专题11 电气不平衡度分析及换位方式研究.docx
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专题11电气不平衡度分析及换位方式研究
专题报告十一
电气不平衡度分析及换位方式研究
摘要
为了确保电网安全稳定运行，应合理确定750kV线路的换位方式，进而控制线路的电气不平衡度。
采用ATP-EMTP程序的LINECONSTANT子程序根据架空线路位置及相关参数，采用Carson模型来计算线路的电气参数，分析了电气不平衡度的多种影响因素，进而计算了750kV线路不换位及换位后的电气不平衡度。
1）确定电气不平衡度限值
参考《电能质量、三相电压不平衡度》（GB/T15543-2008）和《电力工业技术管理法规》规定，电气不平衡度控制值如下。
表1电气不平衡度限值
电气不平衡度相关参数
电气不平衡度限值
备注
正常负序电压不平衡度
2%
《电能质量三相电压不平衡度》（GB/T15543-2008）
短时负序电压不平衡度
4%
《电能质量三相电压不平衡度》（GB/T15543-2008）
负序电流纵向不平衡度
5%
《电力工业技术管理法规》
2）电气不平衡度计算结果
对招标方案（三相导线采用6×JL/G1A-400/50钢芯铝绞线）、以及本工程优化方案（中相6×JL4X/LHA1-270/230、边相4×JL4X/LHA1-575/210超耐腐蚀型线）的的五种换位方案进行了计算分析，其负序电压不平衡度、零序电压不平衡度、负序电流纵向不平衡度计算结果如下表。
表2线路五种布置方案下的电气不平衡度计算结果（6×JL/G1A-400/50）
方案布置
（三相6×JL/G1A-400/50）
负序电压不平衡度
零序电压不平衡度
负序电流纵向不平衡度
方案一
水平排列不换位
1.55%
0.55%
4.45%
方案二
水平排列全换位
0.19%
0.12%
0.40%
方案三
三角排列不换位
0.69%
0.56%
2.11%
方案四
三角排列全换位
0.09%
0.09%
0.20%
方案五
结合景观塔调相序
0.66%
0.57%
2.01%
表3线路五种布置方案下的电气不平衡度计算结果（6×JL4X/LHA1-270/230、4×JL4X/LHA1-575/210））
方案布置（中相6×JL4X/LHA1-270/230、边相4×JL4X/LHA1-575/210）
负序电压不平衡度
零序电压不平衡度
负序电流纵向不平衡度
方案一
水平排列不换位
2.15%
0.08%
3.02%
方案二
水平排列全换位
0.17%
0.09%
1.58%
方案三
三角排列不换位
1.07%
0.56%
2.49%
方案四
三角排列全换位
0.10%
0.01%
1.63%
方案五
结合景观塔调相序
1.04%
0.57%
2.35%
比较表2和表3可知，当线路采用酒杯塔布置不换位时，三相采用相同截面导线时，负序电压不平衡度为1.55%，若截面不等时，其负序电压不平衡度为2.15%，可见线路不换位时，采用不等截面的线路布置，其负序电压不平衡度指标超过了2%的限值要求。
当线路采用戟叉型杆塔进行一次全换位后，三相采用相同截面导线时，负序电压不平衡度为0.09%，若导线截面不等时，其负序电压不平衡度为0.10%，由此可见，线路换位后，由于换位后不等截面导线的三相序阻抗对称，致使电气不平衡度与等截面电气不平衡度基本相当。
其负序电压不平衡度均满足2%的限值要求。
3）相序布置及换位方式研究
比较了单回路换位的6种方式，包括直线塔滚式换位、加双旁路塔换位、加单旁路塔换位、同塔换位、门型塔换位以及单回三柱式换位。
直线塔滚动换位
双旁路塔换位单旁路塔换位
同塔换位门型塔换位
综合考虑气象条件、电气间隙、施工难度、检修方便性、金具复杂性等方面及经济技术比较后，当本工程采用推荐的戟叉塔型直线塔时，导线三角形排列，经过胡杨林地段及房屋密集区采用导线垂直排列型式等情况，经计算全线230km路径长度，负序电压不平衡度为1.07%，满足2%的限值要求，推荐全线采用不换位。
与招标方案（水平排列、一次全循环换位）相比减少3处换位。
当不采用以上塔型方案时需要进行一次全循环换位，可采用新型门式换位塔进行整体换位，详见新型门式换位塔。
全线路相序布置及换位示意图如下：
相序布置及换位方式示意图
1概述
1.1工程概况
电气不平衡度是衡量输电线路性能和电能质量优劣的主要指标之一。
在输电线路中，由于线路三相自身参数不对称以及单回路相相之间电磁耦合关系，在线路正常运行时，每相导线的阻抗和导纳并不相等，导致电力系统中的不对称电流和不对称电压，从而对电力系统设备带来诸多不利影响。
因此《电能质量三相电压允许不平衡度》（GB/T15543-2008）、《透平型同步电机技术要求》（GB/T7064-2002）等，对系统电压、电流的不平衡度进行要求。
为确保电力系统的安全稳定，在长距离特、超高压输电线路中，必须要设计好导线的换位距离及换位方式。
图1.1-1超耐腐蚀型线
地线一侧全线采用新型铝包不锈钢管OPGW－120，另一侧地线在巴楚站出线段采用JLB40-120铝包钢绞线，其余部分采用JLB20A-100铝包钢绞线。
图1.1-2地线配置示意图
本文以我国运行多年的电力系统相关研究成果为参考，并结合实际的500kV线路、750kV线路的设计运行经验及研究成果，采用ATP-EMTP计算程序对750kV线路的全线不平衡度进行具体分析，推荐拟建的750kV线路的采用合理的相序布置及换位方式。
1.2研究内容
（1）确定电力系统的不平衡度计算方法和不平衡度限值。
（2）根据实际线路长度和单回路布置方式、杆塔型式及塔头尺寸，计算线路电气不平衡度。
（3）分析影响线路不平衡度的各种因素。
（4）根据计算结果，确定750kV线路的换位节距。
（5）研究750kV线路换位方式，进行线路换位方式的技术经济分析，推荐适宜的750kV线路换位方式、换位点和换位塔型式。
1.3计算条件
1.3.1系统参数
1）系统额定电压：
750kV
2）系统最高运行电压：
800kV
3）2020年潮流输送功率：
1355MW
4）系统极限输送功率：
5210MW
5）功率因数：
0.95
1.3.2导、地线参数
表1.3-1导地线参数
导、地线型号
总截面
mm2
直径
mm
单位重量
kg/km
直流电阻
（20℃）/km
6×JL4X/LHA1-270/230超耐腐蚀型线
503.78
27.58
1386.3
0.0599
4×JL4X/LHA1-575/210超耐腐蚀型线
785.06
33.75
2169.8
0.0373
JLB40-120
121.21
14.25
570.3
0.3606
JLB20A-100
100.88
13.00
674.1
0.8524
1.3.3杆塔型式
根据本工程杆塔规划和导地线选型专题研究报告，铁塔采用戟叉型杆塔的单回路架设，局部钢材采用沙棘型景观塔垂直排列。
在本报告的各种计算中，单回路采用了三角形方式，绝缘子边相采用Ⅰ串方式、中相采用V串布置形式，使用最多的II型塔的塔头尺寸作为计算条件，相导线和地线布置尺寸详见下图。
图1.3-1单回路戟叉型杆塔单线图及效果图
（4）其它参数
1）绝缘子串长：
取8.8m
2）杆塔呼高：
取42m
3）对地距离：
取20m，导线弧垂18m，地线弧垂14m
4）土壤电阻率：
取100Ω·m
2计算方法
2.1线路换位概述
线路换位的作用是为了减小电力系统正常运行时的电流和电压不对称，并限制送电线路对通信线路的影响。
对通信线路的影响，一般来说只要电力线路与通信线路保持足够的距离，特别是目前绝大多通信线路均采用光纤，这种影响很小，所以目前考虑导线换位问题主要是为了限制电力系统中的不对称电流和不对称电压。
由于电力系统中三相负载不平衡和系统元件三相参数的不对称，三相电压电流量与正序量将存在或多或少的偏差，导致三相不平衡，可能造成的负面影响包括：
（1）对变压器的危害：
在生产、生活用电中，三相负载不平衡时，使变压器处于不对称运行状态，造成变压器的损耗增大（包括空载损耗和负载损耗）。
根据变压器运行规程规定，在运行中的变压器中性线电流不得超过变压器低压侧额定电流的25%。
此外，三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件升温增高，甚至会导致变压器烧毁。
（2）对用电设备的影响：
三相电压不平衡将导致达到数倍电流不平衡的发生，诱导电动机中逆扭矩增加，从而使电动机的温度上升，效率下降，能耗增加，发生震动，输出亏耗等影响。
各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速设备部件更换频率，增加设备维护的成本。
断路器允许电流的余量减少，当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象。
中性线中流入过大的不平衡电流，导致中性线增粗。
（3）对线损的影响：
三相四线制接线方式，当三相负荷平衡时线损最小；当一相负荷重，两相负荷轻的情况下线损增量较小；当一相负荷重，一相负荷轻，而第三相的负荷为平均负荷的情况下线损增量较大；当一相负荷轻，两相负荷重的情况下线损增量最大。
当三相负荷不平衡时，无论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大，线损增量也越大。
（4）其它影响：
零序电流超过一定数值时，有可能导致对通信线路的干扰增大及致使保护和灵敏度较高的继电保护装置误动等。
此外在线路负荷较轻的情况下及系统黑启动（停电后重启）的初始阶段，由三相线路参数不对称所产生的负序电流可能导致发电机负序保护动作，从而引起发电机跳闸或阻止发电机并网运行而造成大面积停电，或者损坏系统中的一些用电设备。
《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）8.0.3为降低电压、电流不平衡度，750kV线路换位应符合下列规定：
1）中性点直接接地的电力网，长度超过100km的输电线路宜换位。
换位循环长度不宜大于200km。
一个变电站某级电压的每回出线虽小于100km，但其总长度超过200km，可采用换位或变换各回输电线路的相序排列的措施来平衡不对称电流。
2）中性点非直接接地电力网，为降低中性点长期运行中的电位，可采用换位或变换输电线路的相序排列方法来平衡不对称电容电流。
3）对于∏接线路应校核不平衡度，必要时设置换位。
2.2不平衡度限值确定
电力系统的三相电压的平衡状况是衡量电能指标的主要指标。
国家标准《电能质量三相电压不平衡度》（GB/T15543-2008）对不平衡度的定义为：
“三相电力系统中三相不平衡的程度，用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。
电压的负序不平衡度和零序不平衡度分别用
、和
表示。
”该标准替代了GB/T15543-1995版，此次修订将原标准的“不平衡度”改为“负序不平衡度”；明确规定三相不平衡度为基波分量的不平衡度；对“不平衡度计算”内容进行了调整。
根据《电能质量三相电压不平衡度》GB/T15543-2008的规定：
“4.1电力系统公共连接点，电网正常运行时，负序电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。
4.2接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。
同时对电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定。
”《旋转电机定额和性能》GB755中给出定子及磁场绕组直接冷却的电动机和发电机在正常运行条件下能够承受的电流不平衡度分别为8%和5%。
我国《电力工业技术管理法规》规定：
“转子为绑线式的汽轮发电机禁止在不平衡的负荷下运行（当负序电流不超过正序电流的5％时，则认为三相电流实际上是平衡的）”。
国家标准均未对输电线路本身引起的不平衡度提出相应指标。
公共连接点定义为电力系统中一个以上用户的连接处，作为系统组成的输电线路其自身所产生的电压不平衡度也应该理解为必须低于公共连接点的负序电压不平衡度2%。
根据《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）规定的中性点直接接地的电力网，长度超过100km的输电线路宜换位。
通过对常规单回（水平排列）、双回（其它相序1）500kV线路按100km不换位计算其负序电压不平衡度分别为1.14%、1.61%。
综合以上因素，本专题报告暂按正常运行时不超过2%，事故单回运行时不超过4%作为输电线路负序电压不平衡度的限值。
同时，负序电流纵向不平衡度按5%考虑。
实际计算表明，采取适当的相序排列方式和换位方案，完全可以将不平衡度控制在1%以内。
2.3不平衡度计算方法
根据电气不平衡度的计算方法，并结合已有的500kV、750kV线路的电气不平衡度研究成果，ATP-EMTP仿真法和《电力工程高压送电线路设计手册》推荐的方法所计算的结果基本相当，但是，手册计算公式是通过各序阻抗来计算不平衡度，对于不同塔型组合下的不平衡度、同塔双回线路不平衡度以及换位后的线路不平衡度的计算，没有合适的计算方法，因此本专题采用ATP-EMTP仿真方法对全线不平衡度进行计算、分析和研究。
仿真方法的思路是：
先假定线路送端功率、三相电压对称且不随时间变化，再观测线路电源端电流、线路受端电压的不对称量。
根据国家标准规定公式计算负序电压不平衡度
，同时定义负序电流纵向不平衡度
以及回路间负序电流不平衡度
。
×100%；
×100%；
×100%；
其中：
V1和V2分别为负荷端正序和负序电压。
和
分别为回路I电源端正序和负序电流。
和
分别为回路II电源端正序和负序电流。
从不平衡度的定义来看，需要从三相电压电流波形中提取出各序分量，由于相－序变换要求三相电量表达为相量形式，因此需要对计算所得的三相电压电流波形数据进行处理。
对各种布置通过仿真计算得到其电源端三相电流、负载端的三相电压波形，形成三相电压电流的相量形式，再利用相－序变换矩阵求解正、负序分量，对于电压有：
其中
本专题研究采用国际上通用的电力系统分析软件ATP-EMTP对架空输电线路的不平衡度进行计算分析。
按照一端供电的开式电力网络计算模型建模，等效负载阻抗值则根据传输功率、传输电压和功率因数来计算。
EMTP是加拿大H.W.Dommel教授首创的电磁暂态分析软件，它具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点，可作为电网稳态和暂态的仿真分析及电力系统谐波分析的有力工具。
ATP（TheAlternativeTransientsProgram）是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本，它数学模型广泛，可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，并且支持图形化建模和可视化输出。
本专题研究中，架空输电线路采用
型等值电路来模拟，如图2.2-1所示，采用ATP-EMTP的LINECONSTANT子程序根据架空线路位置及相关参数，采用Carson模型来计算线路电气参数。
图2.3-1三相输电线路π型等值电路
在ATP-EMTP中750kV单回线路的不平衡度计算分析模型，如图3.2-2所示：
图3.2-2ATP-EMTP中的750kV单回线路模型
其中三相电源为750kV对称电压源，单回线路均按一个LCC建模，负载用三相对称负载代替。
3影响不平衡度的因素分析
根据750kV相关线路研究结果及实践经验可知，影响线路不平衡度的主要因素为线路长度、输送容量。
对于其它影响因素本专题也进行了相关研究。
分析计算表明，影响不平衡度的主要因素为线路长度和各相导线空间排列方式。
其次为输送容量，对地距离（地形）及土壤电阻率影响很小，可以忽略不计。
3.1线路长度对不平衡度的影响
保持计算用系统参数和塔头尺寸不变，计算了单回750kV线路随着线路长度的变化时的不平衡度，其中，负序电气不平衡度计算结果见表3.1-1。
表3.1-1750kV单回线路电气不平衡度
线路长度/km
一个单回
负序电压不平度
80
0.19
110
0.22
120
0.25
140
0.76
200
0.89
230
1.07
300
1.43
430
1.83
注：
1、采用戟叉型杆塔进行不平衡度计算。
由计算结果可知，随着线路长度的增加，不平衡度逐渐增加，当线路输送功率取1355WM时，430km单回线路的负序电压不平衡度大约在1.83%。
3.2导线对地距离对不平衡度的影响
保持计算用系统参数和塔头尺寸不变，计算结果见表3.2-1、表3.3-2所示。
1）整体升高对地距离
采用戟叉型杆塔布置，线路对地取300km，计算输电线路的电气不平衡度。
表3.2-1整体升高对地距离时输电线路的电气不平衡度
对地距离/km
单回
20
1.42
40
1.43
50
1.44
60
1.44
2）整体升高对地距离
线路长度取300km，把全线分为3段，每段各占1/3。
表3.2-2部分升高对地距离时输电线路的电气不平衡度
每段对地距离/km
单回
202020
1.42
402020
1.42
404020
1.43
404040
1.43
406020
1.43
由计算结果可知，导线对地距离对不平衡度影响较小，即使在山区对地82m与平原的对地22m时，不平衡度相差仅0.02。
分段升高对地距离时，不平衡度也几乎没有变化，可以忽略。
因此，全线不平衡度计算均取对地20m。
3.3线路输送容量对不平衡度的影响
采用戟叉型杆塔单回路布置，线路长度取230km，负序电压不平衡度计算结果如下表所示
表3.3-1输送不同容量时不换位线路电气不平衡度
输送容量（MW）
单回
1355
1.07
1500
1.35
2000
1.47
3000
2.43
由计算结果可知，不平衡度随着输送容量的增大而增大，并且影响还是很明显的，比如由1355MW增加到3000MW，不平衡度的计算结果增大1.36。
线路长度取230km，采用戟叉型杆塔布置，考虑按1/3、1/3、1/3换位后，线路不平衡度随输送功率的关系。
表3.3-2输送不同容量时换位后线路电气不平衡度
输送容量（MW）
单回
1355
0.10
1500
0.10
2000
0.11
3000
0.11
由计算结果可知，对换位后输电线路，当输送容量逐渐增大时不平衡度几乎没有变化，可以忽略。
3.4土壤电阻率对不平衡度的影响
采用戟叉型杆塔布置，线路长度取230km，计算结果见表3.4-1。
表3.4-1不同土壤电阻率时线路电气不平衡度
土壤电阻率/Ω·m
50
1.07
100
1.07
200
1.07
500
1.07
800
1.07
1000
1.07
2000
1.07
5000
1.07
由计算结果可知，对不同土壤电阻率时线路的电气不平衡度几乎没有变化，可以忽略。
3.5横担长度（相间距离）对不平衡度的影响
采用戟叉型杆塔布置，线路长度取230km，其它计算条件不变。
表3.5-1所有横担长度都增加时（因横担长度不同，河北院）
以中横担长度代表（m）
13.6
14.6
15.6
16.6
1.07
1.23
1.45
1.56
注：
额定输送功率1355MW。
由计算结果可知，当所有横担长度都增加时，影响还是很明显的，比如由14.6m增加到15.6m，不平衡度的计算结果增大0.18，增幅为12.2%。
3.6换位点位置对换位线路不平衡度的影响
保持计算用系统参数和塔头尺寸不变，计算了线路长度400km时，换位点在L/3、2L/3时的不平衡度，并且考虑到实际工程中，由于换位塔对地形等条件要求比较高，因此换位点有可能会前后移动。
计算了前后各移动10km、20km、30km时的不平衡度。
计算结果见表3.6-1所示。
表3.6-1换位点位置对换位线路不平衡度的影响计算结果
移动长度
（km）
三段线路长度
（km）
负序不平衡度
%
左移30km
100、170、130
0.26%
左移20km
110、160、130
0.17%
左移10km
120、150、130
0.25%
L/3处
130、140、130
0.18%
右移10m
140、130、130
0.16%
右移20m
150、120、130
0.26%
右移30m
160、110、130
0.35%
注：
额定输送功率1355MW。
从以上计算结果可以看出：
换位点在L/3、2L/3处时的不平衡度是最小的。
3.7运行电压对不平衡度的影响
保持输送功率（假设为1355MVA）和功率因数（0.95）不变，按照给定的塔头尺寸，分别计算两种导线排列下400km线路的不平衡度，计算结果见表3.6-1。
表3.6-1运行电压对不平衡度影响
运行电压（kV）
负序不平衡度（％）
650
0.41%
700
0.40%
750
0.38%
800
0.36%
850
0.35%
注：
额定输送功率1355MW。
从上表可以看出，随着运行电压的升高，线路不平衡度有所下降。
这是因为在输送功率不变的情况下，运行电压升高，负载阻抗相应增大，因为线路三相阻抗不平衡造成的不平衡度的影响减小。
4线路不平衡度计算及换位方案
4.1换位方式概述
换位及换位后达到首端和末端相序一致，每种相序排列各占1/3的线路长度，称为一个整循环，或称为一个全换位；一个整循环一般需要3级换位塔，图4-1为线路一次全换位的换位方法示意图，在图4.1-1中，两端的节距为
，中间的节距为
（
为线路长度）。
图4.1-1单回线路一次全换位接线方式示意图
由图4.1-1可以看出，3基换位塔实现整循环换位和2基换位塔加终端塔实现整循环换位的线路不平衡度相近，本专题针对3个换位塔加终端塔实现整循环的换位方式进行计算。
4.2三相导线同截面、同分裂数换位
4.2.1三相导线水平排列不换位不平衡度分析
750kV线路工程起于已建巴楚750kV变电站，止于拟建莎车750kV变电站。
沿线途径巴楚县、伽师县、莎车县，线路全长230km，线路航空直线长度214km，曲折系数1.08。
采用本方案时，计算所得的负载电压波形如图4.1-1所示。
图4.2-1单回路水平布置不换位
计算得出不同相序排列方式、不同运行方式下以及是否串补站引入情况下的不平衡度，计算结果见表4.2-1所示。
表4.2-1750kV线路不换位时不平衡度
方案布置
负序电压不平衡度
零序电压不平衡度
负序电流纵向不平衡度
方案一
水平排列不换位
1.57%
0.53%
2.68%
由表4.2-1，750kV线路全段采用水平方式布置，其负序电压不平衡度1.57%，低于2%的现值要求，但是三相不平衡程度较大，负序电流纵向不平衡度2.68%，低于5%负序电流纵向不平衡度。
其相序布置方案如下图所示。
图4.2.2三相电水平排列不换位
4.2.2三相导线水平
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