關(guān)于新準(zhǔn)鐵路110KV輸電線路反向無功問題的分析探討

白建龍

【摘 ?要】通過對(duì)新準(zhǔn)鐵路牽引變電所110kV供電線路產(chǎn)生反向無功以及功率因數(shù)偏低的原因分析，提出對(duì)應(yīng)的解決措施以及今后運(yùn)行中應(yīng)注意的問題。

【關(guān)鍵詞】110kV;架空線路;反向無功;功率因數(shù)

針對(duì)輸電電壓等級(jí)為110kV較長(zhǎng)供電距離的輸電線路，提出了一種考慮線路充電功率的無功補(bǔ)償策略，其在充分考慮線路充電功率的基礎(chǔ)上，利用輸電線路的π形等值電路，計(jì)算輸電線路上無功功率的分布情況，并以上級(jí)變電所計(jì)量的無功功率最小值為目標(biāo)函數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得出當(dāng)下級(jí)變電所電力負(fù)荷在空載和輕載時(shí)，通過增加或者減少無功補(bǔ)償裝置投用的容量，保證變電所在低功率因數(shù)方式下運(yùn)行，增大變電所的感性無功功率，從而達(dá)到?jīng)_減線路充電功率、控制反向無功功率、提高功率因數(shù)、降低力調(diào)電費(fèi)開支的目的，110kV輸電線路可以等效為線路串聯(lián)電抗和線路并聯(lián)電容組成的等效電路，線路較長(zhǎng)時(shí)，空載情況下等效電容存在容性無功損耗，導(dǎo)致系統(tǒng)空載時(shí)容性無功倒送。由于新準(zhǔn)鐵路公司牽引負(fù)荷偏小，110KV架空輸電線路長(zhǎng)期處于輕載、空載運(yùn)行，線路的充電功率在電力網(wǎng)絡(luò)無功功率中的比重相對(duì)較大。根據(jù)《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》中規(guī)定，電業(yè)部門按倒送的無功電量與實(shí)用無功電量?jī)烧叩慕^對(duì)值之和，計(jì)算月平均功率因數(shù)。如果忽略輸電線路的充電功率，新準(zhǔn)鐵路沿線牽引變電所功率因數(shù)難以保證在0.9以上，將會(huì)產(chǎn)生巨額的利率電費(fèi)。

一、新準(zhǔn)鐵路110KV輸電線路產(chǎn)生反向無功的原因分析

1、110kV架空輸電線路模型為串聯(lián)電抗、并聯(lián)電容組成的等效電路。輸電線路導(dǎo)線間及對(duì)地存在對(duì)地電容電流，當(dāng)線路帶有電壓時(shí)該電容會(huì)產(chǎn)生充電功率（容性），線路的充電功率與電容電流的平方成正比。線路空載或者輕載時(shí)，系統(tǒng)電壓本身處于較高水平，線路出現(xiàn)的過剩容性無功會(huì)進(jìn)一步抬升系統(tǒng)電壓。

經(jīng)查表得新準(zhǔn)鐵路輸電線路每百公里的充電功率為3.43Mvar。（線路參數(shù)：電壓等級(jí)110kV、線路型號(hào)LGJ-300）。空載熱備用線路存在反向無功是客觀存在的，其值的大小與電壓等級(jí)和線路長(zhǎng)度成正比。

2、新準(zhǔn)鐵路沿線共建有4座牽引變電所，分別為海勒斯壕南牽引所、四道柳牽引所、納林川牽引所、三道渠牽引所。目前除三道渠牽引變電所尚未送電開通外，其余三座都已帶電投運(yùn)。每座牽引變電所均設(shè)計(jì)有兩回110kV輸電線路，一回主用，另一回?zé)醾溆谩０藯l輸電線路分別來自地方電業(yè)局五座上級(jí)變電站，已帶電運(yùn)行的由五條，線路信息見下表。

從表中可見，作為主用電源的165蓮海牽線、155川柳牽線、154川納牽線線路長(zhǎng)度均在35KM以上，作為備用電源的164蓮四牽線甚至達(dá)到70KM，在空載或者輕載狀態(tài)下八條輸電線路產(chǎn)生的充電功率不可忽視。

2、新準(zhǔn)鐵路為運(yùn)煤專線，線路自包神鐵路巴圖塔站引出，接入大準(zhǔn)鐵路點(diǎn)岱溝站。其中巴圖塔至海勒斯壕南段為單線，限制坡度為13‰，海勒斯壕南至點(diǎn)岱溝段占據(jù)線路全長(zhǎng)的90%，該區(qū)段上行為重車方向，限制坡度為4‰，下行為空車方向，限制坡度為12‰。受煤炭市場(chǎng)不景氣的影響，新準(zhǔn)鐵路自開通運(yùn)營(yíng)以來其設(shè)計(jì)運(yùn)量與實(shí)際運(yùn)量懸殊較大，行車密度較小，日均行車對(duì)數(shù)不足10對(duì)。因此，輸電線路大部分時(shí)間處于空載或者輕載狀態(tài)，有功負(fù)荷偏小。

3、新準(zhǔn)鐵路牽引變電所四座牽引變電所在27.5KV側(cè)A相母線、B相母線分別設(shè)有一套SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，每套無功補(bǔ)償裝置由固定補(bǔ)償電容支路和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償SVG支路組成。由于新準(zhǔn)鐵路當(dāng)前運(yùn)量較小，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置只投入SVG支路運(yùn)行，在27.5kV母線側(cè)采集電壓和電流，僅可以保證進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)滿足電業(yè)局要求。而電業(yè)局的計(jì)量點(diǎn)位于上級(jí)變電站出口間隔處，110KV輸電線路的無功無法補(bǔ)償，因此導(dǎo)致空載時(shí)容性無功倒送。

二、友鄰鐵路情況調(diào)研

經(jīng)調(diào)研附近的包神鐵路、神朔鐵路、準(zhǔn)東鐵路和東烏鐵路，這四條鐵路均存在反向無功現(xiàn)象。

1、包神鐵路、神朔鐵路因貨運(yùn)量大，機(jī)車消耗有功電量數(shù)額大，反向無功電量占比小，所以功率因數(shù)能保持在0.9以上;

2、準(zhǔn)東鐵路只有一個(gè)牽引變電所輸電線路存在反向無功現(xiàn)象，通過無功補(bǔ)償裝置廠家調(diào)整SVG設(shè)備參數(shù)，并將沿線4座牽引變電所有功、無功電量統(tǒng)一計(jì)算，勉強(qiáng)保證了功率因數(shù)達(dá)標(biāo);

3、東烏鐵路通過移交電源線路資產(chǎn)，將計(jì)量點(diǎn)變更到牽引變電所進(jìn)線側(cè)，線路反向無功部分由電業(yè)局承擔(dān)，避免力率電費(fèi)的產(chǎn)生。

三、無功補(bǔ)償?shù)脑瓌t

無功補(bǔ)償應(yīng)按國(guó)家有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，變電所還要滿足電網(wǎng)的技術(shù)原則。

1）電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償應(yīng)按分（電壓）層分（供電）區(qū)基本平衡的原則進(jìn)行配置。分（電壓）層無功平衡的重點(diǎn)是110kV及以上電壓等級(jí)層面的無功平衡，分（供電）區(qū)就地平衡的重點(diǎn)是110kV及以下配電系統(tǒng)的無功平衡。無功補(bǔ)償配置應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)情況，實(shí)施分散就地補(bǔ)償與變電站集中補(bǔ)償相結(jié)合，電網(wǎng)補(bǔ)償與用戶補(bǔ)償相結(jié)合，高壓補(bǔ)償與低壓補(bǔ)償相結(jié)合，滿足降損和調(diào)壓的需要。

2）變電站應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)規(guī)劃和電源建設(shè)，合理配置適當(dāng)規(guī)模、類型的無功補(bǔ)償裝置。所裝設(shè)的無功補(bǔ)償裝置應(yīng)不引起系統(tǒng)諧波明顯放大，并應(yīng)避免大量的無功電力穿越變壓器。

3）110kV變電所無功補(bǔ)償以補(bǔ)償主變壓器無功損耗為主，并適當(dāng)補(bǔ)償部分線路的無功損耗。根據(jù)《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》（SD 325-1989），補(bǔ)償容量可按主變壓器容量的0.10～0.30確定，并滿足110kV主變壓器最大負(fù)荷時(shí)，其二次側(cè)功率因數(shù)110kV不低于0.95，35kV、10kV不低于0.9。

4）對(duì)于大量采用10kV～110kV電纜線路的牽引供電網(wǎng)，在新建110kV及以上電壓等級(jí)的變電站時(shí)，應(yīng)根據(jù)電纜進(jìn)、出線情況在相關(guān)變電站分散配置適當(dāng)容量的感性無功補(bǔ)償裝置。

110kV變電站無功補(bǔ)償計(jì)算，在110kV變電站的設(shè)計(jì)中，變電站無功補(bǔ)償以補(bǔ)償主變壓器無功損耗為主，并適當(dāng)補(bǔ)償部分線路的無功損耗。一般新建110kV變電站無功補(bǔ)償計(jì)算為例。例如終期建設(shè)2×40MVA，本期1×40MVA。主變壓器主要參數(shù)：額定容量40/40/40MVA;額定電壓：110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5kV;阻抗電壓：Ud1-2=10.5%，Ud1-3=17.5%，Ud2-3=6.5%。110kV、35kV和10kV側(cè)功率因數(shù)分別按0.95、0.9和0.9，變電站負(fù)載率按75%計(jì)算，35kV、10kV側(cè)負(fù)荷按各占負(fù)荷容量的一半考慮。

四、解決方案

新準(zhǔn)鐵路多次聯(lián)系電業(yè)局調(diào)取110KV線路的無功曲線和瞬時(shí)值，收集牽引變電所運(yùn)行電壓、電流值，查看無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)。與設(shè)計(jì)院、無功補(bǔ)償裝置廠家積極溝通，提供各類現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)，希望盡快找到解決方案。

最終，無功補(bǔ)償裝置廠家提出可通過調(diào)節(jié)SVG控制系統(tǒng)參數(shù)對(duì)空載時(shí)的容性無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)上級(jí)變電站計(jì)量點(diǎn)的無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使功率因數(shù)達(dá)標(biāo)的方案。參數(shù)設(shè)置實(shí)際上是更改了SVG設(shè)備輸出的實(shí)際無功功率。

1、如果 SVG 輸出感性無功電流：

實(shí)際輸出無功 = 檢測(cè)無功 + 感性無功偏移系數(shù) × 設(shè)備容量;

2、如果 SVG 輸出容性無功電流：

實(shí)際輸出無功 = 檢測(cè)無功 + 容性無功偏移系數(shù) × 設(shè)備容量;

海勒斯壕南變電所內(nèi)兩套SVG設(shè)備的容量和均為11.6Mvar，而對(duì)應(yīng)的上級(jí)110kV輸電線路空載容性無功功率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)約為1.5Mvar，因此設(shè)置無功偏移系數(shù)為0.13。四道柳變電所內(nèi)兩套SVG設(shè)備的容量和均為12.4Mvar，而對(duì)應(yīng)的上級(jí)110kV輸電線路空載容性無功功率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)約為2.48Mvar，因此設(shè)置無功偏移系數(shù)為0.2。納林川變電所內(nèi)兩套SVG設(shè)備的容量和均為12.4Mvar，而對(duì)應(yīng)的上級(jí)110kV輸電線路空載容性無功功率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)約為2.11Mvar，因此設(shè)置無功偏移系數(shù)為0.17。后續(xù)觀察可根據(jù)結(jié)果繼續(xù)進(jìn)行微小調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳效果。

五、幾點(diǎn)思考

1、在設(shè)計(jì)牽引變電所電源線路時(shí)就要對(duì)負(fù)荷大小、供電距離、供電電壓等級(jí)等進(jìn)行認(rèn)真分析，綜合考慮，盡量選擇距離較近的上級(jí)變電站，盡量避免線路空載或輕載現(xiàn)象。再者，在設(shè)計(jì)無功補(bǔ)償裝置時(shí)，也應(yīng)考慮線路容性無功，以免運(yùn)行后補(bǔ)償裝置容量無冗余。

2、當(dāng)鐵路運(yùn)量增長(zhǎng)，牽引負(fù)荷有功電量持續(xù)增大時(shí)，反向無功占比較小或者可以忽略不計(jì)時(shí)，可考慮調(diào)小SVG設(shè)備無功偏移系數(shù)，甚至設(shè)置偏移系數(shù)為0。

3、由于SVG設(shè)備安裝在27.5KV側(cè)，當(dāng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行而110KV輸電線路仍帶電運(yùn)行時(shí)，是無法對(duì)110kV輸電線路空載容性無功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹Ｒ虼耍瑧?yīng)盡可能避免長(zhǎng)時(shí)間退出動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置SVG設(shè)備。

4、當(dāng)三道渠牽引變電所送電投運(yùn)時(shí)，應(yīng)考慮反向無功問題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)估算110KV線路的空載容性無功功率，送電后及時(shí)設(shè)置無功偏移系數(shù)，并持續(xù)觀察進(jìn)行微調(diào)。

5、可借鑒東烏鐵路的解決辦法，向電業(yè)局移交線路資產(chǎn)，將計(jì)量點(diǎn)變更在牽引變電所進(jìn)線側(cè)，線路反向無功部分由電業(yè)局承擔(dān)。

與電業(yè)局建立良好的溝通機(jī)制，協(xié)商熱備用線路的反向無功部分不納入功率因數(shù)考核。

（作者單位：神華包神鐵路公司）