10k V電纜超長距離供電的電壓和無功補(bǔ)償技術(shù)研究

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1 引言

在我國有很多高壓配電網(wǎng)采用的供電電網(wǎng)系統(tǒng)都是10k V的，這類電網(wǎng)系統(tǒng)有一個(gè)特點(diǎn)，對(duì)于短距離的供電，有足夠的安全保障。當(dāng)供電距離超過一定長度時(shí)，則會(huì)在供電系統(tǒng)中存在一些安全問題。以此，為了保障電力輸送的安全性以及可靠性，當(dāng)前我國10k V電網(wǎng)系統(tǒng)的架空線路供電半徑大多在15km以內(nèi)，電纜線路的供電半徑則在10km以內(nèi)。由于我國地理位置相對(duì)遼闊，人員密集程度也不一樣，在南方城市，由于人員居住相對(duì)比較集中，不太需要10k V電纜的超長距離供電。但是在我國一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，以及西北部地區(qū)，人員的居住比較分散，10k V箱式變電站的負(fù)荷和10k V的變電站之間距離會(huì)達(dá)到幾十公里，此時(shí)就容易產(chǎn)生電壓和無功功率方面的問題。因此，需要進(jìn)行無功補(bǔ)償配置。

2 10k V電纜載流量及參數(shù)介紹

眾所周知，電通過導(dǎo)體時(shí)的電流參數(shù)和導(dǎo)體的截面積有著密切的關(guān)系。在10k V電路系統(tǒng)中也一樣，電纜的截面積大小直接影響到了電纜的載電流值。以外界環(huán)境溫度為20°C來說明其對(duì)應(yīng)的關(guān)系，選取截面積為35平方毫米和1150平方毫米的鋁芯和銅芯，鋁芯的載流量分別為100A和227A，熱穩(wěn)極限值為1.732MVA和3.932MVA；而銅芯的載電流分別為129A和289A，熱穩(wěn)極限則分別為2.234MVA和5.005MVA。[1]

鋁芯和銅芯這兩種材料，不同截面積時(shí)的電阻、感抗和電容大小也有所差異。在10k V電纜中，由于電阻較大，電抗較小，電容值較大，在電力運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的充電功率。同樣以截面積為35平方毫米和150平方毫米的鋁芯和銅芯這兩種材料為例，35平方毫米截面積時(shí)，鋁芯的電阻為1.019，感抗為0.113，電容為0.172，而截面積150mm2時(shí)，電阻為0.238，感抗為0.093，電容為0.283；當(dāng)電纜材質(zhì)為銅線時(shí)，截面積35平方毫米的電阻為0.622，感抗為0.113，電容為0.172；截面積是150平方毫米時(shí)，電阻為0.145，感抗為0.093，電容為0.283.[1]

3 10k V電纜電壓降、充電功率及損耗

為了更好地理解在10k V電纜線中電壓降、充電率和損耗之間的關(guān)系，假設(shè)10k V變電站的距離為49km、電纜中金屬材質(zhì)為鋁芯、截面積為300平方毫米、10k V箱變負(fù)荷功率為3000kW，計(jì)算分析如下：

3.1 10k V電纜電壓降計(jì)算 電壓降計(jì)算公式為△U≈(PR0+QX0)*L/U，計(jì)算式子中，P指10k V的箱變高壓側(cè)的有功負(fù)荷，而Q則指無功負(fù)荷，它們對(duì)應(yīng)的值分別為3000kW和984kvar，R0指10k V電纜在嘚長度中的電阻值，X0則代表著相應(yīng)的電抗，本計(jì)算中值分別為0.104Ω/km和0.084Ω/km，L為10k V電纜線路的長度，即40km，U值為基準(zhǔn)電壓(即10k V)，根據(jù)這些計(jì)算公司即可算出10k V的電纜線路首末端的電壓降值。通過上述值來計(jì)算，得出在該40km電纜線路的首末端電壓降值為1.58k V。

3.2 10k V電纜充電功率計(jì)算 充電功率的計(jì)算公式為QB=U2*B0*L，式子中B0為10k V電纜單位長度下的電納，該值取值為1.178X10-4S/km，QB是該10k V電纜線路中總的充電功率。按照公式計(jì)算在該電纜線路中充電功率的值為472kvar。

3.3 10k V電路線路的損耗計(jì)算 線路損耗的計(jì)算公式為△P+j△Q=[(P2+Q2)/U2]*(R0+jX0)L，△P即為有功功率損耗，△Q為電纜線路的無功功率損耗。通過計(jì)算可知，在該40km的電纜線路中，有功功率損耗值為415kW，無功功率損耗值為335kvar。

4 10k V電纜超長距離供電存在問題分析

當(dāng)前，10k V電纜超長距離供電主要存在以下幾個(gè)問題：

4.1 10k V容性無功補(bǔ)償?shù)膯栴} 在10k V電纜線路中，如果電阻值要大于電抗的值，在線路傳輸時(shí)有功功率所產(chǎn)生的電壓值就會(huì)比無功功率值大，這也就意味著對(duì)系統(tǒng)的無功功率所缺少的部分進(jìn)行補(bǔ)償后，有功功率部分仍會(huì)存在一個(gè)較大的電壓降。此時(shí)如果10k V線路的電纜距離超長，在線路末端就很容易造成電壓下降，并低于要求值。因此，為了保證末端的電壓值負(fù)荷要求，只有通過配置更多的容性無功功率，并通過電纜線路箱系統(tǒng)回車一部分的無功功率。10k V容性無功補(bǔ)償功率容量的計(jì)算公式為QC=Q+△Q-QB。按照本案例中的值計(jì)算，該電纜線10k V容性無功功率值為847kvar，即需要配置比這個(gè)值更大的容性無功功率。[2]

4.2 10k V感性無功補(bǔ)償?shù)膯栴} 10k V電纜的充電功率值比較大，當(dāng)線路空載時(shí)容易造成電纜的末端電壓超出要求值，從而影響到電纜線路的使用安全性。因此，需要較準(zhǔn)確地控制在空載情況下10k V電纜末端電壓升高的值。根據(jù)以下公式：

可知，距離的大小對(duì)于電纜末端電壓升高值的影響并不大，以40km距離為例，計(jì)算得到的末端電壓升高值為0.079k V，長度為60km時(shí)，值并沒有發(fā)生太大的變化。

5 10k V容性無功補(bǔ)償配置方法

5.1 10k V電纜供電系統(tǒng)的等值電路 在10k V電路的供電系統(tǒng)等職電路中，L0為容性無功補(bǔ)償裝置的安裝地點(diǎn)到電源之間的距離，整個(gè)線路的長度為L，那么從無功補(bǔ)償裝置到10k V負(fù)荷之間的距離就是L-L0.根據(jù)前文所論述的公式可知，當(dāng)箱變負(fù)荷的功率為3000kW時(shí)，10k V電路線路中無功功率損耗和充電功率的值幾乎達(dá)到一致，可以認(rèn)為這兩者之間互相抵消。

5.2 最優(yōu)補(bǔ)償容量和補(bǔ)償位置的方法 為了10k V電纜超長距離的末端電壓值能滿足使用要求，必須要盡可能地減少△U的值，理想的狀態(tài)是△U為0.根據(jù)上述幾個(gè)公式可知，若要使得系統(tǒng)中的網(wǎng)損達(dá)到最小，通過對(duì)補(bǔ)償容量和補(bǔ)償位置進(jìn)行優(yōu)化。最終可知最小的網(wǎng)損值為：

若要保持在電纜兩段的電壓值一致，就必須要將容性無功補(bǔ)償裝置安裝在電纜線路的末端。此時(shí)的補(bǔ)償容量值也是最大的。[3]

以上容性無功補(bǔ)償配置的方法在實(shí)際中也得到了驗(yàn)證。當(dāng)補(bǔ)償容量為3000和4000kvar時(shí)，雖然網(wǎng)損的值很小，但是在電纜線的首末端電壓降不滿足要求。而在線路中間的某一段位置時(shí)，如果進(jìn)行4000kvar以上的容性無功補(bǔ)償，則在電纜首末端的電壓降值滿足使用要求，不過網(wǎng)損卻很大。經(jīng)過上述的優(yōu)化選擇，達(dá)到了兩者的平衡，即使得電纜首末端的電壓降能滿足使用要求，而且?guī)淼木W(wǎng)損值也非常小。

6 結(jié)語

通過對(duì)10k V電纜超長距離供電的電壓和無無功補(bǔ)償問題進(jìn)行分析，找到了既能滿足電壓值的使用要求，系統(tǒng)網(wǎng)損量也最小，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行容量補(bǔ)償也是最小的一種方法，對(duì)于當(dāng)前10k V電纜超長距離供電所面臨的問題提出了合適的解決方案，為10k V電纜超長距離供電提供了可靠安全的環(huán)境。