轻负荷时期高压电缆充电功率对电网无功平衡的影响分析

赵璞，蔡轼，董丹煌，孙景钌

（温州电力局，浙江温州325000）

轻负荷时期高压电缆充电功率对电网无功平衡的影响分析

赵璞，蔡轼，董丹煌，孙景钌

（温州电力局，浙江温州325000）

电缆的充电功率会对电网无功平衡造成一定影响，轻负荷时期其影响尤为明显。以温州电网为算例，分析了轻负荷时期不同运行方式下高压电缆充电功率对电网无功平衡的影响，并提出了改进建议。

电缆；充电功率；无功平衡；轻负荷

0 引言

近年来，高压电缆在城区电网建设中得到了广泛应用。由于高压电缆具有较大的对地电容，相同长度、相同电压等级的电缆比架空线路产生的无功充电功率更大。随着电缆线路的增加，大量电缆所产生的充电功率对电网的无功平衡造成了一定的影响。尤其在春节、国庆节等节假日轻负荷时期，系统电压普遍偏高，电缆充电功率对全网电压和无功平衡的影响更为明显，个别电缆出线占比较大的变电站出现了无功倒送和电压越限情况，增加了网损，影响了经济性。因此有必要对轻负荷时期高压电缆充电功率对电网无功平衡的影响进行分析，进而提出完善电网无功补偿设备配置的具体方案。

1 计算方法

1.1 电缆充电功率计算

电缆充电功率与电缆截面和电压等级有关，不同型号的电缆其充电功率也各不相同，为简便计算，选取温州电网应用最多的电缆型号与截面：220 kV电缆截面为3×1 000 mm2，110 kV电缆截面为3×630 mm2，35 kV电缆截面为3×400 mm2，10 kV电缆截面为3×240 mm2。

电缆充电功率计算公式如下：

式中：QC为电缆充电功率；XC为电缆容性电抗；U为母线线电压，根据春节期间电压实际运行情况，分别取228 kV，115 kV，37 kV和10.5 kV进行计算。单位长度不同截面的交联聚乙烯电力电缆在不同电压下的电容量参数如表1所示。根据公式（1）和（2）计算得出单位长度的电缆充电功率见表2。

经统计，温州电网有220 kV电缆0.882 km，110 kV电缆85.68 km，35 kV电缆55.56 km，10 kV电缆2 333.18 km。初步计算得出220 kV电缆产生的充电功率为2.476 Mvar，110 kV电缆充电功率为66.89 Mvar，35 kV电缆充电功率为5.517 Mvar，10 kV电缆充电功率为34.732 Mvar，总计全部电缆充电功率为109.615 Mvar。

表1 交联聚乙烯电缆电容量参数

表2 电缆充电功率计算值

1.2 充电功率补偿计算

春节期间电容器撤出，电抗器投入。假定负荷侧电抗器补偿容量为QL，电缆容性充电功率为ΔQC，不考虑电抗器补偿容量时，高压侧的功率因数cosφ为：

补偿充电功率后的功率因数cosφ′为：

2 电缆充电功率对电网无功平衡的影响

为确定轻负荷时期高压电缆充电功率对电网无功平衡的影响，以温州电网春节期间电网实际数据为依据进行分析计算。根据国家电网公司《电力系统无功补偿配置技术原则》的规定，变电站装设的无功补偿装置应避免大量无功电力穿越变压器，35~220 kV变电站在低谷负荷时功率因数应不高于0.95，在以下计算中也以此为评判条件。

2.1 全网无功平衡影响分析

春节期间负荷急剧降低，居民负荷占比升高，无功需求减少，全网电压水平和功率因数均偏高。为保证电压合格，温州电网变电站及配电网公用变压器和专用变压器的补偿电容器退出率约99%，电抗器投入率100%。扣除电抗器投入容量后，春节期间是最为真实的电网自然无功水平。因此，以春节期间负荷数据为计算依据，对充电功率的影响分析将更为准确。

根据公式（3）和（4）进行计算，充电功率补偿前后全网无功平衡情况见表3。

由计算结果可知，补偿充电功率后，全网功率因数平均下降0.024，可见电缆充电功率对全网无功平衡的影响非常大。其中小方式和中方式下的影响程度要远大于大方式下的影响。主要原因为大方式下充电功率占无功之比仅为22%，远小于中方式和小方式的占比水平；其次，由于电缆充电功率与电压平方成正比，而小方式下系统电压高于大方式下的系统电压，因此电缆产生的充电功率影响增大。

从表3可以看出，充电功率补偿前春节期间电网功率因数全时段超过0.95，补偿后，中方式和小方式下全网功率因数降至0.95以下，大方式时功率因数略高于0.95。如果以控制春节大方式下全网功率因数0.95为目标，根据公式（3）计算得出全网感性无功需求容量为330 Mvar，而目前温州地区已装设的电抗器容量为190 Mvar，因此感性无功缺额为140 Mvar。以每组常规电抗器10 Mvar计算，需要在220 kV变电站低压侧增装14组电抗器。

根据上述分析，设计部门在配置感性无功补偿装置时应以春节等节假日轻负荷时期数据为计算依据，并充分考虑电缆充电功率造成的影响，以提高感性无功补偿装置配置的准确度。

表3 全网充电功率补偿前后无功平衡对比

2.2 典型220kV变电站无功平衡影响分析

以慈湖变电站为例，该站110 kV电缆长度约7.3 km，10 kV电缆长度约44 km，总计电缆充电功率约6.35 Mvar，未配置电抗器。春节期间，该站个别时段出现无功倒送现象，对2012年春节期间负荷数据进行计算，结果见表4。

从计算结果可以看出，春节期间慈湖变电站电缆充电功率占无功比重较大，中、小方式下出现无功倒送。补偿电缆充电功率后，无功倒送可以避免，但功率因数仍然偏高。如果以控制春节大方式下慈湖变电站功率因数降至0.95为目标，通过计算得出慈湖变电站感性无功缺额为13 Mvar。根据《电力系统无功补偿配置技术原则》规定，220 kV变电站接于35 kV电压等级的无功补偿装置单组容量不宜大于12 Mvar，因此建议该站增装12 Mvar电抗器1组，同时结合春节运行方式调整，将部分110 kV电缆线路转移至其他变电站。由于该站场地及开关间隔的限制而无法装设独立电抗器，建议增装1组12 Mvar的静止无功补偿器，不但可以补偿轻负荷时剩余充电功率、减少电压波动，也无需占用电容器组的间隔与场地，保证容性无功储备。

2.3 典型110kV变电站无功平衡影响分析

以110 kV沿江变电站和东门变电站为例，两站均由220 kV商务变电站商江东、商沿东双线供电，其中商江东、商沿东双线电缆长度共13.2 km，沿江变电站、东门变电站所供10 kV电缆长度34 km，总计电缆充电功率10.81 Mvar。目前温州地区110 kV变电站均未配置电抗器，春节期间存在无功倒送情况。具体计算结果见表5。

从计算结果可知，2个变电站春节期间功率因数偏高，低谷时段有无功倒送，即使补偿充电功率后，功率因数仍无法降至0.95以下。而110 kV变电站多为1台主变压器配置2组电容器的典型化设计，一般初期不考虑装设电抗器，因此电缆充电功率无法分层分区就地平衡消纳，导致充电功率向220 kV层面倒送，对无功平衡造成影响。建议电缆线路较多的110 kV变电站增装电抗器，场地、间隔受限时可考虑改装静止无功补偿器，以春节轻负荷数据为计算基准，确保不向220 kV层面倒送无功。城区10 kV电缆线路可考虑将开闭所或配电变压器内的电容器适当更换成电抗器，以就地补偿电缆的充电功率。

3 结论

春节、国庆节等节假日期间，系统负荷急剧降低，工业负荷占比减少，无功需求减少，功率因数和电压水平明显升高。在节假日等轻负荷时期，电缆充电功率将对全网无功平衡产生较大影响，中、小方式下的影响程度要远大于大方式下的影响。每年节假日有20多天，如果不引起重视，将对电网无功电压稳定造成一定影响。因此在变电站工程设计中，应以高峰负荷为依据配置

表4 慈湖变电站充电功率补偿前后无功平衡对比

表5 沿江变电站、东门变电站充电功率补偿前后无功平衡对比

容性无功补偿装置；在配置感性无功补偿装置时，应以节假日轻负荷时期数据为计算依据，并充分考虑电缆充电功率造成的影响，以提高感性无功补偿装置配置的准确度。对于城区电缆出线较多的220 kV变电站，应增设电抗器以补偿电缆的充电功率。对于缺乏增设电抗器条件的变电站，应考虑增装静止无功补偿器。城区电缆化率较高的110 kV变电站也可考虑在站内10 kV母线或配电网开闭所或配电变压器内装设电抗器以就地补偿电缆充电功率，确保不向220 kV电网倒送无功。

[1]车仁青，刘凌波，宗占谊，等.电缆线路对110 kV变电站无功补偿设计计算的影响[J].电力电容器与无功补偿，2011，32（1）∶13-15.

[2]王非，李群炬，李伟.高压电缆对电网无功平衡的影响及相对措施[J].华北电力技术，2007（6）∶1-3.

（本文编辑：龚皓）

Impact Analysis of Charging Power of High-voltage Cable on Reactive Power Balance of Power Grid during Light Load Periods

ZHAO Pu，CAI Shi，DONG Dan-huang，SUN Jing-liao
（Wenzhou Electric Power Bureau，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

Charging power of power cables has impact on reactive balance of power grid，especially during light load periods.By taking Wenzhou power grid as an example，the paper comparatively studies impacts of charging power of high-voltage cables on reactive balance of power grid in different operating modes during lightload periods；italso proposes some recommended measures.

cable；charging power；reactive balance；light load

TM732

：B

：1007-1881（2013）02-0020-03

2012-04-09

赵璞（1982-），男，辽宁锦州人，硕士，工程师，从事电网稳定及无功电压管理。