35kV電纜容升效應的理論計算與數據復核

毛偉 沈磊 許鳴吉 劉嘉寶 姚璟杰

摘要：長電纜線路的容升效應會在低負荷時段造成35 kV開關站母線電壓、線路末端用戶電壓偏高，影響電壓合格率。現以上海市北電網所轄35 kV郊談3490和35 kV瀘伯3446電纜線路為例，通過理論計算和數據復核對35 kV電纜的容升效應做定量分析，研究結論為電力系統電纜線路過電壓的防治提供了參考。

關鍵詞：容升效應;電壓越限;母線電壓;理論計算;數據復核

0? ? 引言

隨著我國電力領域快速發展，供電范圍不斷擴大，電網中高壓電力電纜敷設里程也在不斷增加。電力電纜是用于傳輸和分配電能的電纜，常用于城市地下電網、發電站引出線路、工礦企業內部供電及過江海水下輸電線。在電網安全可靠運行中，電纜容升效應是較普遍的一類現象。2019年，市北電網所轄35 kV談家渡、伯士、寶林等十余座開關站35 kV母線出現電壓越上限（37.5 kV）現象，由于上級220 kV變電站內35 kV母線電壓越上限，且35 kV出線電纜有容升效應會抬高電纜末端電壓，所以下級35 kV開關站母線電壓勢必越上限更加嚴重。

下文以35 kV郊談3490和35 kV瀘伯3446電纜線路為例，建立長距離輸電線路等值電路模型，通過理論計算和數據復核對35 kV電纜的容升效應做定量分析，研究結論為電力系統電纜線路過電壓的防治提供了參考。

1? ? 容升效應現象

電力電纜的使用至今已有百余年歷史。電纜線路具有占地少，可靠性高，具有向超高壓、大容量發展的更為有利的條件，分布電容較大，維護工作量少，電擊可能性小等優點。電纜線路的容升現象十分普遍，容升效應，即所謂“電容效應”，它是指在串聯回路中有電容和電感時，如容抗大于感抗，在電源電動勢的作用下，容性電流在感抗上的壓降UL把容抗壓降UC抬高的一類現象。

隨著上海經濟的發展，城市電網迅速擴大，長電纜或長電纜與架空線串聯的線路增多。由于電纜的電容很大，電纜線路的容升效應遠遠大于架空線路，是同等長度架空線的15倍以上，因而由于線路的容升效應而影響的過電壓就會嚴重得多。再加上架空線與電纜相連，更增加了波在線路上傳播的復雜性，從而使這類線路的過電壓有了新的特點。市北部分地區35 kV、10 kV電纜線路多，無功充電容量大，會造成深夜低負荷時段用戶電壓偏高。即使220 kV變電站35 kV母線電壓不越限，由于長電纜線路的容升效應，在低負荷時段同樣會造成35 kV開關站母線電壓、線路末端用戶電壓偏高，影響電壓合格率。

2? ? 理論計算

對長距離輸電線路等值電路模型進行理論分析，對于高壓、長距離空載無損輸電線路，其分布參數的等值電路如圖1所示。圖1中，L0、C0為電纜線路單位長度的電感和電容。

根據圖1，距離線路末端x點的電壓、電流矩陣表達式為：

若線路長度為l，則線路首端的電壓U1和電流I1表達式為：

由于空載線路末端開路，所有電流I2=0，則由式（2）可得線路首、末端電壓關系式為：

或寫成：

ε12略大于1，即容升相對較小，但在線路較長的情況下，容升效應會變得比較嚴重。

目前，市北電網35 kV電纜線路的選型較為統一，其截面積、電抗和電容參數如表1所示。

將表1中電抗與電容參數代入式（4），可以得到35 kV該型號電纜末端電壓與電纜長度函數為：

假設35 kV該型號電纜首端電壓為37 kV，則末端電壓與電纜長度函數關系曲線如圖2所示。

3? ? 數據復核

為驗證上述理論計算的正確性與有效性，下文選擇電壓越限較嚴重的35 kV談家渡開關站進線郊談3490電纜線路和35 kV伯士開關站進線瀘伯3446電纜線路做數據復核。

3.1? ? 郊談3490電纜線路

西郊站35 kV五段母線上35 kV電纜出線郊談3490送談家渡開關站35 kV二段母線，郊談3490電纜線路全長1.66 km。

如圖3所示，從SCADA上讀取2020年1月15日郊談3490電纜首端的電壓值，即西郊站35 kV五段母線電壓實測值;從SCADA上讀取郊談3490電纜末端的電壓值，即談家渡開關站35 kV二段母線電壓實測值。郊談3490電纜末端較首端上升電壓大約0.13 kV。通過上述理論計算，得到談家渡開關站35 kV二段母線電壓預測值。兩者比較，預測值與實測值基本相似，驗證了上述理論計算的準確性。

3.2? ? 瀘伯3446電纜線路

瀘定站35 kV四段母線上35 kV電纜出線瀘伯3446送伯士開關站35 kV二段母線，瀘伯3446電纜線路全長3.92 km。

如圖4所示，從SCADA上讀取2020年1月15日瀘伯3446電纜首端的電壓值，即瀘定站35 kV四段母線電壓實測值;從SCADA上讀取瀘伯3446電纜末端的電壓值，即伯士開關站35 kV二段母線電壓實測值。瀘伯3446電纜末端較首端上升電壓大約0.5 kV。通過上述理論計算，得到談家渡開關站35 kV二段母線電壓預測值，較首端上升電壓大約0.6 kV。兩者比較，預測值與實測值較相似，誤差大約為0.1 kV，驗證了上述理論計算的準確性。

4? ? 電纜線路容升現象應對措施

（1）為抑制110 kV及以下電網無功倒送，可在110 kV及以下電網盡快開展配置電抗器的工作，并盡快推廣應用。

（2）隨著直流功率的大量輸入，上海電網大部分燃機甚至在夏季高峰期間被迫停運，影響相應分區甚至整個電網的動、靜態無功儲備。可推廣應用燃機低功率調相，以提高高峰時段動態無功儲備及低谷時的進相能力;根據國網公司要求，在直流落點站附近的變電站，有選擇地增設調相機。盡快實現奉賢直流站調相機投運，以在事故情況下穩定系統電壓。

（3）個別軌道交通用戶變電站已裝設感性無功補償裝置，這些感性無功補償裝置的投運對就地吸收電纜充電無功，防止無功倒送起到了積極作用。希望用電部門重點加強對該類用戶感性無功的管理，并在計費方式上做適當調整，以提高用戶裝設感性無功補償裝置的積極性。

5? ? 結論

電力電纜使用至今已有百余年歷史，在電網安全可靠運行中，電纜容升效應是較普遍的一類現象。長電纜線路的容升效應會在低負荷時段造成35 kV開關站母線電壓、線路末端用戶電壓偏高，影響電壓合格率。本文建立了長距離輸電線路等值電路模型，通過對郊談3490和瀘伯3446電纜容升效應的數據復核，驗證了理論計算的正確性與有效性。針對理論計算產生的誤差，可解釋為：

（1）公式中電纜參數為參考文獻中獲取，若能實際測量到市北電網35 kV電纜的電容和電抗數據，模型會更加精準;

（2）上文所建模型為空載無損電纜線路，在凌晨負荷低谷時較為精準，在白日負荷高峰時有一定誤差;

（3）SCADA傳輸的母線電壓數據可能與實測值有誤差。

本文對電纜容升效應作出了理論分析和數據復核，研究結論為電力系統電纜線路過電壓的防治提供了參考。

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收稿日期：2020-05-12

作者簡介：毛偉（1980—），男，上海人，助理工程師，正值調度員，主要從事電力規劃與調度工作。