南水北調(diào)中線工程專網(wǎng)供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方式

陳輝　閏新　吳思宇

摘要：為解決南水北調(diào)中線干線工程35 kV專網(wǎng)供電系統(tǒng)運(yùn)行中存在的功率因數(shù)過(guò)低、占用電力系統(tǒng)無(wú)功容量大、功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)超額支出等實(shí)際問(wèn)題，研究分析長(zhǎng)距離多負(fù)荷節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方式的技術(shù)方案。針對(duì)沿渠35 kV輸電線路供電距離長(zhǎng)、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)多、電纜線路占比較大、電纜線路對(duì)地電容值較大的特點(diǎn)，采取在35 kV專網(wǎng)供電系統(tǒng)中進(jìn)行集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合的技術(shù)方案。在中心開(kāi)關(guān)站安裝補(bǔ)償裝置SVC集中補(bǔ)償，在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)降壓站斷路器站安裝固定電抗器分散補(bǔ)償。采取補(bǔ)償技術(shù)措施后，35 kV專網(wǎng)供電系統(tǒng)整體無(wú)功平衡，功率因數(shù)由原來(lái)的0.1- 0.4提高到0.96，滿足并優(yōu)于國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)定的電能質(zhì)量技術(shù)要求，降低了供電系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng)：功率因數(shù);無(wú)功補(bǔ)償配置;集中補(bǔ)償;分散補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TM72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.06.033

1 工程供電系統(tǒng)概況

南水北調(diào)中線一期工程包括總干渠和天津干渠，渠線總長(zhǎng)1 432 km。其中總干渠長(zhǎng)1 276 km、總干渠陶岔至石家莊段長(zhǎng)釣1100 km渠道，所有沿線的分水口門(mén)、節(jié)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(kāi)關(guān)站、35 kV降壓變電站及沿渠35 kV輸電線路等組成供電系統(tǒng)。總干渠河南段、河北段設(shè)35 kV供電系統(tǒng)專網(wǎng)，電源引自干渠沿線地區(qū)110-220 kV變電站中的35 kV母線，設(shè)置13座35 kV中心開(kāi)關(guān)站，每座中心開(kāi)關(guān)站從所在地區(qū)的電力系統(tǒng)中引1回或2回35 kV電源，由中心開(kāi)關(guān)站引出2回35 kV線路分別向干渠上游、下游兩側(cè)敷設(shè)，在干渠負(fù)荷點(diǎn)處設(shè)35 kV/0.4 kV降壓變電站向負(fù)荷點(diǎn)供電，沿線13座35 kV中心開(kāi)關(guān)站分布位置及其引接電源位置見(jiàn)表1[l]。

經(jīng)調(diào)查并收集資料，獲得前10座35 kV中心開(kāi)關(guān)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(fù)荷點(diǎn)的降壓變電站數(shù)量、變壓器容量等詳細(xì)技術(shù)數(shù)據(jù)，各中心開(kāi)關(guān)站供電線路長(zhǎng)度及正常供電負(fù)荷見(jiàn)表2。2供電系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題及原因

截至2015年年底，南水北調(diào)中線工程總干渠35kV專網(wǎng)供電系統(tǒng)已運(yùn)行l(wèi)a多時(shí)間，運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以下3個(gè)方面的主要問(wèn)題：

（1）沿線多數(shù)區(qū)段35 kV中心開(kāi)關(guān)站功率因數(shù)偏低，如京石段35 kV供電系統(tǒng)平均功率因數(shù)為0.1 -0.2，鄭州須水河中心開(kāi)關(guān)站供電系統(tǒng)平均功率因數(shù)為0.3 - 0.4，導(dǎo)致占用電力系統(tǒng)無(wú)功容量增大，電力公司征收額外的無(wú)功力調(diào)費(fèi)用，電費(fèi)額外支出增加。

（2）35 kV降壓站母線電壓高，部分中心開(kāi)關(guān)站和降壓站的母線電壓超出標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。電力設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行在超出額定電壓的高電壓系統(tǒng)中，照明設(shè)備壽命縮短，高壓電氣設(shè)備易發(fā)生絕緣擊穿，且老化加快。

（3）35 kV專網(wǎng)供電系統(tǒng)無(wú)功容量過(guò)大，35 kV沿線供電線路和降壓站變壓器允許通過(guò)容量降低，線路及設(shè)備允許的有功功率減小，相應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行余量減少，可靠性下降[2]。

沿渠35 kV專網(wǎng)供電系統(tǒng)在可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境和電網(wǎng)分布，確定35 kV線路以架空線路為主，只有少量電纜應(yīng)用在降壓站進(jìn)、出線處和降壓站內(nèi)部開(kāi)關(guān)柜間連接處。施工設(shè)計(jì)階段，沿渠35 kV線路敷設(shè)路徑所處的地理環(huán)境發(fā)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(shè)的公路橋、生產(chǎn)橋、左岸排水涵洞等交叉多，電纜線路長(zhǎng)度占整個(gè)沿渠輸電線路長(zhǎng)度比例增大，造成35kV專網(wǎng)供電系統(tǒng)對(duì)地電容增大。

3 解決供電系統(tǒng)存在問(wèn)題的技術(shù)方案

供電系統(tǒng)運(yùn)行中存在問(wèn)題的根本解決方案，就是補(bǔ)償長(zhǎng)距離架空供電線路和電纜線路對(duì)地電容，并且選擇合適的位置、形式和容量進(jìn)行補(bǔ)償，解決方案主要遵循就地補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)無(wú)功平衡的原則[3]。以具有代表性的區(qū)段雙洎河中心開(kāi)關(guān)站至須水河倒虹吸中心開(kāi)關(guān)站之間無(wú)功補(bǔ)償為理論模型，采用集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合的技術(shù)方案，在中心開(kāi)關(guān)站實(shí)施集中補(bǔ)償，采用動(dòng)態(tài)無(wú)功連續(xù)補(bǔ)償裝置SVG（ Static Var Generator），負(fù)荷節(jié)點(diǎn)降壓站斷路器站（D1站、D2站）實(shí)施分散補(bǔ)償，采用固定電抗器補(bǔ)償方式。典型供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置如圖1所示。

3.1 中心開(kāi)關(guān)站（A站）集中補(bǔ)償

在中心開(kāi)關(guān)站A站（A站代表雙洎河中心開(kāi)關(guān)站）實(shí)施集中補(bǔ)償，采用動(dòng)態(tài)無(wú)功連續(xù)補(bǔ)償裝置SVG，補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)設(shè)置在A站母線.A站無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG補(bǔ)償?shù)姆秶ǎ?/p>

（I）A站至系統(tǒng)變電站間的電源線路（包括架空線路L5、電纜線路L6）對(duì)地電容呈現(xiàn)的無(wú)功容量QAl，該無(wú)功容量1 00%由A站無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG補(bǔ)償。

（2）A站至下游側(cè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站M站（M站代表雙洎河中心開(kāi)關(guān)站與須水河倒虹吸中心開(kāi)關(guān)站之間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站）之間的沿渠輸電線路（包括架空線路L1、電纜線路L3）對(duì)地電容呈現(xiàn)的無(wú)功容量QA2，該無(wú)功容量30%由A站無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG補(bǔ)償。

（3）A站至上游側(cè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站之間的沿渠輸電線路（包括架空線路、電纜線路）對(duì)地電容呈現(xiàn)的無(wú)功容量QA3，該無(wú)功容量30%由A站無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG補(bǔ)償。

SVG補(bǔ)償容量計(jì)算公式如下：

QA=QAI+0.3（QA2+QA3）

（1）式中：QA為中心開(kāi)關(guān)站（A站）SVG補(bǔ)償容量，kvar。

3.2 中心開(kāi)關(guān)站（B站）集中補(bǔ)償

在中心開(kāi)關(guān)站B站（B站代表須水河倒虹吸中心開(kāi)關(guān)站）實(shí)施集中補(bǔ)償，采用動(dòng)態(tài)無(wú)功連續(xù)補(bǔ)償裝置SVG，補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)設(shè)置在B站母線，B站無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG補(bǔ)償?shù)姆秶ǎ?/p>

（1）B站至系統(tǒng)變電站間的電源線路（包括架空線路L7、電纜線路L8）對(duì)地電容呈現(xiàn)的無(wú)功容量QBI，該無(wú)功容量100%由A站無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG補(bǔ)償。

（2）B站至上游側(cè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)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(duì)地電容呈現(xiàn)的無(wú)功容量QB2，該無(wú)功容量300-/0由B站無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG補(bǔ)償。

（3）B站至下游側(cè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站之間的沿渠輸電線路（包括架空線路、電纜線路）對(duì)地電容呈現(xiàn)的無(wú)功容量QB3，該無(wú)功容量30%由B站無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG補(bǔ)償。

SVG補(bǔ)償容量計(jì)算公式如下：

QB=QBI+0.3（ QB2+QB3）

（2）式中：QB為中心開(kāi)關(guān)站（B站）SVG補(bǔ)償容量，kvar。

3.3 斷路器站（D1站）分散補(bǔ)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(shí)施固定電抗器補(bǔ)償，斷路器站D1站設(shè)置在A站至下游側(cè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站（M站）沿渠輸電線路對(duì)地容性電流負(fù)荷中心，補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)設(shè)置在D1站母線，電抗器補(bǔ)償范圍為A站至下游側(cè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)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(duì)地電容呈現(xiàn)的無(wú)功容量QD11，該無(wú)功容量70%由D1站無(wú)功補(bǔ)償裝置固定電抗器補(bǔ)償。

3.4 斷路器站（D2站）分散補(bǔ)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(shí)施固定電抗器補(bǔ)償，斷路器站D2站設(shè)置在B站至上游側(cè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站（M站）沿渠輸電線路對(duì)地容性電流負(fù)荷中心，補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)設(shè)置在D2站母線，電抗器補(bǔ)償?shù)姆秶鸀锽站至上游側(cè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)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(duì)地電容呈現(xiàn)的無(wú)功容量QD21，該無(wú)功容量70%由D2站無(wú)功補(bǔ)償裝置固定電抗器補(bǔ)償。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)距離多負(fù)荷節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方法，適合應(yīng)用在呈線狀供電系統(tǒng)中電纜使用量較大的用電場(chǎng)所。結(jié)合南水北調(diào)中線干線沿渠35 kV供電系統(tǒng)“長(zhǎng)距離、多負(fù)荷節(jié)點(diǎn)呈線狀供電”的特點(diǎn)，實(shí)施供電系統(tǒng)內(nèi)部集中無(wú)功補(bǔ)償與分散無(wú)功補(bǔ)償相結(jié)合的技術(shù)方案。沿渠35 kV供電系統(tǒng)與沿線地方電網(wǎng)結(jié)算電費(fèi)的中心開(kāi)關(guān)站計(jì)費(fèi)點(diǎn)共有13處，實(shí)施新方案之后，沿渠35 kV供電系統(tǒng)供電質(zhì)量明顯提高，功率因數(shù)在0.95以上，用電費(fèi)用明顯降低。

由于南水北調(diào)中線工程所有的電氣設(shè)備已經(jīng)安裝完畢并投入運(yùn)行，因此只能采用技術(shù)改造措施彌補(bǔ)工程存在的不足，在進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)新建類似工程提出以下建議：

（1）項(xiàng)目建設(shè)前期充分調(diào)研長(zhǎng)距離多負(fù)荷節(jié)點(diǎn)工程的負(fù)荷分布，合理確定中心開(kāi)關(guān)站、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站、斷路器站的布置位置。中心開(kāi)關(guān)站布置位置考慮電源點(diǎn)的引接、供電負(fù)荷范圍、供電負(fù)荷大小、供電距離等因素。聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站布置在兩中心開(kāi)關(guān)站中間位置，斷路器站布置在沿渠輸電線路對(duì)地容性電流負(fù)荷中心，正常運(yùn)行方式為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站的斷路器為斷開(kāi)狀態(tài)，各中心開(kāi)關(guān)站供電半徑為兩中心開(kāi)關(guān)站之間距離的一半。

（2）統(tǒng)計(jì)計(jì)算中心開(kāi)關(guān)站與聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站之間的架空線路長(zhǎng)度、電纜線路長(zhǎng)度，計(jì)算線路對(duì)地電容的電氣中心位置，在線路對(duì)地電容的負(fù)荷中心位置設(shè)置斷路器站。

（3）按照集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合的原則，計(jì)算各段（中心開(kāi)關(guān)站至系統(tǒng)、中心開(kāi)關(guān)站至聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站）線路對(duì)地電容的無(wú)功容量，實(shí)施SVG集中補(bǔ)償裝置承擔(dān)中心開(kāi)關(guān)站至系統(tǒng)輸電線路100%的容性無(wú)功容量和中心開(kāi)關(guān)站至聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站輸電線路30%的容性無(wú)功容量。分散固定電抗器補(bǔ)償承擔(dān)中心開(kāi)關(guān)站至聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)站輸電線路70%的容性無(wú)功容量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，南水北調(diào)中線一期工程總干渠工程須水河倒虹吸中心開(kāi)關(guān)站35 kV無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案報(bào)告[R].鄭州：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，2015：2-3.

[2] 電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1998：220-225.

[3] 國(guó)家能源局.35 kV-220 kV變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定：DL/T 5242-2010[S].北京：中國(guó)電力出版社，2010：5.