李现宝　何信林



区域220kV同塔双回线路不对称问题的研究分析

李现宝1何信林2

（1. 山东魏桥铝电有限公司，山东邹平 256200； 2. 西安热工研究院有限公司，西安 710054）

同塔双回输电线路电气参数不对称会造成线路电流、电压不平衡，进而影响系统运行的经济性与可靠性。本文首先分析了导致同塔双回输电线路不对称的原因，提出了通过利用ATP-EMTP仿真软件对山东省某区域220kV电网同塔双回输电线路在不同负荷下进行建模及仿真计算，分析了其在同相序、逆相序、异相序、电容补偿器等不同连接方式下的电网不平衡度，并提出了相应的决策及建议。研究结果表明：长距离同塔双回输电线路，同相序排列时不平衡度最大，逆相序次之，异相序时最小；电容器补偿可以显著改善负序不平衡度，而且随着线路长度的增加，改善效果会更加明显。

同塔双回；不对称；ATP-EMTP；逆相序；异相序

随着我国电力事业的迅速发展，电网输送容量也在大幅增加，为了减少输电线路的占地面积以及降低单位容量线路造价，寻求新的输电线路模式变得越来越重要。高压同塔双回线路可有效解决上述问题，因此得到了大范围的应用[1-2]。

电力系统输电回路中的同塔双回输电线路由于两条线路各相之间物理布置方式的不同，也会产生一些潜在的安全问题。如两条线路之间以及各条线路相与相之间的电磁耦合会影响三相电压和电流的不平衡，一方面会降低电网的电能质量指标，另一方面还会增加输电线路的损耗。同时，电网不平衡引起的负序电流分量在某种工况下甚至会导致相邻发电厂机组的负序保护发生误动作，给电网增加不安全因素，严重的时候可能导致电网发生大面积停电事故[3-5]。

文献[6-7]还提出了其他引起电力系统区域电网不平衡的因素，如三相负载不平衡分配、配电网中电压互感器铁心饱和导致的铁磁谐振以及中性点不接地电网系统中消弧线圈的引入，均会导致区域电网的三相不平衡。因此，研究同塔双回输电线路的不平衡现象除了应考虑同塔双回输电线路自身的影响，同时也要考虑负载侧因素的影响。

电磁暂态程序（electro-magnetic transient program, EMTP）主要用于模拟计算电力系统的电磁暂态过程，其利用通过现场实际测试证实的各种元件模型，完成对区域电网的建模并进行谐波分析。（the alternative transient program-electro-magnetic transient program, ATP-EMPT）是EMTP使用最广的一个版本，具有图形化建模的功能，也是一款可以免费使用的软件，因此在我国各科研机构、大专院校、制造厂等均有广泛应用。

本文通过利用ATP-EMTP仿真软件对山东省某区域220kV电网同塔双回输电线路在不同负荷下进行建模及仿真计算，分析了其在同相序、逆相序、异相序、电容补偿器等不同连接方式下的电网不平衡度，揭示了同塔双回输电线路运行参数对电网三相不平衡的影响机制及结果，并提出了决策及建议。

1 区域220kV电网简介

山东省某区域220kV电网示意图如图1所示，BZ-HM-WQ（BZ代表滨州、HM代表惠民、WQ代表魏桥）系统联络线均采用同塔双线联网，实现三地单线环网运行，联网线路长度均小于100km。该区域电网系统额定电压220kV，最高运行电压252kV；按额定输送容量单根导线外径26.82mm、内径7.5mm，直阻单根0.07389W/km，分裂间距400mm，绝缘子串长取3m，杆塔取呼高27m，土壤电阻率取60W·m，导、地线弧垂分别取8m、6m；一根OPGW-120避雷线，外径1.45cm，内径0，直阻0.368W/km；另一根避雷线内径0，外1.6cm，直阻0.2992W/km。

2011年8月，某企业110kV电缆系统发生故障，此系统在线运行12年。故障相电缆终端为瓷套电缆终端，其应力锥已炸裂。内部的填充绝缘油为硅油。图1给出了事故现场的电缆状况。从图1中可以看到，故障电缆绝缘层外侧在浸泡绝缘油情况下出现大量水树，而在未浸泡绝缘油的情况下未出现水树。

图1 220kV区域电网示意图

区域电网各区域发供电负荷不平衡造成同塔双回线部分线路存在潮流方向不一致情况。自2013年6月后随着各区域负荷不平衡程度加剧，电网BZ侧、HM侧运行中发现各节点短时电压不平衡度超标，发电机负序电流增大或操作变压器中性点刀闸时电弧较大等问题。

本文所选取的研究对象为山东某区域220kV电网中应用最多的垂直排列双回路直线塔。220kV输电杆塔示意图如图2所示。

图2 220kV输电杆塔示意图

2 EMTP建模

根据已有电网参数及电网运行潮流，参照文献[8]中的方法，利用ATP-EMTP软件建立系统模型，ATP-EMTP计算模型示意图如图3所示。

图3 ATP-EMTP计算模型示意图

工程实践经验表明，双回路导线相序排列方式和线路长度是影响同塔双回输电线路电气不平衡度的重要因素，因区域电网涉及到的电力系统线路均较短，达不到换位设计条件，本文主要研究线路换相前后电气不平衡度与导线相序排列方式、线路长度的关系[9-14]。

3 区域电网220kV的不平衡度

根据文献[15]规定，电力系统中的三相不平衡度是用电压或电流负序分量与正序分量均方根值的百分比表示。

本文针对220kV同塔双回架空线路的不平衡度，其基本思路是假设线路末端功率已知、电源和负载端参数对称，用多段p线路模型等值电路来模拟架空线路，负载阻抗可根据线路输送功率和功率因数来计算。仿真计算在电磁暂态计算程序（ATP-EMTP）来完成，而数据处理、相序变换和不平衡度计算由Matlab软件来操作。

零序（1）

正序（2）

负序（3）

而任意三相相量满足式（4），即

（5）

（7）

4 算例分析

4.1 换相前电气不平衡度的计算

换相前，利用ATP-EMTP电磁暂态程序计算220kV同塔双回架空线路同相序排列方式（ABC-ABC）下的电气不平衡度，计算结果见表1，其中计算条件为线路处于额定输送容量工况。

表1 同相序导线排列方式下的电气不平衡度/%

4.2 逆相序和异相序后电气不平衡度的计算

调整同塔双回线路的相序后，利用ATP-EMTP电磁暂态程序分别计算220kV同塔双回架空线路逆相序（ABC-CBA）和异相序（ABC-BCA）导线排列方式下的电气不平衡度，计算结果见表2。

表2 逆相序和异相序导线排列方式下的电气不平衡度/%

对比表1、表2的计算结果，可以看出按目前系统接线方式及潮流计算：①采用逆相序和异相序接线方式均比同相序效果要好；②采用异相序接线方式比逆相序效果要好。综上所述，异相序最好，逆相序次之，最后是同相序。

4.3 ATP-EMTP计算数据与实测数据对比结果

为了验证ATP-EMTP电磁暂态程序计算模型的准确性，本文将仿真结果与2014年2月20日区域电网BZ侧、HM侧实际运行数据进行校核对比，对比结果见表3，其中仿真计算时线路输送功率选择与当日线路实际功率一致。

表3 计算数据与实测数据对比结果/%

根据表3所示数据，计算结果与实测值基本一致，最大误差为-7.38%，符合要求。

4.4 电容补偿器

在系统建模时，为了简化仿真分析过程，采取了分别对每回线路进行串联电容器和并联电容器集中补偿的仿真计算方法，由于没有考虑两回同塔线路之间的相互电磁耦合，因此本方法虽然会使建模仿真过程简单易懂，但一定程度上会与实际情况有所偏差，其偏差率对于工程应用而言可以接受。图4所示为本文所采用补偿方法的线路等效电路示意图。量化后的三相线路等值电路如图5所示。

图4 电容器补偿线路参数

图5 三相输电线路等值电路

在仿真分析时，为了能更突出地体现电容器补偿对降低同塔双回输电线路不平衡度的作用，对双回线路中每回线路的不平衡度进行预置，使其相序一致，同时只对负序不平衡度进行分析。仿真结果见表4。

表4 电容补偿器前后的负序不平衡度

5 结论

1）山东某区域220kV电网同塔双回BW线、BH线及HW线等重要系统联络线在额定电压和额定输电容量工况下运行时，同塔双回线路采用逆相序（ABC-CBA）敷设可明显降低线路及电网各变电站节点电压不平衡度。

2）本文的计算、仿真结果表明：220kV长距离同塔双回输电线路，同相序排列时不平衡度最大，逆相序次之，异相序时最小；电容器补偿方式对于较长的线路可以有效改善由于线路参数不对称引起的负序电流不平衡度。

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Research and Solution Making of the Asymmetry Problem of Double Circuit Lines on the Same Tower in the Regional 220kV Power Grid

Li Xianbao1He Xinlin2

(1. Shandong Weiqiao Aluminum-electricity Co., Ltd, Zouping, Shandong 256200; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710054)

Electrical parameters asymmetry of double circuit lines on the same tower will cause the line current and voltage unbalance, thereby affecting the operation of the system of economy and reliability. This paper analyzes the cause of the asymmetry problem of double circuit lines on the same tower, and put forward the modeling and simulation of the double circuit lines on the same tower in a regional 220kV power grid in Shandong province by using ATP-EMTP software. It analyzes the grid unbalance in the same phase sequence, reverse phase sequence, sequence of phase, capacitor compensation, etc. different connectors, and the corresponding decisions and recommendations. The results show that: the long-range tower double circuit transmission lines are arranged at the same phase sequence imbalance maximum, followed by reverse phase sequence, then the inverse phase sequence; compensation capacitor can significantly improve the negative sequence unbalance, and with the line length increase and improve the effect will be more obvious.

double circuit lines on the same tower; asymmetry; ATP-EMTP; reverse phase sequence; inverse phase sequence

李现宝（1978-），男，山东省邹平市人，本科，继电保护技师，主要从事电力系统安全与稳定方向的研究工作。