B-24.500kV同塔四回輸電線路最優(yōu)相序布置研究

1、500kV 同塔四回輸電線路最優(yōu)相序布置研究張曉1，周浩1，趙斌財(cái)1，戴攀1，陳稼苗2，鐘曉波3，王堅(jiān)敏4(1浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江省 杭州市 310027；2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，浙江省 杭州市310027；3.寧波電力設(shè)計(jì)院，浙江省 寧波市315000；4.嘉興電力局，浙江省 嘉興市314000） 摘 要：同塔四回線路的相序布置方式理論上有46種，為從眾多相序中選擇一種最優(yōu)相序布置，以500kV同塔四回線路為例，采用窮舉法對比分析了所有相序布置方式下的電磁環(huán)境、自然功率及線路不平衡度等電氣特性。結(jié)果表明：相序布置對線路的電磁環(huán)境、線路走廊、傳輸功率、以及不平衡度等電氣特性具有一定的影響

2、；線路的工頻磁場、無線電干擾和可聞噪聲均不是決定線路最優(yōu)相序布置的關(guān)鍵因素。綜合考慮線路電磁環(huán)境、自然功率和線路不平衡度等因素，利用排序法得出了線路的最優(yōu)相序布置，500kV同塔四回線路d、e型塔的最優(yōu)相序布置分別為1616、1462；最后推薦了同塔四回線路的六種典型排列方式。其計(jì)算方法與結(jié)果可供實(shí)際工程參考。關(guān)鍵詞：同塔四回線路； 電磁環(huán)境； 自然功率； 不平衡度； 最優(yōu)相序布置1 引言隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，輸電線路走廊資源日趨緊張，使用走廊用地、拆遷等費(fèi)用在線路建設(shè)投資中所占比例越來越大，同塔多回輸電線路的應(yīng)用日益廣泛1,2。目前，我國已在北京、廣東、江蘇、浙江等地建成數(shù)

3、十條不同電壓等級的高壓、超高壓同塔四回線路。 同塔四回線路各回導(dǎo)線間相互影響較大，導(dǎo)線排列方式對線路的電磁環(huán)境、線路走廊、傳輸功率、以及不平衡度等電氣特性具有一定的影響3,4。因此，合理選擇同塔多回線路導(dǎo)線最優(yōu)相序布置對改善線路電磁環(huán)境，提高線路輸送功率，優(yōu)化線路設(shè)計(jì)等方面具有重要意義。但同塔四回線路的相序布置方式有很多，理論上有46種，基于同塔四回線路導(dǎo)線布置方式的多樣性，使得實(shí)際工程中如何從眾多相序中選擇一種最優(yōu)相序布置成為困難。針對同塔四回線路相序布置的選擇問題，國內(nèi)相關(guān)人員已經(jīng)做了一定研究。文5、6從工頻電場和工頻磁場的角度對比分析了同塔四回線路相序布置的影響，并得出了最優(yōu)相序布置。然

4、而，綜合考慮同塔四回線路相序布置的多樣性及電磁環(huán)境、自然功率及線路不平衡度等電氣特性影響，研究同塔四回線路最優(yōu)相序布置在我國尚屬空白?，F(xiàn)以500kV 同塔四回線路為例，采用窮舉法對比分析了兩種典型塔型對應(yīng)的所有相序布置方式下的電磁環(huán)境、自然功率及線路不平衡度等電氣特性；綜合各種電氣特性的影響利用排序法得出了線路的最優(yōu)相序布置；最后推薦了同塔四回線路的六種典型排列方式，并計(jì)算了其相關(guān)電氣特性。計(jì)算方法與結(jié)果可供實(shí)際工程參考。2 線路參數(shù)及模型2.1 線路參數(shù)500kV 同塔四回線路有兩種典型塔型：導(dǎo)線垂直排列的豎塔（d 型塔）和導(dǎo)線水平排列的橫塔（e 型塔）如圖1所示。（a ） d 型塔 （b

5、）e 型塔 圖1 500kV同塔四回線路塔型圖其中，d 型塔全高為92.1m ，呼稱高為33m ；e 型塔全高為60.5m ，呼稱高為33m 。其他系統(tǒng)參數(shù)為：導(dǎo)線采用LGJ-400/35型鋼芯鋁絞線，地線采用JLB40A-150型鋁包鋼絞線。仿真時(shí)500kV 線路底相導(dǎo)線對地最小高度均取11.0m （規(guī)程要求最小值），線路長度取50km （從嚴(yán)）。 2.2 編碼處理單回輸電線路，其相序布置有ABC ，ACB ，BAC ，BCA ，CAB ，CBA 共計(jì) 6種方式，可用16分別表示該線路6種排列方式之一；同理對于四回線路，可用4位6進(jìn)制編碼來表示其相序布置，故從11116666可遍歷同塔四回線

6、路1294種相序。3 相序布置對電磁環(huán)境的影響3.1 相序布置影響分析導(dǎo)線間存在的電容效應(yīng)，使得每一根導(dǎo)線上的電壓均會對另一相導(dǎo)線上的電荷和表面電場強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因此，同塔四回線路每一種相序布置方式下的工頻電場、工頻磁場、無線電干擾、可聞噪聲均不相同。由于多回線路同塔并架，與單回線路相比導(dǎo)線回路數(shù)增多，必然導(dǎo)致導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度升高，使得同塔四回線路的電磁環(huán)境問題將更為突出。輸電線路的電磁環(huán)境決定了導(dǎo)線截面的選擇、導(dǎo)線對地凈空距離的確定及線路走廊寬度的劃定，直接影響了線路建設(shè)成本7。因此，有必要研究相序?qū)﹄姶怒h(huán)境的影響，挑選最優(yōu)布置方式。采用加拿大安全工程公司（SES ）推出的CDEGS 軟件包

7、中SES-Enviro 8-10對500kV 同塔四回線路的電磁環(huán)境的影響進(jìn)行了仿真。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦500kV 輸電線路居民區(qū)工頻電場不應(yīng)超過4kV/m，工頻磁場不應(yīng)超過0.1mT ，邊相導(dǎo)線投影外20m 處的無線電干擾值不應(yīng)超過55dB ，可聞噪聲不應(yīng)超過55dB 11-13。 3.2 計(jì)算結(jié)果采用窮舉法對500kV 同塔四回線路（d 型塔、e 型塔）1294種相序布置仿真計(jì)算，分別找出了工頻電場、工頻磁場、無線電干擾和可聞噪聲的最優(yōu)和最差相序布置，計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1 相序布置對線路電磁環(huán)境的影響d 型塔 e 型塔最優(yōu)最差 最優(yōu) 最差排列方式 1342111116531111E max

8、(kV/m8.9110.60 7.59 13.80EW (m 39.041.3 53.3 57.0排列方式 1264111615321166BB max (T 30.2044.28 29.38 65.92排列方式 1246135411331232RIRI (dB 50.9352.56 46.53 54.03排列方式 1166142411111451ANAN (dB46.1249.00 42.68 52.59注：E max 為線路下方工頻電場的最大值，kV/m；W 為線路走廊寬度，m ；B max 為線路下方工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，T ； RI 為邊相導(dǎo)線外20m 處的無線電干擾值，dB ； A

9、N 為邊相導(dǎo)線外20m 處的可聞噪聲值，dB由表1可知，同塔四回線路的相序布置對線路電磁環(huán)境有影響，選擇合適的相序布置可有效的改善線路下方的電磁環(huán)境；基于電場、磁場、無線電、噪聲的產(chǎn)生機(jī)理各不相同，電磁環(huán)境四個(gè)因素對應(yīng)的最優(yōu)最差相序排列方式均不同。且e 型塔線路相序布置對電磁環(huán)境的影響比d 型塔線路明顯。500kV 同塔四回線路d 型塔1294種相序布置中，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值為44.28T ，離工頻磁場的限值0.1mT 還有一定的裕度；邊相導(dǎo)線外20m 處的無線電干擾最大值為52.56dB ，滿足55dB 的限值標(biāo)準(zhǔn)；邊相導(dǎo)線外20m 處的可聞噪聲最大值為49.00dB 滿足55dB 的限

10、值標(biāo)準(zhǔn)。e 型塔線路1294種相序布置中，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值為65.92T ，邊相導(dǎo)線外20m 處的無線電干擾和可聞噪聲值為54.03dB 和52.59dB ，均滿足相關(guān)限值標(biāo)準(zhǔn)。因此，磁場、無線電干擾和可聞噪聲均不是決定線路最優(yōu)相序布置的關(guān)鍵因素。線路的工頻電場決定了導(dǎo)線對地凈空距離的確定及線路走廊寬度的劃定，是決定同塔四回線路最優(yōu)相序布置的關(guān)鍵因素之一。綜合電磁環(huán)境最優(yōu)，500kV 同塔四回線路d 型塔最優(yōu)相序布置為1342，e 型塔的最優(yōu)相序布置為1653，如圖2所示。 （a ） d 型塔（1342） （b ） e 型塔（1653）圖2 線路電磁環(huán)境最優(yōu)相序布置4 相序布置對自然功率

11、的影響4.1 相序布置影響分析高壓線路存在著對地的電容，線路充電后，電容可以發(fā)出一定的無功，線路導(dǎo)線存在電感，線路通過電流會消耗一定的無功。當(dāng)線路輸送有功功率達(dá)到某個(gè)值的時(shí)候，此時(shí)線路消耗和產(chǎn)生的無功正好平衡，此時(shí)輸送的功率就稱為自然功率14,15。普遍認(rèn)為，線路的自然功率越高，相應(yīng)的線路傳輸能量越高。同塔多回線路各種相序布置形式下（以非居民區(qū)為例）的每一回路的自然功率逐一按式（1）計(jì)算，整個(gè)多回路的自然功率按式（2）計(jì)算。其中P i 為第i 回路的自然功率，U i 為第i 回路的電壓，I i 為第i 回路的電流。i i i P U I = (1=iP P (2自然功率與線路的波阻抗成反比，同

12、塔四回線路不同相序布置對應(yīng)的線路的波阻抗不同，對應(yīng)的線路輸送的自然功率不同。 4.2 計(jì)算結(jié)果采用窮舉法選出了500kV 同塔四回線路d 型塔、e 型塔自然功率的最優(yōu)和最差相序布置，計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2 相序布置對自然功率的影響d 型塔e 型塔排列方式P （MW ）排列方式P （MW ）最大1616 4257 1451 4390 P最小1166 3733 1111 3336由表2可知，相序布置對線路的自然功率有一定影響，選擇合適的相序布置可有效的提高線路的輸送功率。d 型塔線路自然功率的最優(yōu)（1616）與最差（1166）排列方式相比自然功率增加了524MW （14.0%），e 型塔線路增加

13、了1063MW （31.9% ） ，因此，選擇合適的相序排列可在不增加線路投資的基礎(chǔ)上提高線路的輸送功率。綜合自然功率最優(yōu)500kV 同塔四回線路d 型塔的最優(yōu)相序布置為1616，e 型塔的最優(yōu)相序布置為1451，如圖3所示。（a ） d 型塔（1616） （b ） e 型塔（1451）圖3 線路自然功率最優(yōu)相序布置5 相序布置對線路不平衡度的影響5.1 相序布置影響分析輸電線路不平衡度是衡量線路性能和電能質(zhì)量優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，合理控制這一指標(biāo)對于輸電線路和整個(gè)電力系統(tǒng)具有重要意義16。在輸電線路中，由于各相架空導(dǎo)線自身參數(shù)不平衡，導(dǎo)致線路正常運(yùn)行時(shí)每相導(dǎo)線的阻抗和導(dǎo)納參數(shù)不相等，進(jìn)而引起系

14、統(tǒng)中產(chǎn)生不對稱電流和電壓，當(dāng)系統(tǒng)電壓、電流不平衡度超過允許水平時(shí)，就可能電力系統(tǒng)設(shè)備帶來諸多不利影響。一般采用導(dǎo)線換位來減小輸電線路不對稱程度17-19。同塔四回線路由于多回線路同桿并架，難以完全換位，故選擇不平衡度最優(yōu)相序布置方式，對輸電線路的設(shè)計(jì)、運(yùn)行分析及繼電保護(hù)裝置的配置、整定等具有重要意義。輸電線路參數(shù)不對稱將在運(yùn)行中引起系統(tǒng)電氣量的不平衡，系統(tǒng)電流、電壓的不平衡度分別用負(fù)序和零序不平衡度來度量：2U 21=U/U100%×； （3） 0U 01=U/U100%×； （4） 221=I/I100%I ×； （5） 01=I/I100%I ×；

15、（6）式中，2U 、0U 分別為電壓的負(fù)序和零序不平衡度；2I 、0I 分別為電流的負(fù)序和零序不平衡度；U 2、I 2為負(fù)序電壓和電流；U 1、I 1為正序電壓和電流；U 0、I 0為零序電壓和電流。在三相系統(tǒng)中，知道三相電壓和電流的幅值和相位后，應(yīng)用對稱分量發(fā)分別求出正序分量、負(fù)序分量和零序分量，由式（3）（7）即可求出線路的不平衡度。相關(guān)規(guī)程20規(guī)定：電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電壓不平衡度不超過2%，短時(shí)不得超過4%。短時(shí)間不對稱運(yùn)行，主要指系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障引起的運(yùn)行狀態(tài)，本文暫取2作為輸電線路不平衡度限值，所計(jì)算線路不平衡度，均為電壓不平衡度。 5.2 計(jì)算結(jié)果采用窮舉法選出了500kV 同

16、塔四回線路d 型塔、e 型塔負(fù)序不平衡度和零序不平衡度的最優(yōu)和最差相序布置，計(jì)算結(jié)果如表3所示。表3 相序布置對線路不平衡度的影響d 型塔e 型塔排列方式2U0U排列方式2U0U最優(yōu)1616 0.16 0.58 1642 0.35 0.72 2U 最差 1166 1.18 1.28 1121 2.31 0.89 最優(yōu)1616 0.16 0.58 1354 1.21 0.23 0U 最差1134 1.082.20 1133 1.62 1.12由表3可知，同塔多線路不平衡度不僅與導(dǎo)線空間布置有關(guān)，還跟相序排列方式有關(guān)，選擇合適的相序布置可有效的減小線路的不平衡度。 d 型塔線路負(fù)序、零序不平衡度的

17、最優(yōu)排列方式相同均為1616。e 型塔線路負(fù)序不平衡度的最優(yōu)相序布置為1624，零序不平衡度的最優(yōu)相序?yàn)?354；1354相序布置下的零序不平衡度雖然最優(yōu)，但負(fù)序不平衡度較大，1624相序布置的負(fù)序不平衡度最優(yōu)，零序不平衡度也相對較小，因此，e 型塔線路不平衡度的最優(yōu)相序?yàn)?624。綜合線路不平衡度最優(yōu)500kV 同塔四回線路d 型塔的最優(yōu)相序布置為1616，e 型塔的最優(yōu)相序布置為1642，如圖4所示。6 最優(yōu)相序選擇線路的工頻電場決定了導(dǎo)線對地凈空距離的確定及線路走廊寬度的劃定，自然功率體現(xiàn)了的線路傳輸能力，不平衡度衡量了線路性能和電能質(zhì)量優(yōu)劣。同塔四回線路最優(yōu)相序的選擇要綜合考慮這三個(gè)方

18、面的因素，選取一個(gè)相對經(jīng)濟(jì)、電磁污染小、輸送功率大及線路不平衡度小的方式。（a ） d 型塔（1616） （b ） e 型塔（1642）圖4 線路不平衡度最優(yōu)相序布置首先利用窮舉法，計(jì)算同塔四回線路1296種相序布置的工頻電場、自然功率及線路不平衡度（負(fù)序、零序）；再利用排序法把計(jì)算結(jié)果從優(yōu)到劣依次排序，即每種相序布置均對應(yīng)四個(gè)名次；把每種相序分別對應(yīng)的各個(gè)名次乘以不同的權(quán)重系數(shù)加和再次排 序，可得線路的最優(yōu)相序布置，如式（7）所示。其中Ei S 、Pi S 、i S 2、0i S 分別為第i 種相序工頻電場、自然功率、負(fù)序、零序不平衡度的排序；1、2、3、4分別為其相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。01234

19、i Ei Pi i i S S S S S 2=+（7）12341+= （8）實(shí)際工程中，可根據(jù)具體情況選取不同的權(quán)重系數(shù)，得到不同的最優(yōu)相序布置，本文暫考慮各電氣特性的權(quán)重相等，即1=2=34+=1/3，可得500kV 同塔四回線路d 、e 型塔最優(yōu)相序布置分別為1616、1462，如圖5所示。（a ） d 型塔（1616） （b ） e 型塔（1462） 圖5 500kV同塔四回線路最優(yōu)相序布置為使計(jì)算結(jié)果更有指導(dǎo)意義推薦了同塔四回線路相序排列方式的前六種作為典型排列方式，實(shí)際工程中可根據(jù)具體需要進(jìn)行選擇，d 型塔的典型相序布置為1616、1642、1635、1416、1535、1516，

20、e 型塔的典型相序?yàn)?462、1563、1426、1451、1541、1415。表4、表5給出了500kV 同塔四回線路六種典型相序下的電磁環(huán)境、自然功率及線路不平衡度計(jì)算結(jié)果。表4 d型塔線路典型相序布置電氣特性比較1616 1624 1635 1416 1535 1516 相序布置A C B BC A A C B B C AA C B B C A A B C C B AA C B B C A B C A A C BA B B C C A A C B B C AA C B A C B B C A A C BA C B A C B A C B B C AE max (kV/m 9.19 9.1

21、9 9.19 9.22 9.22 9.20 B max (T 43.05 41.81 41.71 43.76 43.76 42.54 RI (dB 51.66 51.96 51.96 51.94 51.94 52.05 AN (dB48.84 48.74 48.74 48.73 48.73 49.00 P (MW4257 4228 4228 4226 4226 4234 2U (%0.16 0.36 0.35 0.65 0.65 0.52 0U (%0.580.83 0.91 0.79 0.79 1.20表5 e型塔線路典型相序布置電氣特性比較1462 1563 1426 1451 1541

22、1415相序布置ABCA BCBC CAABACCB BABA CBACABAC BCCB CABAABCA BCAB CABCACBA BACB CBACABAC BCBA CACBE max (kV/m 8.89 8.04 8.95 8.87 8.04 9.13 B max (T 48.80 42.31 45.08 39.86 42.31 48.71 RI (dB 51.44 54.30 54.00 54.15 54.30 52.05 AN (dB50.31 50.28 50.85 50.92 50.28 50.83 7 結(jié)論 P (MW U2 (% 4320 0.44 0.28 4274

23、 0.51 0.41 4383 0.51 0.38 4390 0.54 0.48 4336 0.54 0.48 4351 0.73 0.32 U0 (% 34(1:172175. 7 8 9 特高壓電網(wǎng)M. 北京: 中國經(jīng)濟(jì)出版社, 2005, 9. 王小鳳. CDEGS 軟件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用D. 杭州：浙江大學(xué)，2007 CDEGS APPLICATION PROGRAMS SES Users Manual 10 CDEGS Getting Started & Input/Output ProcessingSES Users Manual 11 Q/GDW 179-20081107

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