某電廠500 kV輸電線路三相電流不平衡原因分析

孫旭威

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116300)

由于三相輸電線路自身參數(shù)的不平衡、相鄰線路的影響及輸電線路在布置上不換位或不完全理想換位，會(huì)導(dǎo)致輸電線路運(yùn)行時(shí)，各相導(dǎo)線存在不對稱電壓、電流。當(dāng)系統(tǒng)電壓、電流的不平衡度超過允許值時(shí)，就可能影響到發(fā)電機(jī)等電氣設(shè)備的正常運(yùn)行及繼電保護(hù)的整定計(jì)算。本文涉及的輸電線路不平衡問題已超過GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn))所允許的不平衡要求，下面對這一問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)概述

某電廠500 kV開關(guān)站采用二分之三接線，5個(gè)完整串、1個(gè)不完整串，共5條輸電線路、遠(yuǎn)期6臺機(jī)組。其中1、2、3號線接入電網(wǎng)側(cè)二分之三完整串接線開關(guān)站1，電廠側(cè)開關(guān)站配電裝置為全套氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(GIS)，電網(wǎng)側(cè)開關(guān)站1配電裝置為戶外敞開式開關(guān)設(shè)備。本文涉及的1、2、3號線為該電廠至電網(wǎng)側(cè)開關(guān)站1同一輸電通道內(nèi)3條并行的輸電線路，見圖1。

1號線為獨(dú)立的輸電線，全長33.01 km，呈品字形接線；2、3號線為同塔雙回，垂直逆相序排列，長度為32.98 km；4、5號線路(獨(dú)立成塔，長度為139.36 km)接入對側(cè)開關(guān)站2，其輸電通道與1、2、3號線不同；電網(wǎng)側(cè)開關(guān)站1和開關(guān)站2之間的電氣聯(lián)系較弱?，F(xiàn)場輸電線路為塔形布置(見圖2，圖中A、B、C為輸電線路的三相)。下文數(shù)據(jù)分析最初沒有4、5號線路的數(shù)據(jù)，隨著工程進(jìn)展，4、5號線依次建成投運(yùn)后加入了相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 某電廠線路布置情況(從該電廠面向輸電線路)

2 三回輸電線路電流不平衡現(xiàn)狀

該電廠輸電線路的不平衡現(xiàn)象主要集中在1、2、3這3條線路；其中1號線偏差較大，超過標(biāo)準(zhǔn)要求。歷史數(shù)據(jù)見表1—表3，表中所有數(shù)據(jù)來自同步相量測量裝置(PMU)，3組數(shù)據(jù)同源同時(shí)刻，一次電流互感器準(zhǔn)確等級為0.2級；根據(jù)PMU的工作原理，表中的電流角度為同一時(shí)刻的相對角度；不平衡度的計(jì)算參照標(biāo)準(zhǔn)要求，三相不平衡的程度分別用電流負(fù)序基波分量和零序基波分量與正序基波分量的均方根值百分比表示；表中不平衡度的計(jì)算為負(fù)序不平衡，在電網(wǎng)正常運(yùn)行的最小運(yùn)行方式下，按標(biāo)準(zhǔn)要求的測量時(shí)間和測量條件進(jìn)行取值，負(fù)序不平衡度不超過2%，短時(shí)不超過4%[1]。

表1 線路不平衡度計(jì)算(2013-08-06 1臺機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù))

表2 線路不平衡度計(jì)算(2014-11-10 2臺機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù))

表3 線路不平衡度計(jì)算(2017-10-14 4臺機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù))

從表1—表3中數(shù)據(jù)可知，該電廠1號線電流三相不平衡超過了國家標(biāo)準(zhǔn)要求，2、3號線滿足要求；1號線電流不平衡的原因主要集中在B、C兩相電流的差值上(B相電流最大，C相電流最小)。將3條線路作整體(九相三相序)計(jì)算，3條線路的A相電流總和與B相電流總和、C相電流總和基本相等，說明3條線路整體電流平衡。

3 現(xiàn)場排查

3.1 計(jì)量回路核查

檢查1、2、3號線測控裝置所使用的電流互感器，其準(zhǔn)確等級為0.2級，交接試驗(yàn)報(bào)告顯示滿足GB 1208—2006《電流互感器》相關(guān)要求；檢查測控裝置校驗(yàn)記錄，精度滿足要求；與電網(wǎng)側(cè)開關(guān)站核對線路電流數(shù)據(jù)，同一時(shí)刻兩側(cè)數(shù)據(jù)一致，見表4。綜上可確定計(jì)量二次側(cè)反映的是一次側(cè)的準(zhǔn)確值，線路的電流不平衡并不是因?yàn)榛ジ衅鞯牟粶?zhǔn)確傳遞引起的，一次側(cè)確實(shí)存在電流不平衡。

表4 同一時(shí)刻線路兩側(cè)電流數(shù)據(jù)對比 單位：A

3.2 電廠內(nèi)的電流核查

截取同一時(shí)刻1、2、3號線輸電線路及廠內(nèi)4臺機(jī)組、4臺主變壓器(簡稱主變)的三相電流進(jìn)行核算，各臺機(jī)組出口電流平衡，機(jī)組經(jīng)主變接入開關(guān)站，主變高壓側(cè)三相電流平衡且中性點(diǎn)電流為零，可確定線路的不平衡電流只發(fā)生在系統(tǒng)側(cè)而非電廠側(cè)，主要集中在1、2、3號線之間。

3.3 電廠側(cè)開關(guān)站主回路檢查

根據(jù)電工原理，系統(tǒng)側(cè)的電路由開關(guān)站內(nèi)部主回路及輸電線路兩部分組成。以下分析開關(guān)站內(nèi)部一次主回路對電流不平衡現(xiàn)象的貢獻(xiàn)度[2]。

a.如果開關(guān)站內(nèi)部某斷路器或隔離開關(guān)接觸電阻過大，會(huì)導(dǎo)致三相電流不平衡。在線路兩側(cè)開關(guān)站記錄一次設(shè)備倒閘操作過程中不同接線方式下，線路不平衡電流的突變情況，未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

b.查看電廠側(cè)開關(guān)站內(nèi)部一次主回路直阻交接試驗(yàn)報(bào)告，一次導(dǎo)電主回路電阻值(μΩ級別)三相平衡且都滿足不大于標(biāo)準(zhǔn)值120%的要求。

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綜上分析可排除站內(nèi)設(shè)備引起線路電流不平衡的可能。

3.4 線路檢查

1、2、3號線線路長度基本相同，所用鋼芯鋁絞線參數(shù)一致，輸電線路路徑相同，線路日常巡檢及檢修過程中未見明顯斷股、線路連接不牢、開裂等現(xiàn)象，可認(rèn)為線路帶電前三相阻抗值平衡。雖然在送電前對線路均進(jìn)行了阻抗參數(shù)測量，但所測阻抗參數(shù)為輸電線路的三相集中參數(shù)[5]，對本問題的分析意義不大[3]。

4 電流不平衡原因分析

當(dāng)三相電源對稱時(shí)，三相不平衡電流產(chǎn)生的原因是電路中三相電氣元件的不平衡，即負(fù)荷不平衡及輸電線路三相參數(shù)不對稱。

a.對于500 kV高壓系統(tǒng)而言，因負(fù)荷在低壓側(cè)，下游負(fù)荷經(jīng)過了多級變壓器的再平衡，且該電廠3條線路除線路桿塔布置不一致外，線路兩側(cè)開關(guān)站接線方式都為二分之三合環(huán)運(yùn)行模式，潮流負(fù)荷不會(huì)造成線路相間的不平衡。對比表1—表3的數(shù)據(jù)也可看出負(fù)荷對不平衡的貢獻(xiàn)較小。

b.根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，2013—2018年不同負(fù)荷、不同運(yùn)行方式下，負(fù)序和零序角度變化不大，可認(rèn)為導(dǎo)致線路電流不平衡的主要因素為線路自身的運(yùn)行不平衡。輸電線路三相參數(shù)不對稱，除前面分析的主回路自身參數(shù)的原因外，主要取決于各相導(dǎo)線相對于其他導(dǎo)線的距離不對稱。

在線路導(dǎo)線ABC坐標(biāo)系阻抗系數(shù)矩陣[4]中，導(dǎo)線的單位長度回路阻抗(自感系數(shù))Zii為

Zii=Rii+ j0.145lg(Dg/rsi)

兩根導(dǎo)線單位長度互感阻抗(互感系數(shù))Zij為

Zij=Rg+ j0.145lg(Dg/Dij)

式中：Rii=Ri+Rg，為導(dǎo)線等效電阻；Ri為導(dǎo)線單位長度電阻，取決于輸電導(dǎo)線的選型，導(dǎo)線型號固定后是一個(gè)各相均衡常數(shù)；Rg為大地回路等值電阻，Rg=π2×10-4f，為一常數(shù)；Dg為導(dǎo)線地中虛擬導(dǎo)體等值深度，Dg= 660ρ/f；ρ為土壤電阻率；f為系統(tǒng)頻率(為一常數(shù))；rsi為相應(yīng)導(dǎo)線和地中虛擬導(dǎo)線的等效半徑，當(dāng)輸電線路的選型和結(jié)構(gòu)確定后，為一各相均衡常數(shù)；Dij為兩導(dǎo)線之間的相對距離，具有不均衡性。

對比1、2、3號線的不平衡度差異(見表1—表3)及3條線路的導(dǎo)線布置(見圖2)，可認(rèn)為1號線輸電線路的三相電流不對稱主要是由各相參數(shù)的不對稱所引起，各相參數(shù)不對稱的主要原因是1號線導(dǎo)線三角形排列造成各相導(dǎo)線間距不同，以及1號線各相導(dǎo)線與2、3號線各相導(dǎo)線的距離不對稱。

在2號線停運(yùn)時(shí)，選取同一時(shí)刻輸電線路的電流，可見1號線的電流不平衡現(xiàn)象明顯降低，數(shù)據(jù)見表5。

在3號線停運(yùn)時(shí)，選取同一時(shí)刻輸電線路的電流，可見1號線的電流不平衡現(xiàn)象也明顯降低，數(shù)據(jù)見表6。

對比表5與表6數(shù)據(jù)可知，2、3號線分別停運(yùn)時(shí)，1號線電流不平衡度均明顯降低，且2號線停運(yùn)時(shí)不平衡度的降幅更大，符合2、3號線與1號線之間的空間物理位置差異(注：該電廠不存在2號線和3號線同時(shí)停運(yùn)的工況，線路布置見圖2)。在同一輸電通道內(nèi)，相鄰輸電導(dǎo)線間的強(qiáng)電磁耦合會(huì)造成較大的不平衡，在理論上和實(shí)際工程中都有案例。

c.在輸電線路不換位的情況下，因?yàn)檩旊娋€路參數(shù)不平衡產(chǎn)生不平衡電流的可能原因還有：①架空線位置對地不對稱造成輸電線路參數(shù)不對稱產(chǎn)生負(fù)序電流[5]，但該電廠輸電線路長度較短，1號線A相和C相對地位置相同而電流不同，此原因的貢獻(xiàn)度較??；②同塔雙回的輸電線路除導(dǎo)線自身對地不對稱造成的不平衡電流外，還存在環(huán)流型不平衡，即同塔雙回線在兩回路中感應(yīng)出的零序和負(fù)序電勢之和不為零，不平衡電勢使環(huán)流在回路中流過，由于線路阻抗較小，可造成較大的不平衡環(huán)流[6]。雖然1號線與2、3號線非同塔雙回，但兩側(cè)開關(guān)站都是二分之三接線方式，相當(dāng)于1、2、3號3條線路是環(huán)回狀態(tài)，也存在環(huán)流型不平衡。此問題主要受環(huán)流產(chǎn)生的不平衡電勢影響。對比線路兩側(cè)開關(guān)站同一時(shí)刻的電流，環(huán)流很小，可排除此原因。

綜上所述，引起1號線電流不平衡的主要原因?yàn)檩旊娋€路的不均衡布置，使2、3號線與1號線之間的不均衡強(qiáng)電磁耦合。

5 建議

5.1 不平衡定量分析

線路送電前的參數(shù)測量是三相集中測量后的對稱參數(shù)，無法進(jìn)行不平衡度的定量分析。可在線路停電時(shí)對線路每相進(jìn)行直阻測試，測試的結(jié)果反映各相的不平衡情況，同時(shí)驗(yàn)證線路是否存在斷股、塔線連接接觸電阻是否過大。1號線停電時(shí)，可在線路兩側(cè)均掛地線的情況下測量A、B、C相受2、3號線電磁耦合作用時(shí)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。

該電廠利用1號線線路檢修窗口，對其參數(shù)(線路分相阻抗、分相電容、分相電磁感應(yīng)電壓、電流)進(jìn)行了測量。從測量結(jié)果看，A、B、C三相均不存在線路斷股、塔線連接接觸電阻過大的問題，但1號線受到了2、3號線路的電磁耦合影響，這里不作具體的定量分析。

5.2 仿真計(jì)算

輸電線路工程建設(shè)的趨勢是輸電通道趨于緊湊，導(dǎo)線間的互相干擾必將造成電路運(yùn)行的不平衡。目前仿真技術(shù)的發(fā)展已非常成熟，理論仿真與實(shí)際結(jié)果基本吻合。可積累當(dāng)前不同模式運(yùn)行線路的參數(shù)，在后續(xù)線路投運(yùn)前建立數(shù)據(jù)模型，給出最合理的輸電線路布置，以便更好地指導(dǎo)線路工程建設(shè)。該電廠1號線電流不平衡問題的解決，首先可建立1、2、3號線的線路模型。根據(jù)現(xiàn)有分析，可模擬在兩側(cè)開關(guān)站進(jìn)站前的第一桿塔處將線路的B、C相互換(由右向左C、B、A更換為B、C、A)，進(jìn)行不平衡度計(jì)算后再在現(xiàn)場實(shí)施[7]。

5.3 路徑優(yōu)化

該電廠重新設(shè)計(jì)了二期接入系統(tǒng)的網(wǎng)架，并與電力設(shè)計(jì)院就不平衡問題進(jìn)行了溝通。在后期電廠變更接入電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)時(shí)，需重新進(jìn)行線路設(shè)計(jì)，以便從根本上解決此問題。