董 紅 郭 挺 高艷娜 郭子軒

（南方電網(wǎng)廣東廣州供電局，廣東 廣州510610）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加速，電纜在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用也越來越廣泛，以廣州電網(wǎng)為例，截止2019 年底，110kV 及以上線路中電纜線路回數(shù)占比達45%、線路長度占比21%。相對架空線路，電纜具有阻抗較小、不受環(huán)境影響可靠性高、可大大改善市容市貌等優(yōu)點。但相對架空線路，電纜有較大的對地電容效應(yīng)，在交流電壓作用下產(chǎn)生容性無功功率，即對系統(tǒng)產(chǎn)生無功充電功率，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。尤其在節(jié)假日低谷負荷期間，電纜充電功率對系統(tǒng)電壓的影響更為明顯，有必要對電纜充電功率對系統(tǒng)運行的影響進行分析。

1 電纜的充電功率計算

電纜線路的π 型等值電路如圖1 所示：

圖1 線路π 型等值電路示意圖

π 型等值電路下，線路的充電功率計算如公式（1）所示：

式中：Qc為線路ij 的充電功率，Bij為線路對地電納，Ui、Uj為線路兩端電壓。

由公式（1）可見，電纜的充電功率與電纜的對地電納的大小及電壓等級的平方成正比。在實際的工程的近似計算中，通常采用的計算公式如公式（2）所示。

式中：Qc為線路充電功率；Xc為電纜等值對地電容的電抗值；U 為電纜等效電壓，在近似計算中可采用供電母線電壓。電纜充電功率與電纜截面和電壓等級有關(guān)，不同型號的電纜其充電功率也各不相同?；趶V州電網(wǎng)各電壓等級常用電纜型號，結(jié)合各截面電纜線路電容參數(shù)，利用公式（2）對10～220kV 交聯(lián)聚乙烯電纜單位長度充電功率計算如表1 所示。

表1 10～220kV 交聯(lián)聚乙烯電纜單位長度充電功率計算表單位：kvar

2 電纜充電功率對系統(tǒng)電壓的影響

由公式（1）及表1 可知，電纜的電壓等級越高、電纜截面越大、線路越長，產(chǎn)生的無功充電功率越大，由于無功功率在電網(wǎng)中流動，將導致其他節(jié)點電壓發(fā)生變化。為進一步分析充電功率對電網(wǎng)電壓的影響，以供電廣州中新知識城的科北片區(qū)電網(wǎng)為研究模型（片區(qū)電網(wǎng)接線示意圖如圖2 所示，合計220kV 電纜長度約160km），采用BPA 程序，對該局部系統(tǒng)在220kV 線路采用架空電纜型式，低谷負荷期間對近區(qū)220kV 節(jié)點無功電壓變化情況進行研究。低谷負荷期間不同線路型式下近區(qū)電網(wǎng)220kV 節(jié)點電壓情況如表2 所示。

圖2 規(guī)劃某年科北供電片區(qū)電網(wǎng)接線示意圖

表2 科北供電片區(qū)各220kV 節(jié)點電壓情況 單位：kV

由表2 可知，當線路采用電纜型式后，比采用采用架空型式電壓升高約18.9～21.7kV，升高比例約9%。其中，電纜線路較長的山口站、漢田站（山口- 漢田2×22km、科北- 山口2×20km）電壓升高最大，分別升高20.2kV 和21.7kV。即電纜充電功率對系統(tǒng)電壓的影響較大。

3 電纜充電功率的補償

隨著城市電纜化率的不斷提高，電纜充電功率帶來的無功功率對電網(wǎng)運行產(chǎn)生影響。通過無功補償可以改善電力系統(tǒng)無功平衡狀態(tài)，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量，同時降低電網(wǎng)運行成本。

3.1 充電功率補償計算

對電纜充電功率的補償計算，主要是確定低谷負荷期將系統(tǒng)節(jié)點功率因數(shù)調(diào)至規(guī)程規(guī)范要求標準所需補償?shù)臒o功補償容量。假定電纜充電功率為ΔQC，變電站低壓側(cè)需補償?shù)碾娍蛊魅萘繛镼L，電纜充電功率補償后變壓器高壓側(cè)的功率因數(shù)cosφ 計算如公式（3）所示：

根據(jù)南方電網(wǎng)公司《電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量和無功電力管理標準》的規(guī)定，變電站裝設(shè)的無功補償裝置應(yīng)避免大量無功電力穿越變壓器，35～220kV 變電站在低谷負荷時功率因數(shù)應(yīng)不高于0.95。即在系統(tǒng)低谷負荷期間，變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)cosφ≤0.95。據(jù)此，可以得出系統(tǒng)低谷負荷期補償電纜充電功率所需低壓無功補償容量QL的計算如公式（4）所示。

3.2 充電功率補償設(shè)備選擇

通常，系統(tǒng)的充電功率補償可以采用同步調(diào)相機，高、低壓并聯(lián)電抗器或者靜止無功補償裝置（如SVC、SVG）進行補償。

3.2.1 同步調(diào)相機

同步調(diào)相機可根據(jù)系統(tǒng)的需求，自動在電網(wǎng)電壓下降時增加無功輸出，在電網(wǎng)電網(wǎng)上升時吸收無功功率，以維持電壓，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，是一種專門的無功功率發(fā)電機。它具有跟蹤速度快、補償范圍廣（容性、感性均可）、故障率低等優(yōu)點；但同步調(diào)相機也存在運行維護比較復(fù)雜、小容量調(diào)相機單位容量投入費用較高等缺點。通常用于大型電網(wǎng)無功的大容量集中補償，容量一般大于10Mvar，多裝設(shè)在樞紐變電站、換流站等。

3.2.2 并聯(lián)電抗器

相比調(diào)相機，并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，設(shè)備投資和運行維護費用都較小，具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢；高壓電抗器則一般直接接在高壓線路上，通過斷路器進行投切，起到限制工頻過電壓及操作過電壓，降低了相應(yīng)設(shè)備的絕緣水平；低壓電抗器一般接在變電站低壓側(cè)母線上，造價低，操作方便。通常應(yīng)在低壓電抗器投切時所產(chǎn)生的本母線電壓波動不宜大于額定值的2.5%。

3.2.3 靜止無功補償器

靜止無功補償器（SVC）是一種沒有旋轉(zhuǎn)部件，將可控的電抗器和電容器并聯(lián)使用?？梢愿鶕?jù)無功的變化情況，對電抗器進行快速精確調(diào)節(jié)，其動態(tài)響應(yīng)時間短，可實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)。其缺點是本身會產(chǎn)生諧波，需配套配置電力濾波器。相對低壓電抗器，其造價較高，較多應(yīng)用于對于日負荷波動較大或者缺少電壓支撐的地區(qū)。

3.2.4 靜止無功發(fā)生器

靜止無功發(fā)生器（SVG）是指自由換相的電力半導體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置。SVG 并聯(lián)在電網(wǎng)中相當于可變的無功電流源，其無功電流可以靈活控制，自動補償系統(tǒng)所需的無功功率。其響應(yīng)速度快、穩(wěn)定無功電壓效果好，在降低系統(tǒng)損耗、降低諧波、減少占地面積等方面均有較好優(yōu)勢。

在實際應(yīng)用中，應(yīng)針對不同設(shè)備的技術(shù)特性及適用環(huán)境，結(jié)合系統(tǒng)需求合理選取無功補償設(shè)備型式。

4 結(jié)論

電纜有較大的對地電容效應(yīng)，在交流電壓作用下對系統(tǒng)產(chǎn)生無功充電功率，進而引起系統(tǒng)電壓偏高甚至越限，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。尤其在低谷負荷期間，電纜充電功率對系統(tǒng)電壓的影響更為明顯。需對系統(tǒng)相關(guān)節(jié)點進行充電功率及無功平衡計算，并結(jié)合不同無功補償設(shè)備的技術(shù)特性及適用環(huán)境，提出改善電網(wǎng)無功電壓運行的具體補償方案，以提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平，同時提高電能質(zhì)量、降低電網(wǎng)運行成本。