0 引言

随着城市建设步伐的加快，短距离同塔多回输电线路在城区电网建设中逐渐增多，三相电流不平衡现象频发。《GB/T 15543—2008电能质量三相电压不平衡》 ^[1]规定，电网正常运行时，电力系统公共连接点，负序电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。不平衡电流会引起由负序分量触发的多种保护误动，直接威胁电网运行^[2]，也会导致输电线路、发电机、变压器等设备损耗增加。输电线路电流不平衡主要原因是三相线路参数不平衡，文献[3]指出不对称感应电动势和低阻回路是导致三相电流不平衡的根本原因；文献[4-5]研究指出短线路构成环网运行时也因改变原有电网结构和强电磁耦合导致不平衡电流。

本文针对湖北省220 kV泾河变电站（以下简称泾河变）同塔四回输电线路在轻负荷状态下出现严重不平衡电流现象，利用电磁暂态分析软件EMTP建立同塔四回线路模型，按照塔头尺寸、导线挂点位置建立线路的π型等值模型，根据传输功率、传输电压和功率因数来计算等效负载阻抗值。通过仿真数据研究不同运行方式下线路负序电压不平衡度。经过分析，提高输电线路电流值、变电站采用分母运行可以有效降低线路负序电压不平衡度，为电网合理安排运行方式提供参考。

1 案例简介

泾河变为终端变电站，由220 kV柏河Ⅰ、Ⅱ回线路馈供。220 kV柏河Ⅰ回线路全长7 km，与柏口Ⅰ回、柏李Ⅰ、Ⅱ回线路四回共塔。柏河Ⅱ回线路全长6.9 km，其中与柏口Ⅱ回双回路共塔6 km，工程接线简化示意图如图 1所示。根据现场初次送电时测试结果，若220 kV泾河变电站合母运行，仅投运220 kV柏河Ⅰ回时，三相电流分别为46 A、48 A、46 A；仅投运220 kV柏河Ⅱ回时，三相电流分别为44 A、46 A、44 A。当柏河Ⅰ、Ⅱ回同时投运时，柏河Ⅰ回三相电流分别为10 A、20 A、35 A，柏河Ⅱ回三相电流分别为38 A、25 A、15 A。若断开220 kV泾河变电站220 kV母联开关，使其分母运行，柏河Ⅰ、Ⅱ回三相电流平衡；若同时断开220 kV和110 kV母联开关，负荷重新分配后，三相电流也平衡。上述测试结果表明：若220 kV泾河变电站合母运行，同时投运柏河Ⅰ、Ⅱ回线路，则线路电流不平衡。

2 输电线路模型 2.1 模型搭建

本次仿真计算采用国际通用的电力系统分析软件EMTP对架空输电线路的不平衡度进行计算分析。架空输电线路采用π型等值电路模拟，利用Carson模型计算线路电气参数。根据该工程系统接线图及线路相序图，在EMTP中建立同塔四回线路的不平衡度计算分析模型，如图 2所示。其中，三相电源为对称电压源，多回线路利用LCC建模，负载用三相对称负载代替，通过改变负载值模拟投切电容。仿真模型中考虑了实际线路的导地线型号、塔头尺寸、相序排列、同塔双回和四回线路间的耦合关系、电源、负载以及投切电容的合闸角，未考虑不同塔的线路间的耦合关系、塔位高差。

2.2 仿真数据与实测数据对比

为便于验证仿真模型的正确性，分析对比单独投运柏河Ⅱ回和柏河Ⅰ、Ⅱ回同时运行2种运行方式下柏泉侧电流仿真数据和实测数据，采用分别投入1组、2组、3组电容器的方式，模拟逐渐增大的负荷电流。其中，实测数据通过改变电网运行方式（投运柏河Ⅱ回或柏河Ⅰ、Ⅱ回同投2种运行方式）后，从调度平台SCADA系统（数据采集与监视控制系统）中直接读取，数据可靠。仿真计算结果与试验数据对比见表 1—表 4。由表中数据可知，2种运行方式下，由于输电线路模型未考虑不同塔的线路间的耦合关系、塔位高差等影响因素，仿真计算值与试验实测值仍存在一定误差，但数值较为接近、趋势一致。由此可知，本次仿真计算所搭建的模型可靠性高，能基本还原现场实际情况，基于该模型计算继续增大电流情况下的线路不平衡度具有一定的参考价值。

3 线路不平衡度计算 3.1 计算方法

根据GB/T15543—2008，定义负序电压不平衡度为ε_u2。

(1)

式中u₁、u₂—负荷端正序、负序电压。

相序变换矩阵公式：

(2)

式中a=e^j120°。

根据负序电压不平衡度定义，在三相系统中，通过测量计算获得三相电压的幅值和相位后，利用公式（2）求出正序分量、负序分量和零序分量，然后由式（1）求出负序电压不平衡度。

3.2 仿真计算分析

基于上述模型，假定其他外界条件不变，只改变合闸角和线路输入电流幅值，模拟计算柏河Ⅰ、Ⅱ回线同时投运时，不同负荷情况负序电压不平衡度。输入电流分别为40A、210A、500A、1000A时柏河Ⅰ、Ⅱ回三相电流及负序电压不平衡度仿真结果见表 5—表 8。

可以看出：随着输入电流的逐渐增大，220kV柏河Ⅰ、Ⅱ回线路负序电压不平衡度逐渐减小。输入电流为40A、合闸角范围在0°~270°时，220kV柏河Ⅰ回线路L1相电流范围在17.0~62.6A，负序电压不平衡度范围在9.19%~10.90%；220kV柏河Ⅱ回线路L1相电流范围在17.3~63A，负序电压不平衡度范围在8.9%~11.09%。输入相电流增大至210A、合闸角范围在0°~270°时，220kV柏河Ⅰ回线路L1相电流范围在186.1~231.8A，负序电压不平衡度范围在1.85%~2.07%；220kV柏河Ⅱ回线路L1相电流范围在187.8~233.6A，负序电压不平衡度在1.63%~2.0%。当输入电流从500A增大至1000A，柏河Ⅰ、Ⅱ回线路负序电压最大不平衡度均小于1%。计算结果表明：当输入电流大于210A，线路负序电压不平衡度小于2%，满足国标相关要求。

4 结论及建议

输电线路不平衡度主要是由于三相架空线路自身参数的不平衡和同塔多回线路中带电导线对邻近导线产生互感电动势造成的，主要受导线自身属性、导线高度、导线的水平间距、是否换位、线路输送容量、相序排列等因素影响。根据仿真计算可得出以下结论。

（1）220kV柏河Ⅰ、Ⅱ回线路两侧母线合母运行，形成闭合环路，临近其他带电线路产生的互感电动势在环路中形成环流，同时由于线路三相参数不对称导致三相电流不平衡；

（2）220kV柏河Ⅰ、Ⅱ回线路同时投运时，随着负荷电流的逐渐增大，合闸角对线路负序电压不平衡度影响逐渐减小，且线路负序电压不平衡度也逐渐减小；

（3）若220kV泾河变分母运行，同时投运柏河Ⅰ、Ⅱ回线路，电流不平衡现象消失。

（4）220kV柏河Ⅰ、Ⅱ回线路相电流值在210A（该导线经济输送电流的20%）以上时，负序电压不平衡度小于2%，满足GB/T15543—2008的要求；

（5）调度可通过合理安排运行方式，提高输电线路电流值，有效降低线路负序电压不平衡度。