蔣東榮，李海龍，蔣　偉，王　瑞

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶　400054)

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電纜網(wǎng)絡(luò)電容電流控制策略研究

蔣東榮，李海龍，蔣偉，王瑞

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶400054)

城網(wǎng)中的電纜化會造成系統(tǒng)對地電容電流過高，影響系統(tǒng)的無功平衡和產(chǎn)生弧光接地過電壓。針對該問題，建立了基于并聯(lián)電抗器與中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的綜合電容電流補(bǔ)償方案。所建方案可實(shí)現(xiàn)在城網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)由系統(tǒng)功率分布情況實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)過剩容性無功，滿足系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可根據(jù)故障接地點(diǎn)電流補(bǔ)償系統(tǒng)對地電容電流限制弧光接地過電壓。利用Matlab/Simulink對該方案的技術(shù)可靠性進(jìn)行仿真，利用全壽命周期理論對該方案經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：該方案正確、有效、可行，可為未來相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。

城網(wǎng)改造；電纜化；電容電流；弧光接地；全壽命周期

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各種經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、新城林立，用電負(fù)荷主要表現(xiàn)為增長迅速、區(qū)域集中等特點(diǎn)。同時(shí)，原有的以架空線路為主的配電網(wǎng)不僅配電能力低、安全可靠性差、用戶停電時(shí)間長，并且城市道路兩旁密密麻麻的架空線路很影響城市外觀，更存在巨大安全隱患。因此，目前許多城市對電網(wǎng)進(jìn)行了大規(guī)模升級改造，城市電網(wǎng)中高壓電纜越來越多[1]。

單位長度電纜對地電容是架空線路的幾十倍，產(chǎn)生的充電功率比架空線路高一個(gè)數(shù)量級[2]。隨著城網(wǎng)改造的深入，電網(wǎng)電纜化所產(chǎn)生的電容電流將會對系統(tǒng)的運(yùn)行造成嚴(yán)重影響[3]。尤其夜間負(fù)荷低谷時(shí)，系統(tǒng)電容電流引起的容性無功過剩，使線路末端電壓越限，給用戶用電安全帶來很大挑戰(zhàn)[4]。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)電弧不易自熄，引起弧光接地過電壓，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行[5]。因此，在城網(wǎng)電纜化改造過程中，必須考慮電容電流過大問題。鑒于此，本文在兼顧技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性因素的基礎(chǔ)上，建立了適合城網(wǎng)的電容電流新型補(bǔ)償方案，以確保電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1　電容電流綜合補(bǔ)償控制方案

根據(jù)“DL/T6—1997”《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定[6]：對于10kV配電網(wǎng)，當(dāng)電容電流大于10A時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)考慮采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地；當(dāng)電容電流大于150A時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)考慮采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的方式。然而不管是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地還是經(jīng)小電阻接地，并不能達(dá)到很好的熄弧效果[7-8]。在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況時(shí)，以上方法均不能減小電纜線路對地充電功率。而三相并聯(lián)電抗器在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，能補(bǔ)償系統(tǒng)電容電流，并且當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)能限制接地點(diǎn)電流，以減小弧光接地過電壓。但是實(shí)際的城網(wǎng)十分復(fù)雜，在電纜出線長度很長的情況下，經(jīng)并聯(lián)電抗器補(bǔ)償后接地點(diǎn)電流仍然很高，弧光接地過電壓時(shí)有發(fā)生。

可見，簡單使用某種單一方法已很難有效解決城網(wǎng)電容電流過大的問題，應(yīng)結(jié)合多種方法才更有效果。為此，本文建立了一種三相并聯(lián)電抗器與中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地相結(jié)合的動態(tài)電容電流補(bǔ)償方案，其整體框圖如圖1所示。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)中無功分布，由并聯(lián)電抗器對系統(tǒng)電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到系統(tǒng)的無功平衡。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，根據(jù)故障接地點(diǎn)的電流大小，通過并聯(lián)電抗器補(bǔ)償接地點(diǎn)電容電流，可以有效降低弧光接地過電壓的產(chǎn)生。同時(shí)，實(shí)際城網(wǎng)十分復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)存在較大的高頻電流量電抗器難以補(bǔ)償，對弧光接地過電壓的產(chǎn)生仍有威脅，難以補(bǔ)償?shù)母哳l電流可以經(jīng)中性點(diǎn)小電阻接地釋放出去。因此，該方案可以在不同復(fù)雜程度的電網(wǎng)中限制弧光接地過電壓的同時(shí)能滿足系統(tǒng)無功平衡的要求。

圖1　電容電流補(bǔ)償方案整體框圖

并聯(lián)電抗器作為電力系統(tǒng)最早的無功補(bǔ)償設(shè)備，其操作簡單、容易控制，目前仍是電網(wǎng)中補(bǔ)償容性無功的重要設(shè)備[9-10]。電抗器可以使用磁閥式可控電抗器，通過直流磁化鐵芯，采用定量快速勵磁控制方法改變鐵芯的磁導(dǎo)率，使電抗器響應(yīng)時(shí)間在10ms之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)電抗器對系統(tǒng)電容電流補(bǔ)償?shù)目爝f連續(xù)可調(diào)[11]。

由圖2并聯(lián)電抗器的控制流程可以看出該控制策略有2種控制模式：無功補(bǔ)償模式和電容電流補(bǔ)償模式。

圖2　并聯(lián)電抗器控制流程

無功補(bǔ)償模式工作原理：在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，控制器控制并聯(lián)電抗器，以系統(tǒng)無功功率最小為控制目標(biāo)，通過TA、TV信號得到系統(tǒng)電壓U和電流I，可計(jì)算出系統(tǒng)的無功功率Q、功率因數(shù)cosθ′。假設(shè)補(bǔ)償后的功率因數(shù)為cosθ，那么需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率為

(1)

電容電流補(bǔ)償模式工作原理：系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障接地點(diǎn)電流Id為所有非故障相對地電容電流之和?？刂破骺刂普{(diào)節(jié)并聯(lián)電抗器，產(chǎn)生與系統(tǒng)對地電容電流方向相反、大小相等的電流。此時(shí)電抗器應(yīng)滿足

(2)

式中：L為電抗器電感值；C∑為系統(tǒng)對地電容。

實(shí)際工程中一般采用0.75的補(bǔ)償度就可以滿足接地點(diǎn)電流能夠可靠熄弧要求，同時(shí)可以減小流經(jīng)中性點(diǎn)接地電阻的電流，增加系統(tǒng)的安全可靠性。

2　方案的技術(shù)可靠性驗(yàn)證

為分析驗(yàn)證并聯(lián)電抗器對電網(wǎng)中電容電流的補(bǔ)償效果，本研究在Matlab中搭建了一個(gè)全電纜出線的110 kV變電站仿真模型。為便于研究，本仿真模型電源選用無窮大電源，變電站出線線路為5條，線路總長度為60 km。為更準(zhǔn)確反映電纜線路電容效應(yīng)，仿真模型采用精確度較高的分布參數(shù)模型，根據(jù)文獻(xiàn)[12]的計(jì)算方法得出電纜線路的分布參數(shù),如表1所示。

表1　電纜線路的分布參數(shù)

由電纜線路的分布參數(shù)可計(jì)算出三相電壓對稱運(yùn)行狀態(tài)下電纜對地電容電流IC=53.5 A，對地充電無功QL=308.98 kW。由文獻(xiàn)[13]確定并聯(lián)電抗器并聯(lián)在線路末端，補(bǔ)償度為0.75，即QL=231.7 kW。為突出并聯(lián)電抗器電容電流補(bǔ)償效果，對系統(tǒng)單相接地故障和正常運(yùn)行兩種工況進(jìn)行仿真。

2.1系統(tǒng)單相接地故障仿真

驗(yàn)證該方案在故障運(yùn)行狀態(tài)下的效果時(shí)，設(shè)定仿真模型故障發(fā)生點(diǎn)在線路5出線處，故障發(fā)生時(shí)間在0.02 s。分別對系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)無并聯(lián)電抗器和有并聯(lián)電抗器兩種情況進(jìn)行仿真。圖3為無并聯(lián)電抗器情況下的接地點(diǎn)電流情況，從圖中可以看出:系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)流過故障點(diǎn)的電流為ICd=56.57 A。如果不對系統(tǒng)進(jìn)行容性電流補(bǔ)償，接地點(diǎn)將會燃不穩(wěn)定電弧，引起弧光接地過電壓，破壞用電設(shè)備的絕緣性，可能存在故障范圍擴(kuò)大化風(fēng)險(xiǎn)。

電抗器作為補(bǔ)償電容電流常用設(shè)備，其補(bǔ)償效果明顯，能很好地減小系統(tǒng)電容電流。圖4為并聯(lián)電抗器后故障接地點(diǎn)的電流，可以看出：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)電流在瞬間沖擊后2個(gè)工頻周期內(nèi)將接地電流的有效值控制在10 A 以下，能較好地限制弧光接地過電壓的發(fā)生。

圖3　無并聯(lián)電阻抗單相接地故障接地點(diǎn)電流

圖4　并聯(lián)電抗器后故障接地點(diǎn)電流

2.2正常運(yùn)行狀態(tài)仿真

城網(wǎng)夜間低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中電容電流產(chǎn)生的容性無功是一天中最嚴(yán)重的。由電纜對地電容引起的容性無功會倒送入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)降低，影響電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，過剩容性無功會引起系統(tǒng)電壓升高，尤其是短路容量較小的電網(wǎng)系統(tǒng)，電壓影響更加明顯[14]。圖5、6為110 kV變電站在空載情況下的有功、無功分布和并聯(lián)電抗器后的有功、無功分布。

從圖5可以看到：系統(tǒng)存在過剩的容性無功功率(負(fù)值)，倒送入電網(wǎng)，對系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)產(chǎn)生很大影響，滿足不了系統(tǒng)對功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖6可以看出：并聯(lián)電抗器對系統(tǒng)電容電流進(jìn)行補(bǔ)償后，系統(tǒng)有功無功分布得到明顯改善，由電容電流引起的容性無功接近0，功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，有功損耗明顯降低?？梢姡ㄟ^并聯(lián)電抗器來治理系統(tǒng)電容電流過大引起的無功平衡問題有效可行。

圖5　空載情況下有功無功分布情況

圖6　并聯(lián)電抗器后的有功無功分布

3　方案的經(jīng)濟(jì)性論證

工程應(yīng)用中，除了要保證方案的可靠性外，還要兼顧其經(jīng)濟(jì)性、可行性。傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算只考慮了設(shè)備的初期投入，往往忽略設(shè)備在運(yùn)行過程中的投入以及設(shè)備退運(yùn)后的殘值，不符合電力系統(tǒng)可持續(xù)健康發(fā)展的要求。全壽命周期理論是指設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的壽命周期內(nèi)其論證、研制、生產(chǎn)、使用、保障以及退役處置所消耗的所有費(fèi)用之和[15]。利用全壽命周期理論的方法可以提高設(shè)備整個(gè)壽命周期利潤，保證系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)全壽命周期理論分析(LCC)，電力設(shè)備的全壽命周期成本包括一次投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本以及設(shè)備報(bào)廢成本，即

LCC=LCC一次投資+LCC運(yùn)行+LCC報(bào)廢

(3)

一次投資成本包括設(shè)備購置費(fèi)用、安裝調(diào)試費(fèi)用、占地費(fèi)用等。運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用包括設(shè)備的功率損耗、人工維護(hù)費(fèi)等。報(bào)廢費(fèi)用就是在設(shè)備報(bào)廢后處理設(shè)備的費(fèi)用和設(shè)備殘值。

以重慶某110 kV變電站為例，經(jīng)計(jì)算，該站需要兩組并聯(lián)電抗器，每組容量10 MW，每組220萬元，設(shè)備購置費(fèi)用為440萬元。兩組設(shè)備共占地27 m2。以重慶平均房價(jià)7 000元/m2計(jì)算，占地費(fèi)用為18.9萬元。

LCC一次投資=440+18.9=458.9萬元

電力設(shè)備人工運(yùn)行維護(hù)費(fèi)每年為200元，運(yùn)行時(shí)長為30年，年利率為7%，計(jì)算人工維護(hù)費(fèi)現(xiàn)值為

0.02×12.409 0=0.25萬元

該電容電流補(bǔ)償控制方案主要針對夜間低負(fù)荷情況補(bǔ)償，在白天高負(fù)荷時(shí)，基本不需要進(jìn)行補(bǔ)償。因此，計(jì)算時(shí)每天工作時(shí)間按12 h計(jì)算，年平均工作容量為80%的無功補(bǔ)償設(shè)備的功率消耗為其自身容量的0.5%～0.8%，在此取0.8%，按照當(dāng)前電費(fèi)0.5元/(kW·h)的價(jià)格計(jì)算，并聯(lián)電抗器的功率消耗為

M1=20 000×0.7×12×30×12×

0.008×0.5=24.2萬元

其運(yùn)行損耗現(xiàn)值為

24.2×12.409 0=300.30萬元

電力設(shè)備的報(bào)廢殘值取其一次投資的2%計(jì)算，所以并聯(lián)電抗器的設(shè)備殘值為

LCC報(bào)廢=440×0.02=8.8(萬元)

由此可得并聯(lián)電抗器的全壽命周期值為

LCC=458.9+300.3-8.8=750.1(萬元)

在《企業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法》中規(guī)定，系統(tǒng)中每投入1 kW容量的無功功率，電網(wǎng)就可以節(jié)約有功功率0.05～0.07 kW。單位無功補(bǔ)償節(jié)約有功功率去最小值0.05 kW，則投入2組電抗器后每年節(jié)約的電費(fèi)為

M2=20 000×0.8×12×30×

12×0.05=172.8萬元

按照30年的運(yùn)行時(shí)長計(jì)算，其30年節(jié)約功率現(xiàn)值為

P=172.8×(P/A，7%，30)=

172.8×12.409 0=2 144.26萬元

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，投入并聯(lián)電抗器所帶來的經(jīng)濟(jì)效益要比其自身投入費(fèi)用多1 400萬元左右，經(jīng)濟(jì)效益明顯。因此,采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地與并聯(lián)電抗器綜合補(bǔ)償電容電流的控制策略在經(jīng)濟(jì)上可行。

4　結(jié)束語

本文針對以往電容電流補(bǔ)償方案無法有效兼顧無功平衡和限制弧光接地過電壓的問題，建立了并聯(lián)電抗器與中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的綜合電容電流補(bǔ)償方案。該方案結(jié)構(gòu)簡單、投入費(fèi)用少、補(bǔ)償效果好，不僅可以滿足系統(tǒng)的無功平衡，還可以有效限制弧光過電壓的產(chǎn)生，而且能提高故障選線的準(zhǔn)確性。利用全壽命周期理論進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)性評估方法驗(yàn)證，表明本方案具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。仿真實(shí)驗(yàn)是在無窮大電源、系統(tǒng)空載的條件下進(jìn)行的，但對于日負(fù)荷波動大，電能質(zhì)量要求更高的情況，如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性的問題還有待深入研究。

[1]薛立軍．城市電網(wǎng)建設(shè)改造思路[J]．安徽電力職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,6(3):59-60.

[2]劉艷，王長宏．中低壓電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式分析與探討[J]．山西電力，2008,1(5):10-15.

[3]陳維賢．電網(wǎng)過電壓教程[M]．北京：中國電力出版社，1995.

[4]ALPER TERCIYANLI,ADNAN A?LK，ALPER ?ETIN，et al．Power Quality Solutions for Light Rail Public Transportation Systems Fed by Medium-Voltage Underground Cables[J]．IEEE Transactions on industry applications,2012,48(3):1017-1029.[5]WU Huaren，LI Xiaohui，STADE D，et al．Arc fault model for low-voltage AC systems[J].IEEE Trans.On Power Delivery,2005,20(2):1204-1205.

[6]中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DL/T620—1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京：中華人民共和國電力工業(yè)部，1997.

[7]廣東電網(wǎng)公司電力試驗(yàn)研究所，廣州智光電氣有限公司．配電網(wǎng)中性點(diǎn)“快速消弧線圈”加“快速選線跳閘”接地運(yùn)行方式的技術(shù)與應(yīng)用[R]．廣州：[出版者不詳]，2005.

[8]要煥年，曹梅月．電纜網(wǎng)絡(luò)的中性點(diǎn)接地方式問題[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2003,27(2)84-89.

[9]劉鋼，雷成華．提高單芯電纜短時(shí)負(fù)荷載流量的試驗(yàn)分析[J]．高電壓技術(shù)，2011,37(5):1285-1295.

[10]孫元新．鐵路10kV供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償分析[J]．上海鐵道科技，2010(3):98-100.

[11]趙士碩，尹忠東，劉海鵬．快速響應(yīng)磁控電抗器的新結(jié)構(gòu)與控制方法[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)2013,33(5)：149-155.

[12]駱敏，祝達(dá)康．電纜運(yùn)行對電力系統(tǒng)電壓的影響及其對策[J]．供用電，2006(23):7-10.

[13]王顥，易東．青藏鐵路電纜貫通線并聯(lián)電抗器補(bǔ)償方式研究[J]．鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(8):67-70.

[14]王非，李群炬，李偉．高壓電纜對電網(wǎng)無功平衡的影響及相應(yīng)措施[J]．華北電力技術(shù)，2007(6):1-3.

[15]安書明，梁工謙．用LCC方法實(shí)施對維修費(fèi)用的控制[J]．設(shè)備管理與維修，2000(5):12-13．

(責(zé)任編輯楊黎麗)

StudyontheCapacitanceCurrentofCableNetworkControlStrategy

JIANGDong-rong,LIHai-long,JIANGWei，WANGrui

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Thesystemreactivepowerbalanceandthearcgroundingovervoltagewillbeinfluencedbythehighlycablingnetworkofcapacitivecurrent.Aimingatthisproblem,thisarticleestablishedareliablecapacitancecurrentcompensationmethodthatbasedonshuntreactorandneutralpointviasmallresistancegrounding.Accordingtothepowerdistributionofsystem,thesysteminexcessofcapacitivereactivepowerisreal-timecompensated.Theprojectmeetsthedemandofsystemeconomicoperation.Whensingle-phaseearthfaultoccursinsystem,accordingtothefaultcircuitcurrent,theearthcapacitancecurrentiscompensatedandthearcgroundingovervoltagecanbelimited.FinallythereliabilityofprojectwassimulatedwithMatlab/Simulink.Thetheoryoflifecyclecostprovedtheeconomyofthisproject.Thesimulationindicatesthattheprojectiseffectiveandfeasible.Theprojectcanbeusedintherelatedengineeringapplicationinthefuture.

urbanpowernetworkreform;cabling;capacitancecurrent;arcgrounding;lifecyclecost

2016-04-20

蔣東榮(1970—)，男，重慶人，博士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制的研究，E-mail:drjiang@cqut.edu.cn；李海龍(1989—)，男，河南衛(wèi)輝人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究。

format：JIANGDong-rong,LIHai-long,JIANGWei，etal.StudyontheCapacitanceCurrentofCableNetworkControlStrategy[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(9):101-105.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.016

TM743

A

1674-8425(2016)09-0101-05

引用格式：蔣東榮，李海龍，蔣偉，等.電纜網(wǎng)絡(luò)電容電流控制策略研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(9):101-105.