劉文飛，楊 勇，滕文濤，牛浩明，郝如海

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州 730070；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

隨著我國電力工業(yè)的快速發(fā)展，建設(shè)了大批特/超高壓輸電線路。在輸電走廊資源不足地區(qū)，特/超高壓輸電線路不可避免的與低壓輸電線近距離平行架設(shè)[1]。高壓線路在運(yùn)行過程中，其周圍伴隨著強(qiáng)靜電場和電磁場，會在臨近低壓線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流[2-4]。

同塔雙回架設(shè)的相同電壓等級的輸電線路或近距離平行架設(shè)的兩回不同電壓等級的輸電線路在一回線正常運(yùn)行，另一回線停運(yùn)時(shí)，停運(yùn)線路上出現(xiàn)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流可在工程設(shè)計(jì)階段，通過選擇足夠容量的接地開關(guān)或接地開關(guān)加裝輔助滅弧裝置，在檢修中將停運(yùn)線路接地開關(guān)可靠接地來加以消除，確保檢修工作安全進(jìn)行[5-7]。其他鄰近高壓輸電線路的金屬管線，如塑料大棚鐵架、金屬晾衣繩等物體上的感應(yīng)電壓可通過將其兩端直接接地予以消除[8-9]?？傊?，以往國內(nèi)外的研究主要集中于運(yùn)行線路對同電壓或低電壓停運(yùn)線路的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的計(jì)算分析，而高壓運(yùn)行線路對另一運(yùn)行線路電壓產(chǎn)生的感應(yīng)影響則鮮有研究。甘肅河西走廊地區(qū)可架設(shè)電力設(shè)施的土地資源匱乏，同時(shí)又是西北-新疆聯(lián)網(wǎng)通道及酒泉千萬千瓦風(fēng)電外送消納的必經(jīng)之路，存在密集的輸電通道。在甘肅電網(wǎng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)750 kV輸電線路導(dǎo)致運(yùn)行的35 kV線路電壓偏離目標(biāo)值，三相電壓不平衡及零序電壓持續(xù)升高，影響用戶正常用電。因此，開展750 kV交流輸電線路對近距離平行架設(shè)的運(yùn)行35 kV線路電壓影響的實(shí)驗(yàn)分析和仿真分析，并研究防治措施，既有重大的實(shí)際意義，又有一定的理論價(jià)值。本文首先利用EMTPE電磁暫態(tài)仿真軟件建立多導(dǎo)線仿真模型，模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；然后，計(jì)算高壓輸電線路電壓和電流變化對35 kV線路三相電壓不平衡、零序電壓、35 kV線路的電磁感應(yīng)電壓、靜電感應(yīng)電壓的影響，對比分析35 kV線路電壓異常的根本原因；最后，提出抑制35 kV線路三相電壓不平衡及零序電壓持續(xù)升高的措施。

1 750 kV交流輸電線路對運(yùn)行35 kV線路電壓影響

750 kV線路全長230.1 km，三相導(dǎo)線呈水平排布，換位情況如圖1所示。35 kV線路全長53.0 km，三相線路呈三角形排布，線路全程無換位。兩線位置關(guān)系如圖2所示，圖2中，35 kV線路#124～#289塔與750 kV線路#6段存在并行架設(shè)的情況，并行長度17.3 km，平均并行間距為21.5 m。

圖1 750 kV線路導(dǎo)線換位示意Fig.1 Schematic of transposition of conductors on 750 kV line

圖2 750 kV線路與35 kV線路位置示意Fig.2 Schematic of location of 750 kV and 35 kV lines

750 kV線路投運(yùn)后，35 kV線路A、C相電壓持續(xù)降低，B相電壓升高，呈現(xiàn)出三相電壓不平衡及零序電壓升高的現(xiàn)象，如表1所示。

表1 35 kV線路電壓變化情況Tab.1 Voltage variation of 35 kV line

35 kV系統(tǒng)電壓異常變化，一方面影響35 kV系統(tǒng)所帶工業(yè)負(fù)荷的正常運(yùn)行，同時(shí)也傳導(dǎo)至圖2中A火電廠的35 kV母線，導(dǎo)致廠內(nèi)零序電壓越限報(bào)警。

2 750 kV交流輸電線路對平行架設(shè)的35 kV線路電壓影響的仿真分析

2.1 仿真模型建立

若要對35 kV線路受750 kV輸電線路影響的電壓變化情況和感應(yīng)電壓進(jìn)行計(jì)算，需建立多導(dǎo)線系統(tǒng)仿真模型[10-11]。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，750 kV線路水平排列，并按圖1所示線路進(jìn)行換位；35 kV線路單回架設(shè)，導(dǎo)線按三角形排列；各導(dǎo)線、地線位置如圖3所示。

圖3 750 kV線路與35 kV線路導(dǎo)線位置示意Fig.3 Schematic of conductor locations for 750 kV and 35 kV lines

圖3中，A、B、C分別為750 kV線路的三相；4、5為750 kV線路的地線；a、b、c分別為35 kV線路的三相；35 kV線路未鋪設(shè)地線。多導(dǎo)線系統(tǒng)以750 kV桿塔的中線為基準(zhǔn)表達(dá)多根導(dǎo)線的相對位置，750 kV桿塔和35 kV桿塔均采用直線塔。

750 kV線路采用6*JL/G1A-400/45導(dǎo)線；35 kV線路采用LJG-35導(dǎo)線。導(dǎo)線、地線、地回路參數(shù)如表2所示。

表2 導(dǎo)線和地線參數(shù)Tab.2 Parameters of conductor and ground wire

建立的并行線路仿真模型如圖4所示。圖4中，750 kV系統(tǒng)電源采用理想電壓源，線路考慮兩側(cè)高抗，并按線路連接實(shí)際情況進(jìn)行換位；35 kV系統(tǒng)按圖2方式接線，由火電廠A單電源供電，經(jīng)D站帶對稱負(fù)荷，系統(tǒng)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行。仿真模型中的導(dǎo)線及地線均采用頻率相關(guān)模型，由分布式參數(shù)R、L、G、C構(gòu)成，并考慮頻率相關(guān)特性，其中，線路電感L、電阻R和電容C根據(jù)直流電阻、集膚效應(yīng)、導(dǎo)線直徑、空間布局及地回路條件按頻率的函數(shù)來計(jì)算，并聯(lián)電導(dǎo)G按0.2×10-9S/km來考慮。

圖4 并行線路仿真模型Fig.4 Simulation model of parallel lines

2.2 35 kV線路電壓運(yùn)行情況仿真分析

750 kV線路功率為900 MW，線路投運(yùn)前后，35 kV C變電站母線電壓如表3所示；電壓波形如圖5、6所示。

圖5 750 kV線路投運(yùn)前35 kV母線電壓波形Fig.5 Voltage waveform of 35 kV bus before 750 kV line is put into operation

圖6 750 kV線路投運(yùn)后35 kV母線電壓波形Fig.6 Voltage waveform of 35 kV bus after 750 kV line is put into operation

表3 35 kV線路電壓仿真分析Tab.3 Simulation analysis of voltage of 35 kV line

由表1實(shí)測結(jié)果可知，仿真計(jì)算能夠正確反應(yīng)750 kV線路投運(yùn)前后35 kV線路A、B、C三相電壓及零序電壓的變化情況，誤差小于2.9%，從而得出，所建立的仿真模型能夠正確模擬現(xiàn)場實(shí)際情況。

2.3 不同工況下35 kV線路電壓及零序電壓計(jì)算

2.3.1 高壓線路電壓變化對35 kV線路電壓的影響

35 kV系統(tǒng)正常運(yùn)行，高壓線路電流為650 A，當(dāng)改變高壓線路的運(yùn)行電壓分別為220 kV、330 kV、500 kV和750 kV時(shí)，35 kV線路各相電壓及零序電壓如表4所示。

表4 高壓線路電壓變化對35 kV線路電壓的影響Tab.4 Influence of voltage variation of high-voltage line on 35 kV line voltage kV

2.3.2 高壓線路電流變化對35 kV線路電壓的影響

35 kV線路系統(tǒng)正常運(yùn)行，高壓線路電壓為750 kV，當(dāng)改變高壓線路運(yùn)行電流分別為500 A、1 000 A、1 500 A和2 000 A時(shí)，35 kV線路各相電壓及零序電壓如表5所示。

表5 高壓線路電流變化對35 kV線路電壓的影響Tab.5 Influence of current variation of high-voltage line on 35 kV line voltage

高壓線路運(yùn)行在不同電壓下，35 kV線路零序電壓基本相同；高壓線路運(yùn)行在不同電流下，35 kV線路零序電壓差異明顯，且隨著電流增大，35 kV線路偏離初始電壓的幅度越大，零序電壓越大，電壓不平衡越嚴(yán)重。

2.4 不同工況下35 kV線路感應(yīng)電壓計(jì)算

感應(yīng)電壓根據(jù)產(chǎn)生原理的不同分為靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓。靜電感應(yīng)是當(dāng)導(dǎo)體處于外電場中時(shí)，該導(dǎo)體因電容耦合效應(yīng)而帶上一定的電荷，由于35 kV線路與750 kV線路之間存在的電容耦合效應(yīng)，依靠750 kV線路電壓產(chǎn)生的電場，35 kV線路各相上感應(yīng)出對地電位；電磁感應(yīng)電壓是當(dāng)750 kV線路流過交流電流時(shí)，在其周圍產(chǎn)生交變磁場，35 kV線路與其交鏈，則會在35 kV線路上感應(yīng)出縱電勢，沿導(dǎo)線方向分布[12]。

平行線路的耦合效應(yīng)分析模型如圖7所示。圖7中，U1、U2分別為35kV線路A相靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓；MAa、MBa和MCa為兩線路之間的互感；CAa、CBa和CCa為兩線路的互電容；L為35 kV線路的電感；C為35 kV線路的對地電容[13]。

圖7 平行線路的耦合效應(yīng)分析模型Fig.7 Analysis model of coupling effect of parallel lines

35 kV線路的靜電感應(yīng)電壓為

式中，UA、UB和UC分別為750 kV線路A、B、C的相電壓。

35 kV線路的電磁感應(yīng)電壓為

式中：U2為35 kV線路A相電磁感應(yīng)電壓；MAa、MBa和MCa為2條線路之間的互感；IA、IB和IC分別為750 kV線路A、B、C三相電流；ω為工頻的角速度。

2.4.1 高壓線路電壓變化對35 kV線路感應(yīng)電壓的影響

高壓線路電流為650 A，當(dāng)改變高壓線路的運(yùn)行電壓分別為220 kV、330 kV、500 kV和750 kV時(shí)，35 kV線路的靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓如表6、7所示。

表6 高壓線路電壓變化對35 kV線路靜電感應(yīng)電壓的影響Tab.6 Influence of voltage variation of high-voltage line on electrostatic induction voltage of 35 kV line kV

表7 高壓線路電壓變化對35 kV線路電磁感應(yīng)電壓的影響Tab.7 Influence of voltage variation of high-voltage line on electromagnetic induction voltage of 35 kV line kV

2.4.2 高壓線路電流變化對35 kV線路感應(yīng)電壓的影響

高壓線路電壓為750 kV，當(dāng)改變高壓線路運(yùn)行電流分別為500 A、1 000 A、1 500 A和2 000 A時(shí)，35 kV線路的靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓如表8、9所示。

表8 高壓線路電流變化對35 kV線路靜電感應(yīng)電壓的影響Tab.8 Influence of current variation of high-voltage line on electrostatic induction voltage of 35 kV line kV

表9 高壓線路電流變化對35 kV線路電磁感應(yīng)電壓的影響Tab.9 Influence of current variation of high-voltage line on electromagnetic induction voltage of 35 kV line kV

由于高壓線路產(chǎn)生的磁場、電場在空間分布上不均勻及35 kV線路的空間位置不同，高壓線路對35 kV線路各相的感應(yīng)電壓幅值不同，造成運(yùn)行的35 kV線路三相電壓不平衡及零序電壓升高。

對比表4與表6、7，以及表5與表8、9中的數(shù)據(jù)分析可知，35 kV線路電壓偏離初始值、零序電壓升高、電磁感應(yīng)電壓的變化趨勢均與高壓線路電流變化相關(guān)性明顯，而與高壓線路運(yùn)行電壓變化、靜電感應(yīng)電壓的相關(guān)性不強(qiáng)。因而得出，運(yùn)行的35 kV線路三相電壓不平衡及零序電壓升高主要是750 kV線路對35 kV線路電磁感應(yīng)電壓的作用造成的。

2.5 不同序分量對35 kV線路感應(yīng)電壓的影響分析

由表3及圖6可知，當(dāng)750 kV線路通過正序電流時(shí)對35 kV運(yùn)行線路電壓產(chǎn)生影響。計(jì)算750 kV線路流過負(fù)序和零序電流時(shí)35 kV運(yùn)行線路電壓變化情況，如圖8、圖9及表10所示，負(fù)序和零序電流大小與正序電流相同，均為650A。

圖8 750 kV線路通過負(fù)序電流35 kV線路電壓Fig.8 Voltage of 35 kV line when negative-sequence current flows through 750 kV line

圖9 750 kV線路通過零序電流35 kV線路電壓Fig.9 Voltage of 35 kV line when zero-sequence current flows through 750 kV line

表10 35 kV線路電壓仿真分析Tab.10 Simulation analysis of voltage of 35 kV line

仿真結(jié)果表明，750 kV線路通過零序電流時(shí)，將對35 kV線路產(chǎn)生強(qiáng)烈的感應(yīng)電壓，導(dǎo)致35 kV線路電壓嚴(yán)重偏離初始值，引起三相電壓不平衡；750 kV線路通過正序電流和負(fù)序電流也會導(dǎo)致35 kV線路電壓偏離初始值，但影響程度較零序電流小，其中，通過負(fù)序電流的影響程度又比正序電流小。在研究分析同塔多回多電壓等級輸電線路的感應(yīng)耦合效應(yīng)時(shí)，要特別注意零序電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓影響，同時(shí)正序電流和負(fù)序電流也不可忽略，應(yīng)建立多導(dǎo)線耦合模型來精確分析多線路間的電壓影響。

3 限制35 kV線路電壓不平衡及零序電壓的措施

由第1、2節(jié)的實(shí)驗(yàn)、仿真分析結(jié)果表明，750 kV線路對平行架設(shè)的35 kV線路電壓影響明顯，造成的35 kV線路三相電壓不平衡及零序電壓升高將對用電負(fù)荷和發(fā)電設(shè)備均可能產(chǎn)生危害。結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，得出限制35 kV線路電壓不平衡及零序電壓的措施為①35 kV線路在兩線并行處進(jìn)行換位；②35 kV線路加裝耦合地線；③改變兩線并行長度；④改變兩線并行間距。

改變750 kV線路與35 kV線路間的垂直距離，可降低35 kV線路桿塔高度來減小感應(yīng)電壓[14]，從而限制35 kV線路電壓不平衡及零序電壓，但降低35 kV線路桿塔高度不利于線路對地絕緣，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，因此不予考慮。

3.1 35 kV線路在兩線并行處換位

750 kV輸電線路與35 kV線路并行架設(shè)長度為17.3 km，在圖4所示模型基礎(chǔ)上，對35 kV線路兩線并行處的部分進(jìn)行一次全循環(huán)4段換位[15]，換位方案如圖10所示。

圖10 35 kV線路在兩線并行部分的換位示意Fig.10 Schematic of transposition of 35 kV line in two-line parallel part

35kV線路全循環(huán)換位后，線路電壓如圖11所示；換位前、后線路電壓及零序電壓數(shù)據(jù)如表11所示。

表11 線路換位對35 kV線路電壓的影響Tab.11 Influence of line transposition on voltage of 35 kV line

圖11 35 kV線路換位后母線電壓波形Fig.11 Voltage waveform of bus after transposition of 35 kV line

35 kV線路在兩線并行處的部分進(jìn)行一次全循環(huán)換位，有效降低線路參數(shù)的不平衡度，同時(shí)均衡了750 kV線路對35 kV各相之間的感應(yīng)電壓效應(yīng)，使35 kV線路零序電壓降低29.92%。

3.2 35 kV線路加裝耦合地線

對35 kV線路在兩線并行部分的上方加裝耦合地線。結(jié)合35 kV線路桿塔高度，設(shè)計(jì)2種地線方案，①地線安裝在A相和C相正上方5 m處；②地線安裝在B相正上方2 m處，如圖12所示。

圖12 35 kV線路加裝耦合地線示意Fig.12 Schematic of installing coupled ground wire on 35 kV line

在圖4所示模型基礎(chǔ)上，分別建立考慮2種耦合地線方案的仿真模型。新增的地線采用頻率相關(guān)模型，線路參數(shù)與35 kV導(dǎo)線相同。

35 kV線路加裝耦合地線后，線路電壓如圖13、14所示；加裝耦合地線前、后線路電壓及零序電壓數(shù)據(jù)如表12所示。

圖13 加裝耦合地線1后35 kV線路電壓波形Fig.13 Voltage waveform of 35 kV line with installation of coupled ground wire according to Plan 1

圖14 加裝耦合地線2后35 kV線路電壓波形Fig.14 Voltage waveform of 35 kV line with installation of coupled ground wire according to Plan 2

表12 加裝地線對35 kV線路電壓的影響Tab.12 Influence of installing ground wire on voltage of 35 kV line

由圖13、14及表12可知，加裝耦合地線方案①的35 kV線路零序電壓減小34.81%；加裝耦合地線方案②的35 kV線路零序電壓減小20.02%。

3.3 改變兩線并行長度

35 kV線路上的電磁電壓感應(yīng)量會因兩線平行長度的改變而變化。35 kV線路與750 kV線路的并行長度為17.3 km，在圖4所示模型基礎(chǔ)上，保持35 kV線路總長度不變，逐漸改變35 kV線路在兩線并行部分的長度，線路零序電壓變化如圖15所示。

圖15 35 kV線路零序電壓隨并行部分長度變化Fig.15 Variation in zero-sequence voltage of 35 kV line with length of parallel part

由圖15可以看出，隨著兩線并行部分占35 kV線路比例的增加，35 kV線路的零序電壓成正比逐漸增加。實(shí)際工程中，兩線并行長度應(yīng)不影響35 kV線路及與之連接的設(shè)備的零序電壓保護(hù)的正常運(yùn)行，其最大值應(yīng)結(jié)合設(shè)備的零序電壓保護(hù)定值計(jì)算確定。

3.4 改變兩線并行間距

改變35 kV線路偏離750 kV線路桿塔中線的距離。在圖4所示模型基礎(chǔ)上，逐漸改變兩線的并行間距，變化步長取5 m，則35 kV線路零序電壓變化如圖16所示。

圖16 35 kV線路零序電壓隨兩線并行間距變化Fig.16 Variation in zero-sequence voltage of 35 kV line with parallel distance between two lines

兩線間的并行距離影響線路之間的互感抗和互電容，由圖16可以看出，隨著750 kV線路與35 kV線路并行間距的增大，35 kV線路的零序電壓逐漸減小。當(dāng)兩線并行間距大于45 m時(shí)，35 kV線路零序電壓減小的速度有所減慢；當(dāng)兩線并行間距大于75 m時(shí)，35 kV線路零序電壓減小至0.3 V左右，恢復(fù)至750 kV線路投運(yùn)前狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）電網(wǎng)運(yùn)行及仿真結(jié)果均表明，750 kV線路將對與之并行架設(shè)且間距較小的35 kV線路產(chǎn)生強(qiáng)烈的感應(yīng)電壓，導(dǎo)致35 kV線路電壓偏離目標(biāo)值，造成三相電壓不平衡和零序電壓持續(xù)升高。

（2）受750 kV輸電線路影響的35 kV線路的各相電壓變化及零序電壓與750 kV線路對35 kV線路的電磁感應(yīng)電壓變化趨勢相同，而與靜電感應(yīng)電壓的相關(guān)性不明顯。

（3）結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，提出限制35 kV線路電壓不平衡及零序電壓的措施。35 kV線路在兩線并行處進(jìn)行一次全循環(huán)4段換位，零序電壓降低29.92%；35 kV線路在兩線并行部分的上方加裝耦合地線，零序電壓最大降低34.81%；隨著750 kV線路與35 kV線路并行間距的增大，35 kV線路上的零序電壓逐漸減小，當(dāng)兩線并行間距大于75 m時(shí)，35 kV線路零序電壓恢復(fù)至750 kV線路投運(yùn)前狀態(tài)；35 kV線路上的零序電壓與兩線路并行長度成正比，并行線路長度最大值應(yīng)結(jié)合相關(guān)設(shè)備的零序電壓保護(hù)定值計(jì)算確定。

（4）《110 kV-750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，開闊區(qū)域750 kV線路距離臨近平行輸電線最小距離為750 kV線路最高桿塔高度。但上述規(guī)定的目的是為避免750 kV線路倒塔事故對臨近電力線路的破壞，并未考慮兩線路電壓之間的相互影響。本文研究表明，密集輸電通道應(yīng)充分考慮因感應(yīng)電壓致使低壓線電壓偏離目標(biāo)值的問題，應(yīng)盡量避免低壓線路與特/超高壓線路近距離并行架設(shè)；在輸電走廊資源匱乏地區(qū)難以避免上述情況時(shí)，低壓線路與特/超高壓線路的并行長度、并行間距應(yīng)通過計(jì)算分析確定，必要時(shí)應(yīng)采取線路換位、加裝耦合地線等其他抑制措施。