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

譚曉莉

（國網四川省電力公司德陽供電公司，四川 德陽 618000）

隨著電力企業規模化發展，電網運行中就要面臨負荷需求增高的問題。無功電量作為電能計量的重要組成部分，對電網運行功率因素起到決定性的作用。無功功率產生于電力設備運行中同步電機的勵磁系統或者其他的無功電源，所以，電力設備電機機組運行的時間和無功功率的大小對電能計量起到決定性的作用。電力系統安裝無功補償裝置可以確保網絡處于無功平衡運行狀態，使電網運行成本降低，而且還能夠提高電能質量。

一、某地區電網無功補償情況

2014年1月~8月，某地區電網系統電壓水平出現了快速增高的趨勢，到9月份，由于電網處于輕負荷狀態，導致電網供電平衡受到了影響。電力系統的電壓水平呈現出整體偏高的趨勢，使得電網很難達到無功平衡，嚴重影響了電網的供電質量。2014年1月~8月，該地區電網都采用并聯電容器，無功補償的總容量可以達到394.7兆乏，無功補償率僅為9.77%。國家電網公司對無功補償率的要求為10%~30%，所以，該地區電網的無功補償率不符合下限要求。對電網無功平衡狀況進行分析發現，當該地區處于重負荷時期，無功功率可以達到平衡狀態。當電網在輕負荷時期運行，無功最大出力只有374.5Mvar，無功出力明顯不夠，需要投入電容器以補償電壓不足。造成電網無功補償不足的重要原因就是受到了高壓電纜充電功率的影響。

二、電纜充電功率的計算方法

（一）電纜充電功率的計算內容

為確定電網220kV電纜充電功率對無功平衡產生影響，下面重點分析2014年9月份電纜充電無功對電網運行所產生的影響。

地區內電網供電采用BPA程序，在不考慮負荷所存在的動態特性的情況下，設定發電機功率因數為0.83，變壓器負荷功率因素為0.86。計算過程中，各級母線電壓的上限和下限的確定以無功電力管理規定中有關母線電壓所允許的偏差值作為參考。變電站內的變壓器容量為180MVA和250MVA。下面開始分析短路容量下電纜充電無功功率對不同的220kV變電站電壓所產生的影響。運用變電站的總無功計算電纜的總充電功率。無功計算公式如下：

其中：

△u：節點電壓的變化量，單位：千伏（kV）。

△Q：節點注入無功的變化量，單位：兆乏（Mvar）。

表1 全網充電功率補償前后無功平衡對比

Ssc：節點的短路容量，單位：兆伏安（MVA）。

如果變電站進出線電纜所產生的無功為100 Mvar，低壓側所投入的感性無功容量為22.5 Mvar，這樣變壓器三側電壓就可以滿足電壓運行要求。220 kV電纜的無功補償，可以使高壓和低壓的電抗器進行補償，且高壓電抗器處于并聯狀態，如果用于電網無功補償，要確保電壓平衡，就要安裝在220 kV母線上。

結合該地區的基本情況，通過無功計算公式可以明確電纜線路的充電功率與電壓波動之間所存在的對應關系。電纜線路的充電功率形成的無功增量，會導致母線電壓不穩定，這是由于節點的短路容量的影響而導致電壓不穩定。

電纜線路的充電功率計算公式：

其中：

Qc：電纜充電功率。

U： 線電壓。

Xc：電纜容性電抗。

根據2014年9月份電壓實際運行情況進行計算，得出220kV電纜的充電功率2.365Mvar；110kV電纜的充電功率為65.14Mvar；10kV電纜的充電功率為30.632Mvar，電纜充電功率總量為98.137Mvar。

（二）高壓電纜充電功率補償計算

2014年9月份，該地區的用電高峰已經過去，電容器退出運行，投入使用電抗器。在忽略電抗器補償容量時，高壓側的功率因數計算公式：

其中：

cosφ：高壓側功率因素。

QL： 負荷側電抗器補償容量。

△Qc：電纜容性充電功率。

將電抗器補償容量忽略，高壓側的功率因數計算公式：

如果以控制功率因素0.95作為電功率控制目標，用電高峰期，電網功率因素會高于0.95，當用電高峰過后，會低于0.95，運用公式（4）計算，可以獲得無功需求容量330 Mvar。當裝設容量為190 Mvar的電抗器之后，如果電抗器每組為10 Mvar，則220 kV變電站低壓側就需要裝設電抗器14組。

隨著短路容量的增大，電壓就會趨于穩定，充電功率的影響下所形成的無功增量就會降低敏感度。相反，短路容量越小，電壓的穩定性就會有所降低，波動服務相對較大，無功增量就會提高敏感度。短路容量不同，以補償系數作為指標，電纜充電功率與無功補償之間所建立的關系可應用如下公式表示：

補償系數=感性補償容量/E無功

其中：

補償系數：短路電流環境下感性補償容量系數。

感性補償容量：在短路容量環境下所需要安裝的感性無功補償容量。

E無功：變電站高壓側進出線和中壓側進出線部分的充電無功，或者使用電纜后產生注入到母線的充電無功。

補償系數越大，變電站的短路容量隨之降低，當進行充電無功補償時，即便是數量相同，需要注入的感性無功補償容量也會相對較大。相反，補償系數越小，變電站的短路容量隨之升高，當進行充電無功補償時，數量相同的情況下，需要注入的感性無功補償容量也會相對減小。

三、電纜充電功率對全網無功平衡所產生的影響

2014年9月份，該地區經歷了用電高峰之后，負荷急劇降低，無功需求逐漸減少，電網的電壓水平增高，功率因數也隨之增高。為了確保電壓處于平穩狀態，電網所用變壓器的補償電容器退出運行大約98%，投入使用電抗器的投入率為100%。將電抗器投入容量扣除，即為電網自然無功水平。以輕負荷期間的負荷數據作為參考依據進行計算，能夠更為有效地分析電功率的影響。全網充電功率補償前后無功平衡對比見表1。

從表1可見，充電功率補償前電網功率因數超過0.83，補償后電網功率因數超過將近0.82。如果對9月份全網與功率因素進行控制，設定目標為0.83，按照公式，就可以將無功需求容量計算出來，為323Mvar。但是，該地區電網所裝設的電抗器容量為190Mvar，按照常規10Mvar計算，220kV變電站需要在低壓側安裝13組電抗器。

四、高壓及低壓電抗器的選擇

輕負荷時期，高壓電纜充電功率必然會影響到電網無功平衡，要正確地選擇高壓電抗器和低壓電抗器，就要進行220kV高壓電纜線路的工頻過電壓計算和操作過電壓計算，以對電壓是否超出限定值加以確定。如果經過測算后，存在電壓不穩定狀態，可以在線路上安裝并聯電抗器，連接斷路器。如果測算結果沒有問題，就可以選擇在線路上安裝低壓電抗器。結合上文的案例分析，該地區電網系統需要在變電站低壓側安裝13組電抗器，從而才能保證線路正常工作。

低壓電抗器的單組容量和低壓電抗器總容量都不可以過大。單組容量通過計算得出，根據當地的短路容量確定。低壓電抗器會影響到母線電壓，即當電抗器投入較為集中，就會對變壓器的有功損耗和無功損耗產生影響。如果低壓側有直配負荷，對電抗器的容量就需要予以控制，以避免對負荷側電壓造成影響。如果產生相對較大的波動，且缺少電壓支撐，就可以采用交換虛擬電路迅速補償，以減少電壓波動，提高電網運行的穩定性。

結語

綜上所述，本文建立在某地區電網系統電壓水平出現了快速增高的趨勢基礎上分析輕負荷時期高壓電纜充電功率對電網無功平衡的影響，得出結論為：輕負荷時期，電網負荷下降，無功需求也會相對減少，高壓電纜充電功率會影響到電網無功平衡。因此，需要以高峰負荷作為參考依據在電纜線上安裝無功補償裝置，確保電網運行中電壓保持平穩，不會出現電網倒送無功的現象。

[1]車仁青，劉凌波，宗占誼，等.電纜線路對110kV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（01）：13-15.

[2]趙強，張麗，王琦，李勇，徐有平.系統負荷頻率特性對電網頻率穩定性的影響[J].電網技術，2011，35（03）：69-73.