輕負荷時期高壓電纜充電功率對電網無功平衡的影響分析

趙璞，蔡軾，董丹煌，孫景釕

（溫州電力局，浙江溫州325000）

輕負荷時期高壓電纜充電功率對電網無功平衡的影響分析

趙璞，蔡軾，董丹煌，孫景釕

（溫州電力局，浙江溫州325000）

電纜的充電功率會對電網無功平衡造成一定影響，輕負荷時期其影響尤為明顯。以溫州電網為算例，分析了輕負荷時期不同運行方式下高壓電纜充電功率對電網無功平衡的影響，并提出了改進建議。

電纜；充電功率；無功平衡；輕負荷

0 引言

近年來，高壓電纜在城區電網建設中得到了廣泛應用。由于高壓電纜具有較大的對地電容，相同長度、相同電壓等級的電纜比架空線路產生的無功充電功率更大。隨著電纜線路的增加，大量電纜所產生的充電功率對電網的無功平衡造成了一定的影響。尤其在春節、國慶節等節假日輕負荷時期，系統電壓普遍偏高，電纜充電功率對全網電壓和無功平衡的影響更為明顯，個別電纜出線占比較大的變電站出現了無功倒送和電壓越限情況，增加了網損，影響了經濟性。因此有必要對輕負荷時期高壓電纜充電功率對電網無功平衡的影響進行分析，進而提出完善電網無功補償設備配置的具體方案。

1 計算方法

1.1 電纜充電功率計算

電纜充電功率與電纜截面和電壓等級有關，不同型號的電纜其充電功率也各不相同，為簡便計算，選取溫州電網應用最多的電纜型號與截面：220 kV電纜截面為3×1 000 mm2，110 kV電纜截面為3×630 mm2，35 kV電纜截面為3×400 mm2，10 kV電纜截面為3×240 mm2。

電纜充電功率計算公式如下：

式中：QC為電纜充電功率；XC為電纜容性電抗；U為母線線電壓，根據春節期間電壓實際運行情況，分別取228 kV，115 kV，37 kV和10.5 kV進行計算。單位長度不同截面的交聯聚乙烯電力電纜在不同電壓下的電容量參數如表1所示。根據公式（1）和（2）計算得出單位長度的電纜充電功率見表2。

經統計，溫州電網有220 kV電纜0.882 km，110 kV電纜85.68 km，35 kV電纜55.56 km，10 kV電纜2 333.18 km。初步計算得出220 kV電纜產生的充電功率為2.476 Mvar，110 kV電纜充電功率為66.89 Mvar，35 kV電纜充電功率為5.517 Mvar，10 kV電纜充電功率為34.732 Mvar，總計全部電纜充電功率為109.615 Mvar。

表1 交聯聚乙烯電纜電容量參數

表2 電纜充電功率計算值

1.2 充電功率補償計算

春節期間電容器撤出，電抗器投入。假定負荷側電抗器補償容量為QL，電纜容性充電功率為ΔQC，不考慮電抗器補償容量時，高壓側的功率因數cosφ為：

補償充電功率后的功率因數cosφ′為：

2 電纜充電功率對電網無功平衡的影響

為確定輕負荷時期高壓電纜充電功率對電網無功平衡的影響，以溫州電網春節期間電網實際數據為依據進行分析計算。根據國家電網公司《電力系統無功補償配置技術原則》的規定，變電站裝設的無功補償裝置應避免大量無功電力穿越變壓器，35~220 kV變電站在低谷負荷時功率因數應不高于0.95，在以下計算中也以此為評判條件。

2.1 全網無功平衡影響分析

春節期間負荷急劇降低，居民負荷占比升高，無功需求減少，全網電壓水平和功率因數均偏高。為保證電壓合格，溫州電網變電站及配電網公用變壓器和專用變壓器的補償電容器退出率約99%，電抗器投入率100%。扣除電抗器投入容量后，春節期間是最為真實的電網自然無功水平。因此，以春節期間負荷數據為計算依據，對充電功率的影響分析將更為準確。

根據公式（3）和（4）進行計算，充電功率補償前后全網無功平衡情況見表3。

由計算結果可知，補償充電功率后，全網功率因數平均下降0.024，可見電纜充電功率對全網無功平衡的影響非常大。其中小方式和中方式下的影響程度要遠大于大方式下的影響。主要原因為大方式下充電功率占無功之比僅為22%，遠小于中方式和小方式的占比水平；其次，由于電纜充電功率與電壓平方成正比，而小方式下系統電壓高于大方式下的系統電壓，因此電纜產生的充電功率影響增大。

從表3可以看出，充電功率補償前春節期間電網功率因數全時段超過0.95，補償后，中方式和小方式下全網功率因數降至0.95以下，大方式時功率因數略高于0.95。如果以控制春節大方式下全網功率因數0.95為目標，根據公式（3）計算得出全網感性無功需求容量為330 Mvar，而目前溫州地區已裝設的電抗器容量為190 Mvar，因此感性無功缺額為140 Mvar。以每組常規電抗器10 Mvar計算，需要在220 kV變電站低壓側增裝14組電抗器。

根據上述分析，設計部門在配置感性無功補償裝置時應以春節等節假日輕負荷時期數據為計算依據，并充分考慮電纜充電功率造成的影響，以提高感性無功補償裝置配置的準確度。

表3 全網充電功率補償前后無功平衡對比

2.2 典型220kV變電站無功平衡影響分析

以慈湖變電站為例，該站110 kV電纜長度約7.3 km，10 kV電纜長度約44 km，總計電纜充電功率約6.35 Mvar，未配置電抗器。春節期間，該站個別時段出現無功倒送現象，對2012年春節期間負荷數據進行計算，結果見表4。

從計算結果可以看出，春節期間慈湖變電站電纜充電功率占無功比重較大，中、小方式下出現無功倒送。補償電纜充電功率后，無功倒送可以避免，但功率因數仍然偏高。如果以控制春節大方式下慈湖變電站功率因數降至0.95為目標，通過計算得出慈湖變電站感性無功缺額為13 Mvar。根據《電力系統無功補償配置技術原則》規定，220 kV變電站接于35 kV電壓等級的無功補償裝置單組容量不宜大于12 Mvar，因此建議該站增裝12 Mvar電抗器1組，同時結合春節運行方式調整，將部分110 kV電纜線路轉移至其他變電站。由于該站場地及開關間隔的限制而無法裝設獨立電抗器，建議增裝1組12 Mvar的靜止無功補償器，不但可以補償輕負荷時剩余充電功率、減少電壓波動，也無需占用電容器組的間隔與場地，保證容性無功儲備。

2.3 典型110kV變電站無功平衡影響分析

以110 kV沿江變電站和東門變電站為例，兩站均由220 kV商務變電站商江東、商沿東雙線供電，其中商江東、商沿東雙線電纜長度共13.2 km，沿江變電站、東門變電站所供10 kV電纜長度34 km，總計電纜充電功率10.81 Mvar。目前溫州地區110 kV變電站均未配置電抗器，春節期間存在無功倒送情況。具體計算結果見表5。

從計算結果可知，2個變電站春節期間功率因數偏高，低谷時段有無功倒送，即使補償充電功率后，功率因數仍無法降至0.95以下。而110 kV變電站多為1臺主變壓器配置2組電容器的典型化設計，一般初期不考慮裝設電抗器，因此電纜充電功率無法分層分區就地平衡消納，導致充電功率向220 kV層面倒送，對無功平衡造成影響。建議電纜線路較多的110 kV變電站增裝電抗器，場地、間隔受限時可考慮改裝靜止無功補償器，以春節輕負荷數據為計算基準，確保不向220 kV層面倒送無功。城區10 kV電纜線路可考慮將開閉所或配電變壓器內的電容器適當更換成電抗器，以就地補償電纜的充電功率。

3 結論

春節、國慶節等節假日期間，系統負荷急劇降低，工業負荷占比減少，無功需求減少，功率因數和電壓水平明顯升高。在節假日等輕負荷時期，電纜充電功率將對全網無功平衡產生較大影響，中、小方式下的影響程度要遠大于大方式下的影響。每年節假日有20多天，如果不引起重視，將對電網無功電壓穩定造成一定影響。因此在變電站工程設計中，應以高峰負荷為依據配置

表4 慈湖變電站充電功率補償前后無功平衡對比

表5 沿江變電站、東門變電站充電功率補償前后無功平衡對比

容性無功補償裝置；在配置感性無功補償裝置時，應以節假日輕負荷時期數據為計算依據，并充分考慮電纜充電功率造成的影響，以提高感性無功補償裝置配置的準確度。對于城區電纜出線較多的220 kV變電站，應增設電抗器以補償電纜的充電功率。對于缺乏增設電抗器條件的變電站，應考慮增裝靜止無功補償器。城區電纜化率較高的110 kV變電站也可考慮在站內10 kV母線或配電網開閉所或配電變壓器內裝設電抗器以就地補償電纜充電功率，確保不向220 kV電網倒送無功。

[1]車仁青，劉凌波，宗占誼，等.電纜線路對110 kV變電站無功補償設計計算的影響[J].電力電容器與無功補償，2011，32（1）∶13-15.

[2]王非，李群炬，李偉.高壓電纜對電網無功平衡的影響及相對措施[J].華北電力技術，2007（6）∶1-3.

（本文編輯：龔皓）

Impact Analysis of Charging Power of High-voltage Cable on Reactive Power Balance of Power Grid during Light Load Periods

ZHAO Pu，CAI Shi，DONG Dan-huang，SUN Jing-liao
（Wenzhou Electric Power Bureau，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

Charging power of power cables has impact on reactive balance of power grid，especially during light load periods.By taking Wenzhou power grid as an example，the paper comparatively studies impacts of charging power of high-voltage cables on reactive balance of power grid in different operating modes during lightload periods；italso proposes some recommended measures.

cable；charging power；reactive balance；light load

TM732

：B

：1007-1881（2013）02-0020-03

2012-04-09

趙璞（1982-），男，遼寧錦州人，碩士，工程師，從事電網穩定及無功電壓管理。