110 kV變電站無功補償裝置容量的工程算法

李 莉，尹茂林，范永艷，張兆笑

（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南 250012）

110 kV變電站無功補償裝置容量的工程算法

李 莉，尹茂林，范永艷，張兆笑

（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南 250012）

隨著我國城市化建設的不斷推進及電力工業發展，線路走廊日益緊張，電力電纜在高壓電網的建設與改造中得到更多的應用。針對濟南地區電網無功電壓的現狀，通過新改線路和現有無功補償裝置配置和運行經驗，計算高壓電纜產生的充電功率，以設計、運行和維護簡便為出發點，提出一種城市電網110 kV變電站無功補償裝置容量的工程算法。使用算法增加的無功補償裝置能對補償后的結果進行計算和分析，有效減少電網無功充電功率流動，提高上級變電站主變高壓側功率因數。

城市電網；高壓電纜；充電功率；無功補償裝置

0 引言

隨著我國城市化建設的不斷推進及電力工業發展，電力電纜在城市電網的建設與改造中得到更多的應用，電網電纜化具有美化環境、免受電力走廊制約、節約土地資源、不受自然氣象條件干擾、提高供電可靠性等優點［1］。

由于每公里電纜線路電容值較大，產生的充電功率比常規架空線路約高一個數量級，為更好地利用和調節電纜線路產生的充電無功容量，在電網中需要裝設一定容量的感性無功補償設備，以補償電網小負荷運行方式時電纜線路多余的充電無功功率［2-3］。當某一變電站高中壓進出線大部分或全部采用電纜線路時，所產生的充電無功就會對母線電壓和功率因數造成較大影響。因此，對電纜所產生的充電無功容量進行補償計算分析是十分必要的［4-6］。

針對濟南地區電網無功電壓的現狀，通過新改線路和現有無功補償裝置配置和運行經驗，計算高壓電網電纜產生的充電功率，以設計、運行和維護簡便為出發點，提出一種城市電網110 kV變電站無功補償裝置容量的工程算法，能對補償后的結果進行計算和分析，有利于平衡地區無功水平，減少電網無功充電功率流動，提高上級變電站主變高壓側功率因數。

1 城市高壓電纜充電功率影響的實例

220 kV電纜在交流電壓的作用下會產生較大的對地電容，相當于一個電容，電纜線路對地電容的變化直接影響到線路對系統的無功充電功率。濟南電網220 kV興姚線原為架空線路，因市政工程建設，濟南東部城區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約7.94 km，采用ZC-YJLW02-Z 127電纜，截面積為2 500 mm2，該型號電纜電容值為 0.235 2 μF／km。220 kV興姚線2014年1月線路改造完成送電，由濟南電網能量管理系統采集可得，線路空充送電時最大無功功率為36.1 Mvar，興姚線改造前線路空充送電時最大無功功率為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的充電無功即為30.74 Mvar。

由此可見，長距離220 kV高壓電網電纜線路的充電功率相當大，長時間運行的電纜線路每月吸入無功電量也非常大，其最主要的原因是電纜線路單位長度電容是架空線路20～30倍。因此，對電纜線路進行無功補償就顯得十分必要。

2 濟南電網無功電壓存在的主要問題

截至 2015年底，濟南電網電纜總長度為2 998.577 km，其中220 kV電纜長度已達57.308 km，110 kV電纜長度已達315.93 km，35 kV電纜長度已達24.672 km，10 kV電纜長度已達2 600.645 km，而220 kV架空線路總長為1 407.19 km。針對目前現狀，為更好地利用和調節電纜線路產生的充電無功容量，應在電網中需要裝設一定容量的感性無功補償設備，以補償電網小負荷運行方式時電纜線路多余的充電無功功率。

根據國網山東省電力公司要求，220 kV變電站主變高壓側不允許向主網倒送無功；低谷時段功率因數不得高于0.98，低谷時段母線電壓低于216 kV時，功率因數不得低于0.92；高峰時段功率因數不得小于0.92，高峰時段220 kV母線電壓高于232 kV時，功率因數也不得高于0.98。賢文站、南郊站等13個城區變電站因為城區220 kV、110 kV變電站進出線電纜化率高，充電無功大的原因，功率因數不達標，存在向主網倒送無功的現象，必須在本站及下級變電站加裝電抗器或SVC才有可能予以解決。

3 電抗器配置和運行相關原則

參照長距離架空線路無功補償的方式，對長距離電纜線路的無功充電功率，可以通過就地并聯電抗器進行無功補償［7-8］。并聯電抗器可以補償電纜線路的分布電容效應，能有效抑制電纜線路由于無功充電功率導致的電纜兩端電壓升高，而且并聯電抗器具有結構簡單、造價低、維護方便等優點。

3.1 無功補償要求

《國家電網公司電力系統無功補償配置技術原則》對變電站無功補償原則進行了要求和說明。

對大量采用10～220 kV電纜線路的城市電網，在新建110 kV及以上電壓等級的變電站時，應根據電纜進、出線情況，從電網規劃和變電設計把關，在變電站分散配置適當容量的感性無功補償裝置，220 kV變電站感性無功補償容量不宜大于主變容量的20%。

35～220 kV變電站，所配置的無功補償裝置，在主變最大負荷時其高壓側功率因數應不低于0.95，在低谷負荷時功率因數不應高于0.95，不低于0.92。

3.2 方案選擇

采用并聯電抗器、并聯電容器組合安裝的方案。高峰負荷時，投入電容器以保證功率因數和電壓質量，低谷負荷時，投入電抗器以吸收系統多余的無功，最終緩解無功倒送、功率因數不合格的問題。

容量選擇原則。感性無功補償主要是吸收系統充電功率，配置感性無功補償容量不宜大于主變容量的20%；采用全容量補償。在220 kV、110 kV變電站分散配置感性無功補償裝置；根據上述原則，按照電纜充電功率考慮配置感性無功補償設備。

新站初設配置。220 kV新建變電站，110 kV系統為全部或多數電纜出線時，按照電纜充電功率考慮配置感性無功補償設備；110 kV新建變電站進線電纜長度在2～6 km時，如上級220 kV變電站未加裝并聯電抗器，按照電纜充電功率考慮配置感性無功補償設備；應充分考慮電網發展，在遠期規劃中，應預留并聯電抗器的安裝位置。

主變型號選擇。新擴建時采用中低壓變比適宜的主變，提高電壓統籌調節能力和電抗器投入率。城區220 kV主變因中壓側線路因輸電距離短，不存在末端電壓下降問題，采用變比121 kV／10.5 kV變壓器易導致中低壓側母線電壓不宜協調，主變即使裝設電抗器也無法投入改善無功狀況，要求在新改擴建工程采用中低壓側變比115 kV／10.5 kV或121／11 kV變壓器，以同時滿足電抗器投運條件和母線電壓合格率。

4 110 kV變電站加裝電抗器無功補償容量

4.1 110 kV電力電纜對地工作電容值

對于單芯徑向場電力電纜，單位長度工作電容值為

式中：ε0為介電常數，8.85×10-12；εr為電纜絕緣介質的介電常數，交聯聚乙烯為2.3；r1為導線或者內導電層半徑；rF為絕緣半徑。

結合電纜廠家提供的110 kV／10 kV電力電纜電容參數，根據式（1）計算電纜對地工作電容值如表1所示。

表1 110 kV電力電纜電容參數表

4.2 系統概況及假設條件

根據系統接入方式，桃園變電站2回110 kV電源，一回來自黨家莊220 kV變電站，至本站電纜線路截面800 mm2規格的4.9 km；一回來自興隆220 kV變電站，至本站電纜線路截面 800 mm2規格的3.1 km。10 kV線路采用400 mm2截面電纜，平均出線長度2.5 km。

計算假設條件：用戶變電站10 kV側功率因數為0.95；忽略線路有功損耗；兩臺變壓器按分列運行分析；計算過程中電容器、電抗器均未投入，110 kV電力電纜充電功率流向負荷側。

本期110 kV側為內橋擴大內橋接線，在變電站正常運行時，橋開關打開，2回110 kV電源進線各帶1臺主變。

4.3 無功平衡計算分析

供電點電壓U1和負荷功率P+jQ已給定，包括歸算到高壓側的變壓器阻抗在內的線路總阻抗為R+jX，在未加補償裝置前若不計電壓降落的橫分量，則有

式中：U′2為歸算到高壓側的變壓器低壓母線電壓。

在變壓器低壓側設置容量為QC的無功補償設備后，網絡傳送到負荷點的無功功率變為Q－QC，這時變壓器低壓母線歸算到高壓側的電壓也相應變為U′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所需要的無功補償容量為

通過上述計算方法對桃園站1號、2號主變無功平衡計算分析如表2、表3所示。

表2 1號主變（至220 kV黨家莊站）無功平衡

4.4 無功補償裝置的配置

110 kV桃園變電站系統接線如圖1所示。變電站投運之初或負荷處于低谷時段時，1號主變在5 MW負荷情況下，220 kV黨家莊至桃園的110 kV線路有2.7 Mvar容性無功流向220 kV系統側；2號主變在5MW負荷情況下，220kV興隆至桃園的110kV線路有1.13 Mvar容性無功流向220 kV系統側，但容量很小，基本達到自然功率平衡狀態；隨著負荷增加，容性無功不會流向系統側。1號主變需配置6 Mvar電抗器。

圖1 110 kV桃園變電站系統接線

表3 2號主變（至220 kV興隆站）無功平衡

在1號主變負荷不大于40 MW，2號主變負荷不大于30 MW情況下，無需投入電容器即可滿足無功平衡要求，之后隨著負荷增加，需要逐漸增加無功補償容量。

在1號主變滿載、2號主變負荷不大于55 MW情況下，每臺主變配置4.8 Mvar的電容器組可滿足高壓側功率因數和無功平衡要求。

5 結語

隨著城市電網電纜線路的不斷增加，高壓電網電纜充電功率對電網的影響已引起各方面重視。通過實際線路改造、線路送電和現有電抗器配置和運行經驗，提出了一種城市電網110 kV變電站無功補償裝置容量的工程算法，能對補償后的結果進行計算和分析，合理配置無功補償裝置，有效減少電網無功充電功率流動，有利于提高220 kV變電站主變高壓側功率因數，避免出現無功充電功率造成的電網損耗和設備損壞的現象。

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

［2］麥海華．10 kV配電網熱備用電纜的無功計算及補償［J］．湖南農機，2011，38（1）：104，114.

［3］陳維賢.電網過電壓教程［M］.北京：中國電力出版社，1996.

［4］顏秋容，劉欣，王學鋒，等.鐵路10 kV電纜貫通線電容電流補償度研究［J］.鐵道學報，2006，28（2）：85-88.

［5］王顥，易東.青藏鐵路電纜貫通線并聯電抗器補償方式研究［J］.鐵道工程學報，2008，25（8）：67-70，74.

［6］王建文，段曉紅，王顥.青藏鐵路35 kV電纜供電線路仿真研究［J］.水電能源科學，2008，26（2）：164-166.

［7］徐俊.電力電纜施工、運行故障案例及分析［J］.高電壓技術，2004，30（S1）：89，93.

［8］藍毓俊.現代城市電網規劃設計與建設改造［M］.北京：中國電力出版社，2004.

Engineering Algorithm ofReactive Power Compensation Device Capacity for 110 kV Substation

LI Li，YIN Maolin，FAN 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，高級工程師，博士，從事電網調度運行與控制等工作；

尹茂林（1965），男，高級工程師，從事電網調度運行與控制等工作；

范永艷（1970），女，從事電網調度運行與控制等工作；

張兆笑（1971），男，工程師，從事電網調度運行與控制等工作。