南水北調中線工程專網供電系統無功補償方式

陳輝　閏新　吳思宇

摘要：為解決南水北調中線干線工程35 kV專網供電系統運行中存在的功率因數過低、占用電力系統無功容量大、功率因數調整電費超額支出等實際問題，研究分析長距離多負荷節點供電系統無功補償方式的技術方案。針對沿渠35 kV輸電線路供電距離長、負荷節點多、電纜線路占比較大、電纜線路對地電容值較大的特點，采取在35 kV專網供電系統中進行集中補償與分散補償相結合的技術方案。在中心開關站安裝補償裝置SVC集中補償，在負荷節點降壓站斷路器站安裝固定電抗器分散補償。采取補償技術措施后，35 kV專網供電系統整體無功平衡，功率因數由原來的0.1- 0.4提高到0.96，滿足并優于國家電網公司規定的電能質量技術要求，降低了供電系統運行費用，經濟效益明顯。

關鍵詞：供電系統：功率因數;無功補償配置;集中補償;分散補償

中圖分類號：TM72

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.06.033

1 工程供電系統概況

南水北調中線一期工程包括總干渠和天津干渠，渠線總長1 432 km。其中總干渠長1 276 km、總干渠陶岔至石家莊段長釣1100 km渠道，所有沿線的分水口門、節制閘、退水閘、事故檢修閘及其他建筑物需要供電，沿線由35 kV中心開關站、35 kV降壓變電站及沿渠35 kV輸電線路等組成供電系統。總干渠河南段、河北段設35 kV供電系統專網，電源引自干渠沿線地區110-220 kV變電站中的35 kV母線，設置13座35 kV中心開關站，每座中心開關站從所在地區的電力系統中引1回或2回35 kV電源，由中心開關站引出2回35 kV線路分別向干渠上游、下游兩側敷設，在干渠負荷點處設35 kV/0.4 kV降壓變電站向負荷點供電，沿線13座35 kV中心開關站分布位置及其引接電源位置見表1[l]。

經調查并收集資料，獲得前10座35 kV中心開關站的電源線路所使用的架空線、電纜，上下游沿渠線路使用的架空線、電纜，供電負荷點的降壓變電站數量、變壓器容量等詳細技術數據，各中心開關站供電線路長度及正常供電負荷見表2。2供電系統運行中存在的問題及原因

截至2015年年底，南水北調中線工程總干渠35kV專網供電系統已運行la多時間，運行過程中發現以下3個方面的主要問題：

（1）沿線多數區段35 kV中心開關站功率因數偏低，如京石段35 kV供電系統平均功率因數為0.1 -0.2，鄭州須水河中心開關站供電系統平均功率因數為0.3 - 0.4，導致占用電力系統無功容量增大，電力公司征收額外的無功力調費用，電費額外支出增加。

（2）35 kV降壓站母線電壓高，部分中心開關站和降壓站的母線電壓超出標準要求范圍。電力設備長期運行在超出額定電壓的高電壓系統中，照明設備壽命縮短，高壓電氣設備易發生絕緣擊穿，且老化加快。

（3）35 kV專網供電系統無功容量過大，35 kV沿線供電線路和降壓站變壓器允許通過容量降低，線路及設備允許的有功功率減小，相應系統運行余量減少，可靠性下降[2]。

沿渠35 kV專網供電系統在可行性研究和初步設計階段，結合當地地理環境和電網分布，確定35 kV線路以架空線路為主，只有少量電纜應用在降壓站進、出線處和降壓站內部開關柜間連接處。施工設計階段，沿渠35 kV線路敷設路徑所處的地理環境發生很大的變化，35 kV線路與地方已建的各種線路如通信線、鐵路、公路、高速公路等交叉穿（跨）越多，與配套同步建設的公路橋、生產橋、左岸排水涵洞等交叉多，電纜線路長度占整個沿渠輸電線路長度比例增大，造成35kV專網供電系統對地電容增大。

3 解決供電系統存在問題的技術方案

供電系統運行中存在問題的根本解決方案，就是補償長距離架空供電線路和電纜線路對地電容，并且選擇合適的位置、形式和容量進行補償，解決方案主要遵循就地補償實現無功平衡的原則[3]。以具有代表性的區段雙洎河中心開關站至須水河倒虹吸中心開關站之間無功補償為理論模型，采用集中補償與分散補償相結合的技術方案，在中心開關站實施集中補償，采用動態無功連續補償裝置SVG（ Static Var Generator），負荷節點降壓站斷路器站（D1站、D2站）實施分散補償，采用固定電抗器補償方式。典型供電系統無功補償配置如圖1所示。

3.1 中心開關站（A站）集中補償

在中心開關站A站（A站代表雙洎河中心開關站）實施集中補償，采用動態無功連續補償裝置SVG，補償地點設置在A站母線.A站無功補償裝置SVG補償的范圍包括：

（I）A站至系統變電站間的電源線路（包括架空線路L5、電纜線路L6）對地電容呈現的無功容量QAl，該無功容量1 00%由A站無功補償裝置SVG補償。

（2）A站至下游側聯絡開關站M站（M站代表雙洎河中心開關站與須水河倒虹吸中心開關站之間的聯絡開關站）之間的沿渠輸電線路（包括架空線路L1、電纜線路L3）對地電容呈現的無功容量QA2，該無功容量30%由A站無功補償裝置SVG補償。

（3）A站至上游側聯絡開關站之間的沿渠輸電線路（包括架空線路、電纜線路）對地電容呈現的無功容量QA3，該無功容量30%由A站無功補償裝置SVG補償。

SVG補償容量計算公式如下：

QA=QAI+0.3（QA2+QA3）

（1）式中：QA為中心開關站（A站）SVG補償容量，kvar。

3.2 中心開關站（B站）集中補償

在中心開關站B站（B站代表須水河倒虹吸中心開關站）實施集中補償，采用動態無功連續補償裝置SVG，補償地點設置在B站母線，B站無功補償裝置SVG補償的范圍包括：

（1）B站至系統變電站間的電源線路（包括架空線路L7、電纜線路L8）對地電容呈現的無功容量QBI，該無功容量100%由A站無功補償裝置SVG補償。

（2）B站至上游側聯絡開關站M站之間的沿渠輸電線路（包括架空線路L2、電纜線路IA）對地電容呈現的無功容量QB2，該無功容量300-/0由B站無功補償裝置SVG補償。

（3）B站至下游側聯絡開關站之間的沿渠輸電線路（包括架空線路、電纜線路）對地電容呈現的無功容量QB3，該無功容量30%由B站無功補償裝置SVG補償。

SVG補償容量計算公式如下：

QB=QBI+0.3（ QB2+QB3）

（2）式中：QB為中心開關站（B站）SVG補償容量，kvar。

3.3 斷路器站（D1站）分散補償

在斷路器站D1站（D1站代表A站與M站之間的斷路器站）實施固定電抗器補償，斷路器站D1站設置在A站至下游側聯絡開關站（M站）沿渠輸電線路對地容性電流負荷中心，補償地點設置在D1站母線，電抗器補償范圍為A站至下游側聯絡開關站（M站）之間的沿渠輸電線路（包括架空線路L1、電纜線路L3）對地電容呈現的無功容量QD11，該無功容量70%由D1站無功補償裝置固定電抗器補償。

3.4 斷路器站（D2站）分散補償

在斷路器站D2站（D2站代表B站與M站之間的斷路器站）實施固定電抗器補償，斷路器站D2站設置在B站至上游側聯絡開關站（M站）沿渠輸電線路對地容性電流負荷中心，補償地點設置在D2站母線，電抗器補償的范圍為B站至上游側聯絡開關站（M站）之間的沿渠輸電線路（包括架空線路L2、電纜線路IA）對地電容呈現的無功容量QD21，該無功容量70%由D2站無功補償裝置固定電抗器補償。

4 結語

長距離多負荷節點供電系統無功補償方法，適合應用在呈線狀供電系統中電纜使用量較大的用電場所。結合南水北調中線干線沿渠35 kV供電系統“長距離、多負荷節點呈線狀供電”的特點，實施供電系統內部集中無功補償與分散無功補償相結合的技術方案。沿渠35 kV供電系統與沿線地方電網結算電費的中心開關站計費點共有13處，實施新方案之后，沿渠35 kV供電系統供電質量明顯提高，功率因數在0.95以上，用電費用明顯降低。

由于南水北調中線工程所有的電氣設備已經安裝完畢并投入運行，因此只能采用技術改造措施彌補工程存在的不足，在進一步總結經驗的基礎上，對新建類似工程提出以下建議：

（1）項目建設前期充分調研長距離多負荷節點工程的負荷分布，合理確定中心開關站、聯絡開關站、斷路器站的布置位置。中心開關站布置位置考慮電源點的引接、供電負荷范圍、供電負荷大小、供電距離等因素。聯絡開關站布置在兩中心開關站中間位置，斷路器站布置在沿渠輸電線路對地容性電流負荷中心，正常運行方式為聯絡開關站的斷路器為斷開狀態，各中心開關站供電半徑為兩中心開關站之間距離的一半。

（2）統計計算中心開關站與聯絡開關站之間的架空線路長度、電纜線路長度，計算線路對地電容的電氣中心位置，在線路對地電容的負荷中心位置設置斷路器站。

（3）按照集中補償與分散補償相結合的原則，計算各段（中心開關站至系統、中心開關站至聯絡開關站）線路對地電容的無功容量，實施SVG集中補償裝置承擔中心開關站至系統輸電線路100%的容性無功容量和中心開關站至聯絡開關站輸電線路30%的容性無功容量。分散固定電抗器補償承擔中心開關站至聯絡開關站輸電線路70%的容性無功容量。

參考文獻：

[1] 黃河勘測規劃設計研究院有限公司，南水北調中線一期工程總干渠工程須水河倒虹吸中心開關站35 kV無功補償設計方案報告[R].鄭州：黃河勘測規劃設計研究院有限公司，2015：2-3.

[2] 電力工業部電力規劃設計總院.電力系統設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998：220-225.

[3] 國家能源局.35 kV-220 kV變電站無功補償裝置設計技術規定：DL/T 5242-2010[S].北京：中國電力出版社，2010：5.