城市電纜充電功率對無功平衡及電壓控制的影響研究

周 楚，王 濤，劉海光，曹 侃，蔡德福

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

城市電纜充電功率對無功平衡及電壓控制的影響研究

周 楚，王 濤，劉海光，曹 侃，蔡德福

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

城市電纜的廣泛應用帶來了大量的充電功率，導致電網無功功率充裕甚至過剩，引起系統電壓偏高，在小負荷方式下其影響尤為明顯。討論了電纜充電功率的理論計算，并結合具體實例分析了小負荷方式下電纜充電功率對電網無功平衡及電壓控制的影響，最后提出了加裝感性無功補償裝置等控制措施的建議。

城市電纜；充電功率；無功平衡；電壓控制

0 引言

近年來，隨著負荷的不斷增長，以及線路走廊的日益緊張，電纜在城區電網建設中得到了廣泛應用。由于電纜具有較大的等值對地電容，在小負荷方式下易出現充電功率過大導致無功反送的情況，引起系統電壓偏高甚至越限，不利于電網的安全穩定與經濟運行。

依據《電力系統電壓和無功電力技術導則》[1]規定：當系統輕負荷時，對220 kV變電所，在電纜線路較多且在切除并聯電容器組后，其一次母線功率因數高于0.98時，應裝設并聯電抗器。因此，有必要對小負荷方式下城市電纜充電功率對電網無功平衡和電壓控制的影響進行研究，并提出相關控制措施。

1 電纜充電功率理論計算

1.1 電纜充電功率計算推導

電纜與架空線路在材料、物理結構以及鋪設方式等方面存在較大差異。與架空線路相比，電纜單位長度的等值對地電容大，電纜的充電功率與其電壓等級、電纜截面與型號等因素有關，見公式（1）和（2）。

式中：XC為電纜等值對地電容的電抗值;QC為電纜充電功率;U為電纜等效電壓，在近似計算中可用供電母線電壓代替。額定電壓下，不同截面和電壓等級的電纜充電功率見表1。

表1 不同截面和電壓等級的電纜充電功率Tab.1 Cable charging power for different cross-sections and voltage levels

1.2 電纜充電功率計算實例

以湖北武漢鳳凰山供電區域為例，對其電纜充電功率進行計算分析。

1.2.1 鳳凰山供區電壓運行概況

鳳凰山供區2016年1～2月電壓水平整體偏高，各站點最高電壓均在236 kV以上，超電壓上限235 kV，見表2。其中，珞珈山站電壓最高，1月和2月最高電壓分別達到238.1 kV和238.7 kV，2月最高電壓超出電壓上限3.7 kV。

表2 鳳凰山供區2016年1～2月最高、最低電壓情況Tab.2 The highest and lowest voltage values from January to February in 2016 in Fenghuangshan area

1.2.2 鳳凰山供區電纜充電功率計算

以220 kV鳳凰山-珞珈山Ⅰ回線為例對其充電功率進行詳細計算。經核實，鳳珞線電纜分為三段，每段起止桿塔、型號及長度數據見表3。

表3 220 kV鳳珞Ⅰ回電纜起止位置、型號及長度Tab.3 Starting and ending positions,model and length of 220 kV Fengluo cable line

由鳳珞線電纜生產廠家提供電纜電容為0.172 μF/km。電纜容性電抗為

可計算出額定電壓下每公里電纜充電功率為

220 kV鳳凰山-珞珈山實際電纜長度為7.501 km。以小負荷方式典型時刻2016年2月13日6：35時為例，珞珈山站實際運行電壓237.8 kV，由此可計算出220 kV鳳凰山-珞珈山雙回線電纜充電功率理論值為45.8 Mvar。

供區內220 kV電纜充電功率情況見表4，鳳凰山供區電纜長度及充電功率情況見表5。

表4 鳳凰山供區220 kV電纜型號、長度Tab.4 220 kV cable model and length of Fenghuangshan area

表5 鳳凰山供區電纜長度及充電功率情況Tab.5 The cable length and charging power of Fenghuangshan area

由表5數據可知，近兩年鳳凰山供區電纜充電功率增加了127.1 Mvar。

2 電纜充電功率對無功電壓的影響

2.1 電網無功分層平衡情況

以2016年2月13日06：35時刻為例，分析鳳凰山供區層間無功平衡總體情況，便于分析供區內無功功率整體流向、無功補償及運行效果、電廠無功出力水平等。鳳凰山供區層間無功平衡情況見表6和圖1。

表6 鳳凰山供區層間無功平衡情況Tab.6 Interlayer reactive power balance ofFenghuangshan area

圖1 2016年2月13日06∶35時鳳凰山供區層間無功平衡情況（單位：MW、Mvar）Fig.1 Interlayer reactive balance of Fenghuangshan area at 6∶35 on February 13,2016

結合表6和圖1可知，鳳凰山供區220 kV無功功率主要是由220 kV電纜產生，并主要流向500 kV變電站。在電纜較多的供區，其充電功率是影響該區域內無功功率的主要因素。

2.2 電纜充電功率對電壓的影響

2016年2月13日6：35時，鳳凰山中壓側電壓236.5 kV，造成鳳凰山供區多座220 kV電壓越上限，其中珞珈山站電壓達到237.8 kV，高出上限電壓2.8 kV。該時刻電壓及詳細潮流情況如圖2所示（注：括號內數據為變電站高壓側潮流）。從圖2數據可知，鳳凰山供區鳳凰山-珞珈山雙回、鳳凰山-關山雙回等多條電纜線路反送無功功率較大。

將供區內考慮電纜充電功率前后各站點電壓情況進行對比，見表7。由表7可知：考慮電纜充電功率后，鳳凰山供區內站點電壓值上升1.7～2.4 kV，電纜充電功率是造成供區內電壓偏高的主要原因。

圖2 2016年2月13日6∶35時鳳凰山供區實際潮流圖(單位∶MW、Mvar、kV)Fig.2 Actual power flow diagram of Fenghuangshan area at 6∶35 on February 13,2016

表7 考慮電纜充電功率前后各站點電壓值對比Tab.7 Comparison of voltage values before and after considering the cable charging power

3 措施與對策

依據《電力系統無功補償配置技術原則》[2]規定：對進、出線以電纜為主的220 kV變電站，可根據電纜長度配置相應的感性無功補償裝置。對2016年2月13日6：35時潮流進行仿真模擬，分析現場數據，進行投入500 kV鳳凰山TCR、加裝低壓并聯電抗器、加裝SVG等措施的計算分析，從而找到改善鳳凰山供區內珞珈山等站電壓偏高問題的解決方案，計算結果如表8所示。

表8 各種降壓措施對比分析（單位：kV）Tab.8 Comparison of various voltage reduction measures

綜合表8計算結果可知，在鳳凰山供區內加裝60 Mvar感性無功補償裝置可保證系統無功平衡，有效控制供電電壓。

4 結語

在小負荷方式下，對于電纜線路較多的城區，易出現充電功率過大導致無功反送的情況，引起系統電壓偏高甚至越限。建議適當配置感性無功補償裝置以補償電纜的充電功率。設計部門在配置感性無功補償裝置時，應以小負荷方式下的電網數據為計算依據，充分考慮電纜充電功率造成的影響，以提高無功補償裝置配置的準確度。

（References）

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Study on Influence of Charging Power of Urban Cable on Reactive Power Balance and Voltage Control

ZHOU Chu，WANG Tao，LIU Haiguang，CAO Kan，CAI Defu
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute，Wuhan Hubei 430077，China)

The widespread use of urban cable has brought plentiful supply of charging power,causing sufficient or even excess reactive power and high system voltage,which is especially obvious during the light load period.In this paper,the theoretical calculation of the cable charging power is discussed in detail.Combined with concrete examples,the influence of cable charging power on reactive power balance and voltage control in the light load period is analyzed.Finally,the suggestions of control measures such as installing inductive reactive power compensation device are put forward.

urban cable；charging power；reactive power balance；voltage control

TM732

A

1006-3986(2017)03-0010-04

10.19308/j.hep.2017.03.003

2017-02-05

周 楚（1987），女，湖北松滋人，碩士，工程師。