B-24.500kV同塔四回输电线路最优相序布置研究

1、500kV 同塔四回输电线路最优相序布置研究张晓1，周浩1，赵斌财1，戴攀1，陈稼苗2，钟晓波3，王坚敏4(1浙江大学 电气工程学院，浙江省 杭州市 310027；2.浙江省电力设计院，浙江省 杭州市310027；3.宁波电力设计院，浙江省 宁波市315000；4.嘉兴电力局，浙江省 嘉兴市314000） 摘 要：同塔四回线路的相序布置方式理论上有46种，为从众多相序中选择一种最优相序布置，以500kV同塔四回线路为例，采用穷举法对比分析了所有相序布置方式下的电磁环境、自然功率及线路不平衡度等电气特性。结果表明：相序布置对线路的电磁环境、线路走廊、传输功率、以及不平衡度等电气特性具有一定的影响

2、；线路的工频磁场、无线电干扰和可闻噪声均不是决定线路最优相序布置的关键因素。综合考虑线路电磁环境、自然功率和线路不平衡度等因素，利用排序法得出了线路的最优相序布置，500kV同塔四回线路d、e型塔的最优相序布置分别为1616、1462；最后推荐了同塔四回线路的六种典型排列方式。其计算方法与结果可供实际工程参考。关键词：同塔四回线路； 电磁环境； 自然功率； 不平衡度； 最优相序布置1 引言随着国民经济的发展、城市建设规模的扩大，输电线路走廊资源日趋紧张，使用走廊用地、拆迁等费用在线路建设投资中所占比例越来越大，同塔多回输电线路的应用日益广泛1,2。目前，我国已在北京、广东、江苏、浙江等地建成数

3、十条不同电压等级的高压、超高压同塔四回线路。 同塔四回线路各回导线间相互影响较大，导线排列方式对线路的电磁环境、线路走廊、传输功率、以及不平衡度等电气特性具有一定的影响3,4。因此，合理选择同塔多回线路导线最优相序布置对改善线路电磁环境，提高线路输送功率，优化线路设计等方面具有重要意义。但同塔四回线路的相序布置方式有很多，理论上有46种，基于同塔四回线路导线布置方式的多样性，使得实际工程中如何从众多相序中选择一种最优相序布置成为困难。针对同塔四回线路相序布置的选择问题，国内相关人员已经做了一定研究。文5、6从工频电场和工频磁场的角度对比分析了同塔四回线路相序布置的影响，并得出了最优相序布置。然

4、而，综合考虑同塔四回线路相序布置的多样性及电磁环境、自然功率及线路不平衡度等电气特性影响，研究同塔四回线路最优相序布置在我国尚属空白。现以500kV 同塔四回线路为例，采用穷举法对比分析了两种典型塔型对应的所有相序布置方式下的电磁环境、自然功率及线路不平衡度等电气特性；综合各种电气特性的影响利用排序法得出了线路的最优相序布置；最后推荐了同塔四回线路的六种典型排列方式，并计算了其相关电气特性。计算方法与结果可供实际工程参考。2 线路参数及模型2.1 线路参数500kV 同塔四回线路有两种典型塔型：导线垂直排列的竖塔（d 型塔）和导线水平排列的横塔（e 型塔）如图1所示。（a ） d 型塔 （b

5、）e 型塔 图1 500kV同塔四回线路塔型图其中，d 型塔全高为92.1m ，呼称高为33m ；e 型塔全高为60.5m ，呼称高为33m 。其他系统参数为：导线采用LGJ-400/35型钢芯铝绞线，地线采用JLB40A-150型铝包钢绞线。仿真时500kV 线路底相导线对地最小高度均取11.0m （规程要求最小值），线路长度取50km （从严）。 2.2 编码处理单回输电线路，其相序布置有ABC ，ACB ，BAC ，BCA ，CAB ，CBA 共计 6种方式，可用16分别表示该线路6种排列方式之一；同理对于四回线路，可用4位6进制编码来表示其相序布置，故从11116666可遍历同塔四回线

6、路1294种相序。3 相序布置对电磁环境的影响3.1 相序布置影响分析导线间存在的电容效应，使得每一根导线上的电压均会对另一相导线上的电荷和表面电场强度产生影响。因此，同塔四回线路每一种相序布置方式下的工频电场、工频磁场、无线电干扰、可闻噪声均不相同。由于多回线路同塔并架，与单回线路相比导线回路数增多，必然导致导线表面电场强度升高，使得同塔四回线路的电磁环境问题将更为突出。输电线路的电磁环境决定了导线截面的选择、导线对地净空距离的确定及线路走廊宽度的划定，直接影响了线路建设成本7。因此，有必要研究相序对电磁环境的影响，挑选最优布置方式。采用加拿大安全工程公司（SES ）推出的CDEGS 软件包

7、中SES-Enviro 8-10对500kV 同塔四回线路的电磁环境的影响进行了仿真。相关标准推荐500kV 输电线路居民区工频电场不应超过4kV/m，工频磁场不应超过0.1mT ，边相导线投影外20m 处的无线电干扰值不应超过55dB ，可闻噪声不应超过55dB 11-13。 3.2 计算结果采用穷举法对500kV 同塔四回线路（d 型塔、e 型塔）1294种相序布置仿真计算，分别找出了工频电场、工频磁场、无线电干扰和可闻噪声的最优和最差相序布置，计算结果如表1所示。表1 相序布置对线路电磁环境的影响d 型塔 e 型塔最优最差 最优 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 为线路下方工频电场的最大值，kV/m；W 为线路走廊宽度，m ；B max 为线路下方工频磁感应强度的最大值，T ； RI 为边相导线外20m 处的无线电干扰值，dB ； A

9、N 为边相导线外20m 处的可闻噪声值，dB由表1可知，同塔四回线路的相序布置对线路电磁环境有影响，选择合适的相序布置可有效的改善线路下方的电磁环境；基于电场、磁场、无线电、噪声的产生机理各不相同，电磁环境四个因素对应的最优最差相序排列方式均不同。且e 型塔线路相序布置对电磁环境的影响比d 型塔线路明显。500kV 同塔四回线路d 型塔1294种相序布置中，工频磁感应强度的最大值为44.28T ，离工频磁场的限值0.1mT 还有一定的裕度；边相导线外20m 处的无线电干扰最大值为52.56dB ，满足55dB 的限值标准；边相导线外20m 处的可闻噪声最大值为49.00dB 满足55dB 的限

10、值标准。e 型塔线路1294种相序布置中，工频磁感应强度的最大值为65.92T ，边相导线外20m 处的无线电干扰和可闻噪声值为54.03dB 和52.59dB ，均满足相关限值标准。因此，磁场、无线电干扰和可闻噪声均不是决定线路最优相序布置的关键因素。线路的工频电场决定了导线对地净空距离的确定及线路走廊宽度的划定，是决定同塔四回线路最优相序布置的关键因素之一。综合电磁环境最优，500kV 同塔四回线路d 型塔最优相序布置为1342，e 型塔的最优相序布置为1653，如图2所示。 （a ） d 型塔（1342） （b ） e 型塔（1653）图2 线路电磁环境最优相序布置4 相序布置对自然功率

11、的影响4.1 相序布置影响分析高压线路存在着对地的电容，线路充电后，电容可以发出一定的无功，线路导线存在电感，线路通过电流会消耗一定的无功。当线路输送有功功率达到某个值的时候，此时线路消耗和产生的无功正好平衡，此时输送的功率就称为自然功率14,15。普遍认为，线路的自然功率越高，相应的线路传输能量越高。同塔多回线路各种相序布置形式下（以非居民区为例）的每一回路的自然功率逐一按式（1）计算，整个多回路的自然功率按式（2）计算。其中P i 为第i 回路的自然功率，U i 为第i 回路的电压，I i 为第i 回路的电流。i i i P U I = (1=iP P (2自然功率与线路的波阻抗成反比，同

12、塔四回线路不同相序布置对应的线路的波阻抗不同，对应的线路输送的自然功率不同。 4.2 计算结果采用穷举法选出了500kV 同塔四回线路d 型塔、e 型塔自然功率的最优和最差相序布置，计算结果如表2所示。表2 相序布置对自然功率的影响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，相序布置对线路的自然功率有一定影响，选择合适的相序布置可有效的提高线路的输送功率。d 型塔线路自然功率的最优（1616）与最差（1166）排列方式相比自然功率增加了524MW （14.0%），e 型塔线路增加

13、了1063MW （31.9% ） ，因此，选择合适的相序排列可在不增加线路投资的基础上提高线路的输送功率。综合自然功率最优500kV 同塔四回线路d 型塔的最优相序布置为1616，e 型塔的最优相序布置为1451，如图3所示。（a ） d 型塔（1616） （b ） e 型塔（1451）图3 线路自然功率最优相序布置5 相序布置对线路不平衡度的影响5.1 相序布置影响分析输电线路不平衡度是衡量线路性能和电能质量优劣的一个重要指标，合理控制这一指标对于输电线路和整个电力系统具有重要意义16。在输电线路中，由于各相架空导线自身参数不平衡，导致线路正常运行时每相导线的阻抗和导纳参数不相等，进而引起系

14、统中产生不对称电流和电压，当系统电压、电流不平衡度超过允许水平时，就可能电力系统设备带来诸多不利影响。一般采用导线换位来减小输电线路不对称程度17-19。同塔四回线路由于多回线路同杆并架，难以完全换位，故选择不平衡度最优相序布置方式，对输电线路的设计、运行分析及继电保护装置的配置、整定等具有重要意义。输电线路参数不对称将在运行中引起系统电气量的不平衡，系统电流、电压的不平衡度分别用负序和零序不平衡度来度量：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 分别为电压的负序和零序不平衡度；2I 、0I 分别为电流的负序和零序不平衡度；U 2、I 2为负序电压和电流；U 1、I 1为正序电压和电流；U 0、I 0为零序电压和电流。在三相系统中，知道三相电压和电流的幅值和相位后，应用对称分量发分别求出正序分量、负序分量和零序分量，由式（3）（7）即可求出线路的不平衡度。相关规程20规定：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%。短时间不对称运行，主要指系统发生不对称故障引起的运行状态，本文暂取2作为输电线路不平衡度限值，所计算线路不平衡度，均为电压不平衡度。 5.2 计算结果采用穷举法选出了500kV 同

16、塔四回线路d 型塔、e 型塔负序不平衡度和零序不平衡度的最优和最差相序布置，计算结果如表3所示。表3 相序布置对线路不平衡度的影响d 型塔e 型塔排列方式2U0U排列方式2U0U最优1616 0.16 0.58 1642 0.35 0.72 2U 最差 1166 1.18 1.28 1121 2.31 0.89 最优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，同塔多线路不平衡度不仅与导线空间布置有关，还跟相序排列方式有关，选择合适的相序布置可有效的减小线路的不平衡度。 d 型塔线路负序、零序不平衡度的

17、最优排列方式相同均为1616。e 型塔线路负序不平衡度的最优相序布置为1624，零序不平衡度的最优相序为1354；1354相序布置下的零序不平衡度虽然最优，但负序不平衡度较大，1624相序布置的负序不平衡度最优，零序不平衡度也相对较小，因此，e 型塔线路不平衡度的最优相序为1624。综合线路不平衡度最优500kV 同塔四回线路d 型塔的最优相序布置为1616，e 型塔的最优相序布置为1642，如图4所示。6 最优相序选择线路的工频电场决定了导线对地净空距离的确定及线路走廊宽度的划定，自然功率体现了的线路传输能力，不平衡度衡量了线路性能和电能质量优劣。同塔四回线路最优相序的选择要综合考虑这三个方

18、面的因素，选取一个相对经济、电磁污染小、输送功率大及线路不平衡度小的方式。（a ） d 型塔（1616） （b ） e 型塔（1642）图4 线路不平衡度最优相序布置首先利用穷举法，计算同塔四回线路1296种相序布置的工频电场、自然功率及线路不平衡度（负序、零序）；再利用排序法把计算结果从优到劣依次排序，即每种相序布置均对应四个名次；把每种相序分别对应的各个名次乘以不同的权重系数加和再次排 序，可得线路的最优相序布置，如式（7）所示。其中Ei S 、Pi S 、i S 2、0i S 分别为第i 种相序工频电场、自然功率、负序、零序不平衡度的排序；1、2、3、4分别为其相应的权重系数。01234

19、i Ei Pi i i S S S S S 2=+（7）12341+= （8）实际工程中，可根据具体情况选取不同的权重系数，得到不同的最优相序布置，本文暂考虑各电气特性的权重相等，即1=2=34+=1/3，可得500kV 同塔四回线路d 、e 型塔最优相序布置分别为1616、1462，如图5所示。（a ） d 型塔（1616） （b ） e 型塔（1462） 图5 500kV同塔四回线路最优相序布置为使计算结果更有指导意义推荐了同塔四回线路相序排列方式的前六种作为典型排列方式，实际工程中可根据具体需要进行选择，d 型塔的典型相序布置为1616、1642、1635、1416、1535、1516，

20、e 型塔的典型相序为1462、1563、1426、1451、1541、1415。表4、表5给出了500kV 同塔四回线路六种典型相序下的电磁环境、自然功率及线路不平衡度计算结果。表4 d型塔线路典型相序布置电气特性比较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型塔线路典型相序布置电气特性比较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 结论 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 特高压电网M. 北京: 中国经济出版社, 2005, 9. 王小凤. CDEGS 软件在电力系统中的应用D. 杭州：浙江大学，2007 CDEGS APPLICATION PROGRAMS SES Users Manual 10 CDEGS Getting Started & Input/Output ProcessingSES Users Manual 11 Q/GDW 179-20081107

24、50kV 架空输电线路 设计技术规定S, 2008. 12 DL/T 5092-1999 110500 kV 架空送电线路 设计技术规程S,1999 13 HJ/T 241998 500kV 超高压送变电工程电磁 辐射环境影响评价技术规范S, 1998. 14 孙寿产. 增加架空线路输电能力高自然 功率技术J. 电力勘测设计, 2003, 1:6671. 15 赵全江, 李翔, 江卫华, 等. 500kV 紧凑型输电 线路设计探讨J. 电力勘测设计, 2007, 5:6164, 77. 16 贾秀芳，赵霞电力市场环境下电压质量的综 合评价指标J 电网技术， 2007， 31(11： 5962

25、17 张要强, 张天光, 王予平, 等. 1 000 kV 同塔双 回输电线路电气不平衡度及换位问题研究 J. 电网技术, 2009, 33(1:15. 18 韦 刚, 张子阳, 房正良, 等. 多回输电线路并 架 的 不 平 衡 性 分 析 J. 高 电 压 技 术 , 2004, 30(10:912. 19 胡丹晖, 蔡汉生, 涂彩琪, 等. 500 kV 同杆并 架 双 回 线 路 电 气 特 性 研 究 J. 高 电 压 技 术 , 2005, 31(4:2123. 20 GB/T 15543-2008电能质量三相电压不平 衡S, 2008. 作者简介： 张晓（1984） ，女，河北邢台人，硕士研究生，从事高压特 高压电磁环境的研究。 周浩（19