线圈接地运行。仿真模型中的导线及地线均采用频率相关模型，由分布式参数R、L、G、C构成，并考虑频率相关特性，其中，线路电感L、电阻R和电容C根据直流电阻、集肤效应、导线直径、空间布局及地回路条件按频率的函数来计算，并联电导G按0.2×10-9S/km来考虑。

图4 并行线路仿真模型Fig.4 Simulation model of parallel lines

2.2 35 kV线路电压运行情况仿真分析

750 kV线路功率为900 MW，线路投运前后，35 kV C变电站母线电压如表3所示；电压波形如图5、6所示。

图5 750 kV线路投运前35 kV母线电压波形Fig.5 Voltage waveform of 35 kV bus before 750 kV line is put into operation

图6 750 kV线路投运后35 kV母线电压波形Fig.6 Voltage waveform of 35 kV bus after 750 kV line is put into operation

表3 35 kV线路电压仿真分析Tab.3 Simulation analysis of voltage of 35 kV line

由表1实测结果可知，仿真计算能够正确反应750 kV线路投运前后35 kV线路A、B、C三相电压及零序电压的变化情况，误差小于2.9%，从而得出，所建立的仿真模型能够正确模拟现场实际情况。

2.3 不同工况下35 kV线路电压及零序电压计算

2.3.1 高压线路电压变化对35 kV线路电压的影响

35 kV系统正常运行，高压线路电流为650 A，当改变高压线路的运行电压分别为220 kV、330 kV、500 kV和750 kV时，35 kV线路各相电压及零序电压如表4所示。

表4 高压线路电压变化对35 kV线路电压的影响Tab.4 Influence of voltage variation of high-voltage line on 35 kV line voltage kV

2.3.2 高压线路电流变化对35 kV线路电压的影响

35 kV线路系统正常运行，高压线路电压为750 kV，当改变高压线路运行电流分别为500 A、1 000 A、1 500 A和2 000 A时，35 kV线路各相电压及零序电压如表5所示。

表5 高压线路电流变化对35 kV线路电压的影响Tab.5 Influence of current variation of high-voltage line on 35 kV line voltage

高压线路运行在不同电压下，35 kV线路零序电压基本相同；高压线路运行在不同电流下，35 kV线路零序电压差异明显，且随着电流增大，35 kV线路偏离初始电压的幅度越大，零序电压越大，电压不平衡越严重。

2.4 不同工况下35 kV线路感应电压计算

感应电压根据产生原理的不同分为静电感应电压和电磁感应电压。静电感应是当导体处于外电场中时，该导体因电容耦合效应而带上一定的电荷，由于35 kV线路与750 kV线路之间存在的电容耦合效应，依靠750 kV线路电压产生的电场，35 kV线路各相上感应出对地电位；电磁感应电压是当750 kV线路流过交流电流时，在其周围产生交变磁场，35 kV线路与其交链，则会在35 kV线路上感应出纵电势，沿导线方向分布[12]。

平行线路的耦合效应分析模型如图7所示。图7中，U1、U2分别为35kV线路A相静电感应电压和电磁感应电压；MAa、MBa和MCa为两线路之间的互感；CAa、CBa和CCa为两线路的互电容；L为35 kV线路的电感；C为35 kV线路的对地电容[13]。

图7 平行线路的耦合效应分析模型Fig.7 Analysis model of coupling effect of parallel lines

35 kV线路的静电感应电压为

式中，UA、UB和UC分别为750 kV线路A、B、C的相电压。

35 kV线路的电磁感应电压为

式中：U2为35 kV线路A相电磁感应电压；MAa、MBa和MCa为2条线路之间的互感；IA、IB和IC分别为750 kV线路A、B、C三相电流；ω为工频的角速度。

2.4.1 高压线路电压变化对35 kV线路感应电压的影响

高压线路电流为650 A，当改变高压线路的运行电压分别为220 kV、330 kV、500 kV和750 kV时，35 kV线路的静电感应电压和电磁感应电压如表6、7所示。

表6 高压线路电压变化对35 kV线路静电感应电压的影响Tab.6 Influence of voltage variation of high-voltage line on electrostatic induction voltage of 35 kV line kV

表7 高压线路电压变化对35 kV线路电磁感应电压的影响Tab.7 Influence of voltage variation of high-voltage line on electromagnetic induction voltage of 35 kV line kV

2.4.2 高压线路电流变化对35 kV线路感应电压的影响

高压线路电压为750 kV，当改变高压线路运行电流分别为500 A、1 000 A、1 500 A和2 000 A时，35 kV线路的静电感应电压和电磁感应电压如表8、9所示。

表8 高压线路电流变化对35 kV线路静电感应电压的影响Tab.8 Influence of current variation of high-voltage line on electrostatic induction voltage of 35 kV line kV

表9 高压线路电流变化对35 kV线路电磁感应电压的影响Tab.9 Influence of current variation of high-voltage line on electromagnetic induction voltage of 35 kV line kV

由于高压线路产生的磁场、电场在空间分布上不均匀及35 kV线路的空间位置不同，高压线路对35 kV线路各相的感应电压幅值不同，造成运行的35 kV线路三相电压不平衡及零序电压升高。

对比表4与表6、7，以及表5与表8、9中的数据分析可知，35 kV线路电压偏离初始值、零序电压升高、电磁感应电压的变化趋势均与高压线路电流变化相关性明显，而与高压线路运行电压变化、静电感应电压的相关性不强。因而得出，运行的35 kV线路三相电压不平衡及零序电压升高主要是750 kV线路对35 kV线路电磁感应电压的作用造成的。

2.5 不同序分量对35 kV线路感应电压的影响分析

由表3及图6可知，当750 kV线路通过正序电流时对35 kV运行线路电压产生影响。计算750 kV线路流过负序和零序电流时35 kV运行线路电压变化情况，如图8、图9及表10所示，负序和零序电流大小与正序电流相同，均为650A。

图8 750 kV线路通过负序电流35 kV线路电压Fig.8 Voltage of 35 kV line when negative-sequence current flows through 750 kV line

图9 750 kV线路通过零序电流35 kV线路电压Fig.9 Voltage of 35 kV line when zero-sequence current flows through 750 kV line

表10 35 kV线路电压仿真分析Tab.10 Simulation analysis of voltage of 35 kV line

仿真结果表明，750 kV线路通过零序电流时，将对35 kV线路产生强烈的感应电压，导致35 kV线路电压严重偏离初始值，引起三相电压不平衡；750 kV线路通过正序电流和负序电流也会导致35 kV线路电压偏离初始值，但影响程度较零序电流小，其中，通过负序电流的影响程度又比正序电流小。在研究分析同塔多回多电压等级输电线路的感应耦合效应时，要特别注意零序电流产生的感应电压影响，同时正序电流和负序电流也不可忽略，应建立多导线耦合模型来精确分析多线路间的电压影响。

3 限制35 kV线路电压不平衡及零序电压的措施

由第1、2节的实验、仿真分析结果表明，750 kV线路对平行架设的35 kV线路电压影响明显，造成的35 kV线路三相电压不平衡及零序电压升高将对用电负荷和发电设备均可能产生危害。结合实际工程应用，得出限制35 kV线路电压不平衡及零序电压的措施为①35 kV线路在两线并行处进行换位；②35 kV线路加装耦合地线；③改变两线并行长度；④改变两线并行间距。

改变750 kV线路与35 kV线路间的垂直距离，可降低35 kV线路杆塔高度来减小感应电压[14]，从而限制35 kV线路电压不平衡及零序电压，但降低35 kV线路杆塔高度不利于线路对地绝缘，存在安全风险，因此不予考虑。

3.1 35 kV线路在两线并行处换位

750 kV输电线路与35 kV线路并行架设长度为17.3 km，在图4所示模型基础上，对35 kV线路两线并行处的部分进行一次全循环4段换位[15]，换位方案如图10所示。

图10 35 kV线路在两线并行部分的换位示意Fig.10 Schematic of transposition of 35 kV line in two-line parallel part

35kV线路全循环换位后，线路电压如图11所示；换位前、后线路电压及零序电压数据如表11所示。

表11 线路换位对35 kV线路电压的影响Tab.11 Influence of line transposition on voltage of 35 kV line

图11 35 kV线路换位后母线电压波形Fig.11 Voltage waveform of bus after transposition of 35 kV line

35 kV线路在两线并行处的部分进行一次全循环换位，有效降低线路参数的不平衡度，同时均衡了750 kV线路对35 kV各相之间的感应电压效应，使35 kV线路零序电压降低29.92%。

3.2 35 kV线路加装耦合地线

对35 kV线路在两线并行部分的上方加装耦合地线。结合35 kV线路杆塔高度，设计2种地线方案，①地线安装在A相和C相正上方5 m处；②地线安装在B相正上方2 m处，如图12所示。

图12 35 kV线路加装耦合地线示意Fig.12 Schematic of installing coupled ground wire on 35 kV line

在图4所示模型基础上，分别建立考虑2种耦合地线方案的仿真模型。新增的地线采用频率相关模型，线路参数与35 kV导线相同。

35 kV线路加装耦合地线后，线路电压如图13、14所示；加装耦合地线前、后线路电压及零序电压数据如表12所示。

图13 加装耦合地线1后35 kV线路电压波形Fig.13 Voltage waveform of 35 kV line with installation of coupled ground wire according to Plan 1

图14 加装耦合地线2后35 kV线路电压波形Fig.14 Voltage waveform of 35 kV line with installation of coupled ground wire according to Plan 2

表12 加装地线对35 kV线路电压的影响Tab.12 Influence of installing ground wire on voltage of 35 kV line

由图13、14及表12可知，加装耦合地线方案①的35 kV线路零序电压减小34.81%；加装耦合地线方案②的35 kV线路零序电压减小20.02%。

3.3 改变两线并行长度

35 kV线路上的电磁电压感应量会因两线平行长度的改变而变化。35 kV线路与750 kV线路的并行长度为17.3 km，在图4所示模型基础上，保持35 kV线路总长度不变，逐渐改变35 kV线路在两线并行部分的长度，线路零序电压变化如图15所示。

图15 35 kV线路零序电压随并行部分长度变化Fig.15 Variation in zero-sequence voltage of 35 kV line with length of parallel part

由图15可以看出，随着两线并行部分占35 kV线路比例的增加，35 kV线路的零序电压成正比逐渐增加。实际工程中，两线并行长度应不影响35 kV线路及与之连接的设备的零序电压保护的正常运行，其最大值应结合设备的零序电压保护定值计算确定。

3.4 改变两线并行间距

改变35 kV线路偏离750 kV线路杆塔中线的距离。在图4所示模型基础上，逐渐改变两线的并行间距，变化步长取5 m，则35 kV线路零序电压变化如图16所示。

图16 35 kV线路零序电压随两线并行间距变化Fig.16 Variation in zero-sequence voltage of 35 kV line with parallel distance between two lines

两线间的并行距离影响线路之间的互感抗和互电容，由图16可以看出，随着750 kV线路与35 kV线路并行间距的增大，35 kV线路的零序电压逐渐减小。当两线并行间距大于45 m时，35 kV线路零序电压减小的速度有所减慢；当两线并行间距大于75 m时，35 kV线路零序电压减小至0.3 V左右，恢复至750 kV线路投运前状态。

4 结论

（1）电网运行及仿真结果均表明，750 kV线路将对与之并行架设且间距较小的35 kV线路产生强烈的感应电压，导致35 kV线路电压偏离目标值，造成三相电压不平衡和零序电压持续升高。

（2）受750 kV输电线路影响的35 kV线路的各相电压变化及零序电压与750 kV线路对35 kV线路的电磁感应电压变化趋势相同，而与静电感应电压的相关性不明显。

（3）结合实际工程应用，提出限制35 kV线路电压不平衡及零序电压的措施。35 kV线路在两线并行处进行一次全循环4段换位，零序电压降低29.92%；35 kV线路在两线并行部分的上方加装耦合地线，零序电压最大降低34.81%；随着750 kV线路与35 kV线路并行间距的增大，35 kV线路上的零序电压逐渐减小，当两线并行间距大于75 m时，35 kV线路零序电压恢复至750 kV线路投运前状态；35 kV线路上的零序电压与两线路并行长度成正比，并行线路长度最大值应结合相关设备的零序电压保护定值计算确定。

（4）《110 kV-750 kV架空输电线路设计规范》中规定，开阔区域750 kV线路距离临近平行输电线最小距离为750 kV线路最高杆塔高度。但上述规定的目的是为避免750 kV线路倒塔事故对临近电力线路的破坏，并未考虑两线路电压之间的相互影响。本文研究表明，密集输电通道应充分考虑因感应电压致使低压线电压偏离目标值的问题，应尽量避免低压线路与特/超高压线路近距离并行架设；在输电走廊资源匮乏地区难以避免上述情况时，低压线路与特/超高压线路的并行长度、并行间距应通过计算分析确定，必要时应采取线路换位、加装耦合地线等其他抑制措施。