城市電網(wǎng)電纜充電功率計(jì)算及補(bǔ)償研究

董 紅 郭 挺 高艷娜 郭子軒

（南方電網(wǎng)廣東廣州供電局，廣東 廣州510610）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，電纜在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，以廣州電網(wǎng)為例，截止2019 年底，110kV 及以上線路中電纜線路回?cái)?shù)占比達(dá)45%、線路長(zhǎng)度占比21%。相對(duì)架空線路，電纜具有阻抗較小、不受環(huán)境影響可靠性高、可大大改善市容市貌等優(yōu)點(diǎn)。但相對(duì)架空線路，電纜有較大的對(duì)地電容效應(yīng)，在交流電壓作用下產(chǎn)生容性無(wú)功功率，即對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生無(wú)功充電功率，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。尤其在節(jié)假日低谷負(fù)荷期間，電纜充電功率對(duì)系統(tǒng)電壓的影響更為明顯，有必要對(duì)電纜充電功率對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響進(jìn)行分析。

1 電纜的充電功率計(jì)算

電纜線路的π 型等值電路如圖1 所示：

圖1 線路π 型等值電路示意圖

π 型等值電路下，線路的充電功率計(jì)算如公式（1）所示：

式中：Qc為線路ij 的充電功率，Bij為線路對(duì)地電納，Ui、Uj為線路兩端電壓。

由公式（1）可見(jiàn)，電纜的充電功率與電纜的對(duì)地電納的大小及電壓等級(jí)的平方成正比。在實(shí)際的工程的近似計(jì)算中，通常采用的計(jì)算公式如公式（2）所示。

式中：Qc為線路充電功率；Xc為電纜等值對(duì)地電容的電抗值；U 為電纜等效電壓，在近似計(jì)算中可采用供電母線電壓。電纜充電功率與電纜截面和電壓等級(jí)有關(guān)，不同型號(hào)的電纜其充電功率也各不相同。基于廣州電網(wǎng)各電壓等級(jí)常用電纜型號(hào)，結(jié)合各截面電纜線路電容參數(shù)，利用公式（2）對(duì)10～220kV 交聯(lián)聚乙烯電纜單位長(zhǎng)度充電功率計(jì)算如表1 所示。

表1 10～220kV 交聯(lián)聚乙烯電纜單位長(zhǎng)度充電功率計(jì)算表單位：kvar

2 電纜充電功率對(duì)系統(tǒng)電壓的影響

由公式（1）及表1 可知，電纜的電壓等級(jí)越高、電纜截面越大、線路越長(zhǎng)，產(chǎn)生的無(wú)功充電功率越大，由于無(wú)功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)，將導(dǎo)致其他節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生變化。為進(jìn)一步分析充電功率對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，以供電廣州中新知識(shí)城的科北片區(qū)電網(wǎng)為研究模型（片區(qū)電網(wǎng)接線示意圖如圖2 所示，合計(jì)220kV 電纜長(zhǎng)度約160km），采用BPA 程序，對(duì)該局部系統(tǒng)在220kV 線路采用架空電纜型式，低谷負(fù)荷期間對(duì)近區(qū)220kV 節(jié)點(diǎn)無(wú)功電壓變化情況進(jìn)行研究。低谷負(fù)荷期間不同線路型式下近區(qū)電網(wǎng)220kV 節(jié)點(diǎn)電壓情況如表2 所示。

圖2 規(guī)劃某年科北供電片區(qū)電網(wǎng)接線示意圖

表2 科北供電片區(qū)各220kV 節(jié)點(diǎn)電壓情況 單位：kV

由表2 可知，當(dāng)線路采用電纜型式后，比采用采用架空型式電壓升高約18.9～21.7kV，升高比例約9%。其中，電纜線路較長(zhǎng)的山口站、漢田站（山口- 漢田2×22km、科北- 山口2×20km）電壓升高最大，分別升高20.2kV 和21.7kV。即電纜充電功率對(duì)系統(tǒng)電壓的影響較大。

3 電纜充電功率的補(bǔ)償

隨著城市電纜化率的不斷提高，電纜充電功率帶來(lái)的無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生影響。通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償可以改善電力系統(tǒng)無(wú)功平衡狀態(tài)，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量，同時(shí)降低電網(wǎng)運(yùn)行成本。

3.1 充電功率補(bǔ)償計(jì)算

對(duì)電纜充電功率的補(bǔ)償計(jì)算，主要是確定低谷負(fù)荷期將系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功率因數(shù)調(diào)至規(guī)程規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償容量。假定電纜充電功率為ΔQC，變電站低壓側(cè)需補(bǔ)償?shù)碾娍蛊魅萘繛镼L，電纜充電功率補(bǔ)償后變壓器高壓側(cè)的功率因數(shù)cosφ 計(jì)算如公式（3）所示：

根據(jù)南方電網(wǎng)公司《電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量和無(wú)功電力管理標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，變電站裝設(shè)的無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)避免大量無(wú)功電力穿越變壓器，35～220kV 變電站在低谷負(fù)荷時(shí)功率因數(shù)應(yīng)不高于0.95。即在系統(tǒng)低谷負(fù)荷期間，變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)cosφ≤0.95。據(jù)此，可以得出系統(tǒng)低谷負(fù)荷期補(bǔ)償電纜充電功率所需低壓無(wú)功補(bǔ)償容量QL的計(jì)算如公式（4）所示。

3.2 充電功率補(bǔ)償設(shè)備選擇

通常，系統(tǒng)的充電功率補(bǔ)償可以采用同步調(diào)相機(jī)，高、低壓并聯(lián)電抗器或者靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（如SVC、SVG）進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2.1 同步調(diào)相機(jī)

同步調(diào)相機(jī)可根據(jù)系統(tǒng)的需求，自動(dòng)在電網(wǎng)電壓下降時(shí)增加無(wú)功輸出，在電網(wǎng)電網(wǎng)上升時(shí)吸收無(wú)功功率，以維持電壓，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，是一種專門(mén)的無(wú)功功率發(fā)電機(jī)。它具有跟蹤速度快、補(bǔ)償范圍廣（容性、感性均可）、故障率低等優(yōu)點(diǎn)；但同步調(diào)相機(jī)也存在運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜、小容量調(diào)相機(jī)單位容量投入費(fèi)用較高等缺點(diǎn)。通常用于大型電網(wǎng)無(wú)功的大容量集中補(bǔ)償，容量一般大于10Mvar，多裝設(shè)在樞紐變電站、換流站等。

3.2.2 并聯(lián)電抗器

相比調(diào)相機(jī)，并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，設(shè)備投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都較小，具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)；高壓電抗器則一般直接接在高壓線路上，通過(guò)斷路器進(jìn)行投切，起到限制工頻過(guò)電壓及操作過(guò)電壓，降低了相應(yīng)設(shè)備的絕緣水平；低壓電抗器一般接在變電站低壓側(cè)母線上，造價(jià)低，操作方便。通常應(yīng)在低壓電抗器投切時(shí)所產(chǎn)生的本母線電壓波動(dòng)不宜大于額定值的2.5%。

3.2.3 靜止無(wú)功補(bǔ)償器

靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）是一種沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，將可控的電抗器和電容器并聯(lián)使用?？梢愿鶕?jù)無(wú)功的變化情況，對(duì)電抗器進(jìn)行快速精確調(diào)節(jié)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)。其缺點(diǎn)是本身會(huì)產(chǎn)生諧波，需配套配置電力濾波器。相對(duì)低壓電抗器，其造價(jià)較高，較多應(yīng)用于對(duì)于日負(fù)荷波動(dòng)較大或者缺少電壓支撐的地區(qū)。

3.2.4 靜止無(wú)功發(fā)生器

靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）是指自由換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。SVG 并聯(lián)在電網(wǎng)中相當(dāng)于可變的無(wú)功電流源，其無(wú)功電流可以靈活控制，自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無(wú)功功率。其響應(yīng)速度快、穩(wěn)定無(wú)功電壓效果好，在降低系統(tǒng)損耗、降低諧波、減少占地面積等方面均有較好優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)針對(duì)不同設(shè)備的技術(shù)特性及適用環(huán)境，結(jié)合系統(tǒng)需求合理選取無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備型式。

4 結(jié)論

電纜有較大的對(duì)地電容效應(yīng)，在交流電壓作用下對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生無(wú)功充電功率，進(jìn)而引起系統(tǒng)電壓偏高甚至越限，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。尤其在低谷負(fù)荷期間，電纜充電功率對(duì)系統(tǒng)電壓的影響更為明顯。需對(duì)系統(tǒng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電功率及無(wú)功平衡計(jì)算，并結(jié)合不同無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的技術(shù)特性及適用環(huán)境，提出改善電網(wǎng)無(wú)功電壓運(yùn)行的具體補(bǔ)償方案，以提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，同時(shí)提高電能質(zhì)量、降低電網(wǎng)運(yùn)行成本。