110kV電纜和架空線路用戶無功補償配置的方法研究和分析

張宏偉， 朱建華， 陳　寧， 陳運濤， 孫良偉， 王斌春

（1.國網昌吉供電公司，新疆昌吉831100；2.國網新疆電力公司電力科學研究院，新疆烏魯木齊830011）

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110kV電纜和架空線路用戶無功補償配置的方法研究和分析

張宏偉1， 朱建華2， 陳寧1， 陳運濤1， 孫良偉1， 王斌春1

（1.國網昌吉供電公司，新疆昌吉831100；2.國網新疆電力公司電力科學研究院，新疆烏魯木齊830011）

摘要：針對110kV架空線路和電纜混合線路輕載和空載時會生產較多容性無功以及功率因數偏低的問題，提出對應的解決方案以及生產運行中應注意的問題。分別通過電壓變化、功率因數對比、無功潮流分析、經濟性對比、安全性分析、電能質量分析等多個方面對比多種方案的優劣，確定最優方案，避免產生類似問題，為后期類似的供電模式的用戶設計和運行提供參考。

關鍵詞：架空線-電纜混合線路； 功率因數； 設計運行

0　引言

隨著多種專業負荷接入現代電網，隨之產生一系列供電問題。110kV級別電網在城區常被作為配網主干電網使用，但也會出現110kV專線用戶跨越城鎮或者人口稠密區時，需要在跨越地區使用電纜線路。但線路空載或者輕載容易產生過剩容性無功，導致線路功率因數偏低。

針對此類問題，大量專家和學者提出一系列解決方法。文獻[1]中車仁青等分析了電纜線路對110kV變電站無功補償設計和計算的影響，并提出了電纜線路較長的110 kV變電站應減少并聯電容器的容量的結論。文獻[2]中張建華等，分析了風電場、電氣化鐵路空載架空線路、高可靠性雙電源空載架空線路、空載電力電纜引起的反向無功充電功率計量問題，并提出適當調整無功計量點來避免無功電費糾紛。文獻[3]中周卓敏等提出了架空和電纜混合饋線的電壓損耗快速估算方法，并使用實測數據驗證了所提方法的有效性。文獻[4]中胡金東針對采用電力架空線改為電力電纜后引起電力線路對地電容電流和相間電容電流增大的技術難題，提出在沿線適當位置設置三相補償電抗器補償無功電流。文獻[5]中文滔等提出了一種考慮線路充電功率的無功補償策略，并通過實際算例驗證策略的有效性。

本文在上述文獻研究成果基礎上，針對某用戶的110kV架空線路和電纜混合線路功率因數偏低的問題，驗證了投入新的電抗器組后對線路電壓、功率因數、線路潮流的影響，通過多方面對比分析，提出合適的整改方案，提高電網和用戶的電壓質量，節省用戶用電成本。

1　110kV架空線路-電纜混合數學模型

1.1110kV架空線路模型

110kV架空線路模型由串聯電抗和電阻、線路電納并聯組成。當線路輕載或者空載時，會出現線路向負荷或者電網注入容性無功出現。線路空載或者輕載時，系統電壓本身處于較高水平，線路出現的過剩容性無功會進一步惡化系統電壓。

文獻[6]中綜合實際運行中運行經驗數據，給出平均電壓下110kV架空線路的充電功率為0.034Mvar/km。

1.2110kV電纜模型

110kV電纜線路與架空線路類似，文獻[6]中綜合大量電纜運行的數據，給出平均電壓下截面積為100m2的110kV電纜的充電功率為1.07Mvar/km，為同電壓等級的110kV架空線路的充電功率為31.5倍左右。

2　無功平衡理論

2.1無功與電壓關系

無功和有功類似，滿足總量守恒定律，在110kV電網中，有功的流動主要與功角相關，無功的流動主要與電壓相關。無功從電壓高處流向電壓低處，當線路重載時，電壓從電源流向負荷側，如圖3所示；輕載或者空載時，線路也充當了無功電源的角色，無功可能從負荷側流向電網，如圖4所示。

2.2雙電源供電的無功流向

對于如圖3所示的雙電源供電線路，一條線路供電，另一條線路處于熱備用狀態。線路1為普通的架空線路，線路2為架空線路和電纜混合線路。

當線路2給負荷供電，線路1處于熱備用時，斷路器1合并，斷路器2處于熱備用狀態，因為線路1產權屬于用戶所有，所以計量點CT斷路器1位置處，因為線路1為架空線和電纜混合線路，線路空載時有較多的充電功率，為無功電源。在圖5所示的工況下，線路1相當于在變壓器A的110kV側并聯一組110kV電容器組，導致與變壓器A連接的110kV母線電壓偏高。所以，文獻[8]建議在對進出線以電纜為主的220kV變電站，可根據電纜長度配置相應的感性無功補償裝置。

線路1長度為30km，通過電壓和無功在線監測系統中，監測到線路1在圖5所示的工況下線路1向變電站1提供的過剩容性無功為2.5~4.8Mvar左右，相當于73~141km長度架空線路產生的充電功率。

3　技術方案

3.1安裝位置的確定

電抗器可以選擇的安裝為110kV側和10kV側。

根據文獻[7]中規定變電站內用于補償輸電線路充電功率的并聯電抗器一般裝在主變壓器低壓側，需要時也可裝在高壓側。

由于并聯電抗器設在高壓側投資較大，且不能像裝設在變壓器低壓側那樣很方便地隨負荷變化頻繁投切，難以控制低壓側電壓，因此電抗器宜首先考慮裝設在主變壓器低壓側。但當需要補償容量較大，裝在低壓側影響負荷供電時，也可以裝在高壓側。

對于圖5所示的負荷，夏季處于用電高峰期時，電壓相對較低，需要退出電抗器組。冬季用電低谷期時，需要投出電抗器組。所以配置的電抗器組有根據生產投切的需要。

圖5所示的負荷需要配置的電抗器容量為4.8MVA左右，僅占負荷最大一臺變壓器容量15%左右，并不屬于較大的補償容量情況，裝在低壓側對10kV母線電壓最大影響為3.4%，并未顯著影響低壓側供電。

3.2建議方案

建議方案的原理如圖6所示，線路2供電，線路1備用。保持斷路器2處于工作狀態，斷路器1處于熱備用狀態。

圖6中，線路1提供的過剩容性無功由圖5的向變壓器A方向流動改變為向負荷側流動。在方案1的狀態下，需要在負荷低壓側加裝適量的感性無功補償裝置。

3.2.1電抗器總容量的確定

文獻[7]依據已有的設計和運行經驗，對電抗器的配置做出如下說明：一般35~220kV變電站并聯電抗器補償的目的是補償電纜線路的充電功率，并聯電抗器補償總容量一般要求為線路充電功率總和的100%以上。

35~220kV變電站主變低壓側補償容量一般為主變壓器容量的30%以下為宜。

電抗器的容量需考慮到用戶變壓器的無功損耗。變壓器的無功損耗一般用下式表示：

式中 ΔQ—變壓器無功損耗，kVar；

I0—空載電流，%；

Uk—短路阻抗百分比，%；

SN—變壓器的額定容量，kVA；

S—變壓器的視在功率，kVA。

如圖7所示，用戶變壓器1的主要參數為：

主變容量31.5MVA；短路阻抗17.58%，空載電流0.15%，負載損耗124.48kW；空載損耗22.877kW。

根據式（1）計算可得，單臺用戶變壓器滿載時最大無功損耗為5.5MVA，冬季出現反向無功的負荷在12.52MVA左右，負荷率約為40%，對應的無功損耗為0.87MVA。

用戶主變壓器的容量為33.2MVA，線路1的最大充電功率為4.8MVA，考慮線路充電功率和主變的無功損耗，可以得出需要配置的電抗器組總容量為5.7MVA左右。3.2.2電抗器組單組容量的確定

低壓電抗器的分組容量應滿足下列要求：

1）分組投切時，不得引起高次諧波，應避免有危害的諧波放大；

2）投切一組電容器和電抗器所引起接入母線電壓的變動值，不宜超過其額定電壓的2.5%[8]。

3）為降低造價，宜加大分組容量，減少組數。

110kV母線1的最小短路容量為651MVA，折算到負荷低電壓10kV側的短路容量為140.6MVA，考慮到諧振和電壓變化率的約束，文獻[8]中建議：10kV側配置的電抗器組單組容量不宜大于3.5MVA。所以需要配置的電抗器組為3~4組比較合適。

3.2.3功率因數

負荷所需補償的最大容性無功量計算式為：

式中 Qcf，m—負荷所需補償的最大感性無功量，kVar；

Pcf，m—母線的最大負荷，kW；

φ1—補償前最大功率因數角；

φ2—補償前最小功率因數角，φ2值應不小于表1規定的允許值。

表1　用戶要求的功率因數

根據式（1）計算負荷所需補償的最大容性無功值為9.3MVA。

考慮到主變的無功損耗，根據功率因數計算的需要配置的感性無功補償裝置的容量為10.2MVA。

4　結語

本文針對某用戶的110kV架空線和電纜混合線路功率因數偏低的問題提出了技術建議，解決了相關問題，本文提出的主要建議有：

（1）當有電纜或者混合線路進出線的變電站需要考慮電纜容性無功較大問題，建議參考文獻[7，8]的相關條款進行可研、設計、施工階段等流程，保證工程的長期電壓安全穩定。

（2）用戶計量點依照計量相關規程設定，在不影響供電安全性的前提下，可以做出適當調整，保證用戶和電網經濟效益，提供共同的用電質量。

（3）對于負荷變化較為頻繁的用戶，可以考慮設計適當的無功自動投切裝置，保證電壓合理高效管理，節省運行人員的精力，提高對應的經濟效益。

參考文獻：

[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分析[J].電力電容和無功補償，2011，32（1）：13~15．

[2]張建華，高靖，許萬奎，等.反向無功充電對電能計量影響的分析與對策[J].供用電，2010，29（5）：8~11．

[3]周卓敏，李湘華，何禹清，等.架空和電纜混合饋線的電壓損耗快速估算[J].電力系統保護與控制，2010，38（7）：169~173.

[4]胡金東.黎湛鐵路電力線路電容電流分析與研究[J].鐵道運營技術，2015，21（1）：9~11，15．

[5]文滔，盧曉東，高早晨．輸油泵站110 kV供電系統功率因數改善分析[J]．油氣儲運，2013，32（6）：661~665．

[6]電力工業部電力規劃總院．電力系統設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1995：229.

[7]DL/T5242-2010.35kV-220kV變電站無功補償裝置技術規范[S]. 2010：7.

[8]Q/GDW212-2008.國家電網公司電力系統無功補償配置技術原則[S]. 2008：3.

修回日期：2016-04-07

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.009

中圖分類號：TM76

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）02-0036-04

作者簡介：張宏偉（1968-），男，新疆人，學士，助理工程師，從事電力營銷工作；朱建華（1986-），男，河南洛陽人，碩士，助理工程師，從事勵磁和電能質量工作。

收稿日期：2016-02-22

Analysis and Countermeasures for Reactive Power Compensation Design Calculation in Power Systems Consisting of 110 kV Overhead Line and Cable

ZHANG Hong-wei1， ZHU Jian-hua2， CHEN Ning1， CHEN Yun-tao1， SUN Liang-wei1， WANG Bin-chun1
（1.Changji Power Company，State Grid，Xinjiang Electrical Power Corporation，Changji 831100，China；2.Xinjiang Electric Power Research Institute Xinjiang Electric Power Corporation State Grid，Urumqi 830011，China）

Abstract：Aiming at the problems of plentiful surplus of charging current and low power factor because of light-load 110 kV overhead line and cable，puts forward the solution to this problem and some suggestions on electric production.By contrast with voltage variation，power factor，reactive power flow，economy，safety，power quality，determines the optimum plan，as a reference for similar problem，and then avoid such things to happen again.

Key words：overhead line and power cable； power factor， design and operation