新型四相架空输电线路研究

摘要　多相输电方式能够提高输电线路的输送容量，节省架线走廊，已受到国外电力研究者的重视。本文提出了四相输电这种新型的输电方式，讨论了它与传统的三相及多相输电方式比较所具有的优越性，希望能引起有关方面的关注。
　　关键词：多相输电　四相输电　架空线路　自然功率　杆塔结构

Study on New Four-Phase Overhead Transmission Lines

　　Liu Guangye(Hunan University　410082　China)
　　Yang Yihan(North China Electric Power University　100085　China)

　　Abstract　Multi-phase transmission system can increase the transmission capacity, reduce the occupied line land and space, it has been recognized by worldwide power engineering researchers andengineers. In this paper, the new four phase transmission system has been proposed, and it'sadvantages, compared with traditional three phase and multi-phase, are also analysed, for the first time.
　　Keywords：Mulit-phase transmission　Four-phase transmission　Overhead line
Natural power　Pole structure
　　
　　
1　引言
　　相对于传统的三相输电方式而言，多于三相的输电方式可以称之为多相输电。多相输电的研究与工业试运行，在美国及其它一些国家进行了二十多年，并取得了很有吸引力的结果［1］。多相输电线路与三相输电线路相比具有许多潜在的优势，它具有较低的相间电压，轻巧的杆塔结构，较窄的架线走廊，大的输送能力，易于与三相现有系统协调、兼容运行，对高压断路器触头断流容量的要求较低等［1］。另外，多相系统具有对角相，各相奇次谐波电流之和为零，还可以抑制谐波电流对通信的干扰。
　　现有的多相输电方式的研究，限于相数为3的倍数相，如6、12、24相等，因为实现三相与3的倍数相之间的多相变换很容易通过改变三相变压器的接线方式得到。但是，为了避免多相输电线路复杂的换位，必须将多相线路的各相导线排列成正多边形，这使得六相及以上多相导线的悬挂困难，杆塔结构复杂，线路造价上升；随着线路相数的增加，多相输电线路的故障组合类型迅速增加，这使故障的分析计算、继电保护的设计及整定增加了难度；多相输电系统中的断路器结构比较复杂，相间过电压倍数较高。由于上述缺点，六相及以上多相输电方式没有得到推广应用。
　　事实上，四相输电系统是最接近于三相的多相系统，它既具有以上多相输电方式的优点，又克服了多相输电所存在的缺点。
　　近几年，我们在研究电气化铁路牵引平衡变压器的基础上，提出了一种三相变四相的新型电力变压器［2］。据此，本文首次提出四相输电这种新颖的输电方式，并对这种输电方式的线路参数、传输功率、杆塔结构及不对称故障情况下对系统稳定性的影响进行了分析研究，希望能引起电力行业各设计、运行、科研及管理部门的关注。

2　四相输电系统的特性分析
2.1　四相线路的电晕临界电压及参数分析
　　多相线路的相邻相间电压Up-p与相对地电压Up-g之间的比值为
　　

Up-p／Up-g=2sin(π／N)

式中　N——相数
当N=3时，比值为；当N=4时，比值为。常规输电线路相间距离主要取决于空气的耐电强度，由于相间电压减小，对相间绝缘的要求降低，从而使得相间距离减小，线路变得紧凑。
　　考虑架空输电线路四相导线均匀分布在以半径为r的圆上，如图1所示。下面仅用空间电磁场分布的物理概念，分析输电线路参数计算时对应的相间几何均距，以便很方便直观地推广到四相导线任意排列并换位的四相输电线路的参数的计算之中。

图1　四相导线均匀分布在半径为r的圆上
　　Fig.1　Four-phase conductors arranged around
the circle with radius r uniformly

设四相导线所带的电荷分别为qa、qb、qc、qd，考虑在四相对称的条件下有qa=-qc、qb=-qd。在图1中，线段相互垂直并平分，则电荷qa、qc在b、d点产生的电位为零，即b、d点电场强度仅由qb、qd决定。同理，a、c点的电场强度仅由qa、qc决定。所以计算输电线路每相电容与电晕临界电压的相间几何均距为Dm=Dac=Dbd=2r［4］。
　　同样设四相线路电流分别为ia、ib、ic、id，考虑在四相对称的条件下有ia=-ic、ib=-id，线路a相与c相构成一个回路，线路b相与d相构成另一个回路，并且两个回路在中心线正交，则二者没有互感耦合。所以，计算a相与c相线路电感的相间几何均距为Dac，计算b相与d相线路电感的相间几何均距为Dbd，即Dm=Dac=Dbd=2r［4］。
　　以上分析表明，各相导线均匀分布在圆上的四相输电线路的相间几何均距为圆半径的2倍。众所周知，各相导线均匀分布在圆上的三相输电线路的相间几何均距为圆半径的3倍。如果维持四相输电线路与三相输电线路的相间几何均距不变，即二者的每相参数与电晕临界电压不变，则四相输电线路所占据的空间半径反而减小到三相的/2倍。从本质上看，四相输电线路的空间电磁场分布更加均匀，这样，便可以大大提高四相输电线路输送功率的密度。
2.2　四相输电线路的传输功率
　　输电线路的自然功率表达式为［4］
　　

Sn=Pn=NU2N／ZC

式中　UN——输电线路的相对地额定电压
　　　ZC——线路的波阻抗
　　　N——相数
当相数由3相增加到4相时，在波阻抗不变的条件下，自然功率增大到原来的1.333倍。
　　例如，一回三相330／190kV线路与一回四相269／190kV线路，导线均匀布置在半径分别为的圆上，使用2×LGJ-300／50分裂导线，分裂间距0.4m，如图2所示。

图2　三相与四相架空线路分布在半径分别为5.5m与4.76m的圆上
(a)三相2分裂　　　　　(b)四相2分裂
Fig.2　Three-phase and four-phase overhead conductors uniformly arranged around the circles
with radious of 5.5m and 4.76m respectively

　　计算得到线路的波阻ZC、每公里的电抗X1、电晕临界电压Ucr及自然功率Pn，列入表1。
　　

表1　三相线路与四相线路参数比较

相数电压
／(kV／kV)ZC／ΩX1／Ω.kmUcr／kVPn／MWr／m 3
4330／190
269／190299
2990.3165
0.3165217
217364
4865.5
4.76 　　由表1可知，四相线路的自然功率为三相的43倍，而四相线路所占居的空间半径为三相的/2倍。所以，四相线路占居单位空间半径所输送的容量是三相的8/3=1.54倍，大大地提高了输送功率的密度。如果考虑三相架空线路走廊宽度对应圆内接正三角形的高，四相架空线路走廊宽度对应圆内接正四边形的边长，则四相线路输送单位容量的占地面积为三相的倍，即节约了38.8％的占地补偿投资，同时杆塔高度(导体部分)也随之降低，杆塔变得更加轻巧，其经济效益是非常显著的。
2.3　四相线路杆塔结构的特点

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