李 莉，尹茂林，范永艷，張兆笑

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南 250012）

110 kV變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置容量的工程算法

李 莉，尹茂林，范永艷，張兆笑

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南 250012）

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)及電力工業(yè)發(fā)展，線路走廊日益緊張，電力電纜在高壓電網(wǎng)的建設(shè)與改造中得到更多的應(yīng)用。針對(duì)濟(jì)南地區(qū)電網(wǎng)無(wú)功電壓的現(xiàn)狀，通過(guò)新改線路和現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償裝置配置和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算高壓電纜產(chǎn)生的充電功率，以設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)簡(jiǎn)便為出發(fā)點(diǎn)，提出一種城市電網(wǎng)110 kV變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置容量的工程算法。使用算法增加的無(wú)功補(bǔ)償裝置能對(duì)補(bǔ)償后的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析，有效減少電網(wǎng)無(wú)功充電功率流動(dòng)，提高上級(jí)變電站主變高壓側(cè)功率因數(shù)。

城市電網(wǎng)；高壓電纜；充電功率；無(wú)功補(bǔ)償裝置

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)及電力工業(yè)發(fā)展，電力電纜在城市電網(wǎng)的建設(shè)與改造中得到更多的應(yīng)用，電網(wǎng)電纜化具有美化環(huán)境、免受電力走廊制約、節(jié)約土地資源、不受自然氣象條件干擾、提高供電可靠性等優(yōu)點(diǎn)［1］。

由于每公里電纜線路電容值較大，產(chǎn)生的充電功率比常規(guī)架空線路約高一個(gè)數(shù)量級(jí)，為更好地利用和調(diào)節(jié)電纜線路產(chǎn)生的充電無(wú)功容量，在電網(wǎng)中需要裝設(shè)一定容量的感性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，以補(bǔ)償電網(wǎng)小負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)電纜線路多余的充電無(wú)功功率［2-3］。當(dāng)某一變電站高中壓進(jìn)出線大部分或全部采用電纜線路時(shí)，所產(chǎn)生的充電無(wú)功就會(huì)對(duì)母線電壓和功率因數(shù)造成較大影響。因此，對(duì)電纜所產(chǎn)生的充電無(wú)功容量進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算分析是十分必要的［4-6］。

針對(duì)濟(jì)南地區(qū)電網(wǎng)無(wú)功電壓的現(xiàn)狀，通過(guò)新改線路和現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償裝置配置和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算高壓電網(wǎng)電纜產(chǎn)生的充電功率，以設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)簡(jiǎn)便為出發(fā)點(diǎn)，提出一種城市電網(wǎng)110 kV變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置容量的工程算法，能對(duì)補(bǔ)償后的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析，有利于平衡地區(qū)無(wú)功水平，減少電網(wǎng)無(wú)功充電功率流動(dòng)，提高上級(jí)變電站主變高壓側(cè)功率因數(shù)。

1 城市高壓電纜充電功率影響的實(shí)例

220 kV電纜在交流電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的對(duì)地電容，相當(dāng)于一個(gè)電容，電纜線路對(duì)地電容的變化直接影響到線路對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功充電功率。濟(jì)南電網(wǎng)220 kV興姚線原為架空線路，因市政工程建設(shè)，濟(jì)南東部城區(qū)220 kV架空線路需要電纜入地，220 kV興姚線線路改造后新增電纜全長(zhǎng)約7.94 km，采用ZC-YJLW02-Z 127電纜，截面積為2 500 mm2，該型號(hào)電纜電容值為 0.235 2 μF／km。220 kV興姚線2014年1月線路改造完成送電，由濟(jì)南電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)采集可得，線路空充送電時(shí)最大無(wú)功功率為36.1 Mvar，興姚線改造前線路空充送電時(shí)最大無(wú)功功率為5.36 Mvar。兩者差值即可粗略地理解為改造線路中電纜部分帶來(lái)的充電無(wú)功即為30.74 Mvar。

由此可見(jiàn)，長(zhǎng)距離220 kV高壓電網(wǎng)電纜線路的充電功率相當(dāng)大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的電纜線路每月吸入無(wú)功電量也非常大，其最主要的原因是電纜線路單位長(zhǎng)度電容是架空線路20～30倍。因此，對(duì)電纜線路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償就顯得十分必要。

2 濟(jì)南電網(wǎng)無(wú)功電壓存在的主要問(wèn)題

截至 2015年底，濟(jì)南電網(wǎng)電纜總長(zhǎng)度為2 998.577 km，其中220 kV電纜長(zhǎng)度已達(dá)57.308 km，110 kV電纜長(zhǎng)度已達(dá)315.93 km，35 kV電纜長(zhǎng)度已達(dá)24.672 km，10 kV電纜長(zhǎng)度已達(dá)2 600.645 km，而220 kV架空線路總長(zhǎng)為1 407.19 km。針對(duì)目前現(xiàn)狀，為更好地利用和調(diào)節(jié)電纜線路產(chǎn)生的充電無(wú)功容量，應(yīng)在電網(wǎng)中需要裝設(shè)一定容量的感性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，以補(bǔ)償電網(wǎng)小負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)電纜線路多余的充電無(wú)功功率。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)山東省電力公司要求，220 kV變電站主變高壓側(cè)不允許向主網(wǎng)倒送無(wú)功；低谷時(shí)段功率因數(shù)不得高于0.98，低谷時(shí)段母線電壓低于216 kV時(shí)，功率因數(shù)不得低于0.92；高峰時(shí)段功率因數(shù)不得小于0.92，高峰時(shí)段220 kV母線電壓高于232 kV時(shí)，功率因數(shù)也不得高于0.98。賢文站、南郊站等13個(gè)城區(qū)變電站因?yàn)槌菂^(qū)220 kV、110 kV變電站進(jìn)出線電纜化率高，充電無(wú)功大的原因，功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)，存在向主網(wǎng)倒送無(wú)功的現(xiàn)象，必須在本站及下級(jí)變電站加裝電抗器或SVC才有可能予以解決。

3 電抗器配置和運(yùn)行相關(guān)原則

參照長(zhǎng)距離架空線路無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?，?duì)長(zhǎng)距離電纜線路的無(wú)功充電功率，可以通過(guò)就地并聯(lián)電抗器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償［7-8］。并聯(lián)電抗器可以補(bǔ)償電纜線路的分布電容效應(yīng)，能有效抑制電纜線路由于無(wú)功充電功率導(dǎo)致的電纜兩端電壓升高，而且并聯(lián)電抗器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 無(wú)功補(bǔ)償要求

《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》對(duì)變電站無(wú)功補(bǔ)償原則進(jìn)行了要求和說(shuō)明。

對(duì)大量采用10～220 kV電纜線路的城市電網(wǎng)，在新建110 kV及以上電壓等級(jí)的變電站時(shí)，應(yīng)根據(jù)電纜進(jìn)、出線情況，從電網(wǎng)規(guī)劃和變電設(shè)計(jì)把關(guān)，在變電站分散配置適當(dāng)容量的感性無(wú)功補(bǔ)償裝置，220 kV變電站感性無(wú)功補(bǔ)償容量不宜大于主變?nèi)萘康?0%。

35～220 kV變電站，所配置的無(wú)功補(bǔ)償裝置，在主變最大負(fù)荷時(shí)其高壓側(cè)功率因數(shù)應(yīng)不低于0.95，在低谷負(fù)荷時(shí)功率因數(shù)不應(yīng)高于0.95，不低于0.92。

3.2 方案選擇

采用并聯(lián)電抗器、并聯(lián)電容器組合安裝的方案。高峰負(fù)荷時(shí)，投入電容器以保證功率因數(shù)和電壓質(zhì)量，低谷負(fù)荷時(shí)，投入電抗器以吸收系統(tǒng)多余的無(wú)功，最終緩解無(wú)功倒送、功率因數(shù)不合格的問(wèn)題。

容量選擇原則。感性無(wú)功補(bǔ)償主要是吸收系統(tǒng)充電功率，配置感性無(wú)功補(bǔ)償容量不宜大于主變?nèi)萘康?0%；采用全容量補(bǔ)償。在220 kV、110 kV變電站分散配置感性無(wú)功補(bǔ)償裝置；根據(jù)上述原則，按照電纜充電功率考慮配置感性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

新站初設(shè)配置。220 kV新建變電站，110 kV系統(tǒng)為全部或多數(shù)電纜出線時(shí)，按照電纜充電功率考慮配置感性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備；110 kV新建變電站進(jìn)線電纜長(zhǎng)度在2～6 km時(shí)，如上級(jí)220 kV變電站未加裝并聯(lián)電抗器，按照電纜充電功率考慮配置感性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備；應(yīng)充分考慮電網(wǎng)發(fā)展，在遠(yuǎn)期規(guī)劃中，應(yīng)預(yù)留并聯(lián)電抗器的安裝位置。

主變型號(hào)選擇。新擴(kuò)建時(shí)采用中低壓變比適宜的主變，提高電壓統(tǒng)籌調(diào)節(jié)能力和電抗器投入率。城區(qū)220 kV主變因中壓側(cè)線路因輸電距離短，不存在末端電壓下降問(wèn)題，采用變比121 kV／10.5 kV變壓器易導(dǎo)致中低壓側(cè)母線電壓不宜協(xié)調(diào)，主變即使裝設(shè)電抗器也無(wú)法投入改善無(wú)功狀況，要求在新改擴(kuò)建工程采用中低壓側(cè)變比115 kV／10.5 kV或121／11 kV變壓器，以同時(shí)滿足電抗器投運(yùn)條件和母線電壓合格率。

4 110 kV變電站加裝電抗器無(wú)功補(bǔ)償容量

4.1 110 kV電力電纜對(duì)地工作電容值

對(duì)于單芯徑向場(chǎng)電力電纜，單位長(zhǎng)度工作電容值為

式中：ε0為介電常數(shù)，8.85×10-12；εr為電纜絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，交聯(lián)聚乙烯為2.3；r1為導(dǎo)線或者內(nèi)導(dǎo)電層半徑；rF為絕緣半徑。

結(jié)合電纜廠家提供的110 kV／10 kV電力電纜電容參數(shù)，根據(jù)式（1）計(jì)算電纜對(duì)地工作電容值如表1所示。

表1 110 kV電力電纜電容參數(shù)表

4.2 系統(tǒng)概況及假設(shè)條件

根據(jù)系統(tǒng)接入方式，桃園變電站2回110 kV電源，一回來(lái)自黨家莊220 kV變電站，至本站電纜線路截面800 mm2規(guī)格的4.9 km；一回來(lái)自興隆220 kV變電站，至本站電纜線路截面 800 mm2規(guī)格的3.1 km。10 kV線路采用400 mm2截面電纜，平均出線長(zhǎng)度2.5 km。

計(jì)算假設(shè)條件：用戶變電站10 kV側(cè)功率因數(shù)為0.95；忽略線路有功損耗；兩臺(tái)變壓器按分列運(yùn)行分析；計(jì)算過(guò)程中電容器、電抗器均未投入，110 kV電力電纜充電功率流向負(fù)荷側(cè)。

本期110 kV側(cè)為內(nèi)橋擴(kuò)大內(nèi)橋接線，在變電站正常運(yùn)行時(shí)，橋開(kāi)關(guān)打開(kāi)，2回110 kV電源進(jìn)線各帶1臺(tái)主變。

4.3 無(wú)功平衡計(jì)算分析

供電點(diǎn)電壓U1和負(fù)荷功率P+jQ已給定，包括歸算到高壓側(cè)的變壓器阻抗在內(nèi)的線路總阻抗為R+jX，在未加補(bǔ)償裝置前若不計(jì)電壓降落的橫分量，則有

式中：U′2為歸算到高壓側(cè)的變壓器低壓母線電壓。

在變壓器低壓側(cè)設(shè)置容量為QC的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，網(wǎng)絡(luò)傳送到負(fù)荷點(diǎn)的無(wú)功功率變?yōu)镼－QC，這時(shí)變壓器低壓母線歸算到高壓側(cè)的電壓也相應(yīng)變?yōu)閁′2C，故有

由此可得使變壓器低壓母線的歸算電壓從U′2改變到U′2C所需要的無(wú)功補(bǔ)償容量為

通過(guò)上述計(jì)算方法對(duì)桃園站1號(hào)、2號(hào)主變無(wú)功平衡計(jì)算分析如表2、表3所示。

表2 1號(hào)主變（至220 kV黨家莊站）無(wú)功平衡

4.4 無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置

110 kV桃園變電站系統(tǒng)接線如圖1所示。變電站投運(yùn)之初或負(fù)荷處于低谷時(shí)段時(shí)，1號(hào)主變?cè)? MW負(fù)荷情況下，220 kV黨家莊至桃園的110 kV線路有2.7 Mvar容性無(wú)功流向220 kV系統(tǒng)側(cè)；2號(hào)主變?cè)?MW負(fù)荷情況下，220kV興隆至桃園的110kV線路有1.13 Mvar容性無(wú)功流向220 kV系統(tǒng)側(cè)，但容量很小，基本達(dá)到自然功率平衡狀態(tài)；隨著負(fù)荷增加，容性無(wú)功不會(huì)流向系統(tǒng)側(cè)。1號(hào)主變需配置6 Mvar電抗器。

圖1 110 kV桃園變電站系統(tǒng)接線

表3 2號(hào)主變（至220 kV興隆站）無(wú)功平衡

在1號(hào)主變負(fù)荷不大于40 MW，2號(hào)主變負(fù)荷不大于30 MW情況下，無(wú)需投入電容器即可滿足無(wú)功平衡要求，之后隨著負(fù)荷增加，需要逐漸增加無(wú)功補(bǔ)償容量。

在1號(hào)主變滿載、2號(hào)主變負(fù)荷不大于55 MW情況下，每臺(tái)主變配置4.8 Mvar的電容器組可滿足高壓側(cè)功率因數(shù)和無(wú)功平衡要求。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著城市電網(wǎng)電纜線路的不斷增加，高壓電網(wǎng)電纜充電功率對(duì)電網(wǎng)的影響已引起各方面重視。通過(guò)實(shí)際線路改造、線路送電和現(xiàn)有電抗器配置和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了一種城市電網(wǎng)110 kV變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置容量的工程算法，能對(duì)補(bǔ)償后的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析，合理配置無(wú)功補(bǔ)償裝置，有效減少電網(wǎng)無(wú)功充電功率流動(dòng)，有利于提高220 kV變電站主變高壓側(cè)功率因數(shù)，避免出現(xiàn)無(wú)功充電功率造成的電網(wǎng)損耗和設(shè)備損壞的現(xiàn)象。

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

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Engineering Algorithm ofReactive Power Compensation Device Capacity for 110 kV Substation

LI Li，YIN Maolin，F(xiàn)AN Yongyan，ZHANG Zhaoxiao
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Along with the development of city construction and electric power industry，high-voltage cable is widely used in the construction and reconstruction of the power grid.For Jinan power grid，with the reactive power compensation device configuration and operation experiences，charging power generated by the high voltage power cable have been calculated and analyzed.To design，operate，and maintain simply as the starting point，an engineering algorithm of the capacity of the reactive power compensation device for the 110 kV power station is put forward.The added reactive power compensation device using the algorithm can reduce the flow of the reactive power charging power effectively，and can increase the power factor of the main transformer.

city power system；high-voltage cable；charging power；reactive power compensation device

TM714.3

A

1007－9904（2017）03－0047－04

2016-10-20

李 莉（1982），女，高級(jí)工程師，博士，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與控制等工作；

尹茂林（1965），男，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與控制等工作；

范永艷（1970），女，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與控制等工作；

張兆笑（1971），男，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與控制等工作。