论无功补偿输电线路的传输

叶松

【摘 要】线路无功补偿的效果是改变线路阻抗和相移系数，因此补偿度可理解为波阻抗的补偿；在补偿到线路等效特性阻抗的情况下，串联补偿提高了线路端口电压，并联补偿增加了线路端口电流，因而串联补偿时线路损耗较小；对于短距离输电线路，并联补偿和串联补偿方法都是可行的；对长线路来说，应考虑混合补偿的实施方案。

【关键词】无功补偿；输电线路；传输

我国能源资源分布的特点是82%的煤炭储量和67.5%的可开发水电资源集中在西部地区，而用电负荷则主要集中在中部和沿海地区，这一状况决定了我国采取 “西电东送，南北互供，全国互联”的基本格局与发展战略。在此大环境下，对交流输电线路的输送能力进行分析和评估对输电线路的发展和规划具有重要意义。

根据电力系统的稳定性要求，提高线路的输送能力可从提高电压等级、减小线路电抗和缩小系统间功率夹角等方面采取措施.随着FATCS技术在电力系统中的广泛应用，串联电容补偿器和并联静止无功补偿器等设备被装设于线路动态补偿无功功率及提高系统稳定性和线路输送容量。在计算交流输电线路的输送能力时，国内外研究人员和电力规划部门大都采用计算交流输电线路输送能力曲线即St.Clair曲线的方法对输电的输送能力进行初步分析，该曲线最早是由St.Clair针对345kV及以下交流输电系统根据实际运行情况和经验提出的。R.D.Dunlop等人给出了St.Clair曲线的理论计算方法，并将其发展到更高电压等级和更远输电距离的线路。文中根据实际运行经验得到热极限、电压降极限和稳定极限是限制交流输电系统输送容量的主要因素，并以电压降和静态稳定性约束条件为基础得出了交流输电线路的输送能力曲线。此方法和结果被美国电力科学研究院的输电线路设计手册和国外一些经典著作广泛采用。S.N.Tiwari等人对用于特高压输电线路的6相和12相线路的输送能力的理论计算方法进行了研究。

为简化分析过程和较好地理解输电线路的性能特征，本文在对交流输电线路实际运行特性进行分析的基础上，提出均匀补偿线路的基本思想来对无损输电线路进行建模，并以加装并联电抗和串联电容进行无功补偿的输电线路为研究对象通过计算其等值波阻抗和相移系数对其通过补偿无功功率提高线路输送能力的实施方法和效果进行分析。在此基础上，给出线路补偿的参考建议，为工程实际提供参考。

1.输电系统的数学模型

若不考虑线路损耗，则输电线路在输送自然功率时线路上每一点的电压电流同相位且具有相同的幅值，只是存在着相位差。此时，每一段线路上纵向电感吸收的无功功率等于横向电容产生的无功功率。然而，实际线路由于受到功角极限、热极限和电压稳定等的约束，使输电线路的输送容量受到限制，故需对输电线路进行补偿。因此，若要提高线路的输送功率P根据式（3）可知需减小线路的特性阻抗到Z'，这可通过增加ωC0或减小ωL0来实现，即在线路上并联电容或电抗来加大 C0或串联电容减小L0。

由于通过适当变换可将一个无功元件不对称的输电系统变换为一个具有对称无功元件的输电系统，因此本文重点研究具有对称无功元件的输电系统，分别讨论集中并联补偿和集中串联补偿的情形。

3.1集中并联补偿时输电线路的传输特性

首先计算对线路进行均匀补偿的情形，基本过程如下：

（1）计算500km线路的对地容抗。

（2）根据均匀补偿时应满足的关系式=（1.5）ωC计算输送1.5Pe时所需的并联补偿容抗。

（3）计算计及并联补偿时输电线路的相移系数。

3.2集中串联补偿时输电线路的传输特性

首先计算对线路进行均匀补偿的情形，基本过程如下：

（1）计算500km线路的对地容抗。

（2）根据均匀补偿时应满足的关系式=计算输送1.5Pe时的串联补偿容抗。

（3）计算计及串联补偿时输电线路的相移系数。

4.算例

5.结论

基于本文所提出的均匀补偿线路的基本思想来对并联补偿和串联补偿提高线路输送能力的实施方法和效果的分析结果表明：

（1）线路均匀补偿的效果是改变线路阻抗Z使其变为KZZ和改变相移系数β使其变为Kββ（对于串联补偿有Kβ=KZ，并联补偿有Kβ=）补偿度可理解为对波阻Z的补偿效果，补偿后线路功率Pe从自然功率提高到Pe'=P。

（2）将系统无功元件全部纳入线路后，就该系统的端口而言，输电线路相当于一条新的波阻抗为Z'和相移系数为β'l的线路，此时，输电系统输送唯一的有功功率P=P=P=，并且有δ=β'l。

（3）在补偿到相同特性阻抗情况下，串联电容补偿提高了线路端口电压，而并联补偿增加了线路端口电流，因而前者的线损将小于后者。