南水北调中线工程无功补偿方案研究

□ 钟光科（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 工程概况

南水北调中线干线一期工程总干渠河南段下辖5个中心开关站，中心站与所辖各降压变电站之间采用35 kV专用输电线路环网供电。专用输电线路自中心开关站35 kV母线引出，沿总干渠上、下游两侧延伸，采用架空和局部电缆地埋相结合的方式沿总干渠架(敷)设。5个中心站正常供电范围分别为总干渠上的全部降压变电站，同时还作为相邻中心站供电范围内降压变电站的备用电源。35 kV输电线路沿线各负荷点设置35/0.40 kV降压变电站向负荷供电，用电负荷包括：节制闸门、控制闸门、退水闸门、分水闸门、检修闸门、检修排水泵、消防、室内外照明、监控保护装置、通信设施、生活管理用电等。

2 问题的提出

由于南水北调工程的特殊性，总干渠35 kV专线距离较长，而稳定运行负荷小，多为闸门启闭机等短时运行负荷，且年运行时间较短，并且总干渠35 kV专线在钻越交通桥、部分高压线及进出建筑物处采用电缆敷设，此种长距且轻载的运行方式，负载的感性电流不足以抵消供电线路产生的容性无功电流，使整个线路呈现容性，在正常运行或单相接地时，有较大的电容电流流过线路。正常情况下线路电容电流的增大，会导致线路末端电压升高，中心站功率因数超前并低于标准值，造成分断设备开合困难，容易引起谐振操作过电压，造成供电负荷功率因数超前的情况。当发生单相接地故障时，接地电容电流将大为增加，电弧不易熄灭，引起故障扩大。因此，必须采取必要的无功补偿措施。

3 无功补偿方法

无功补偿以就地分散补偿、分段补偿为基本原则，保证技术先进性、稳定性、免维护，尤其不要使系统功率因数（无功功率）在容性、感性之间穿越，发生穿越谐振。借鉴电气化铁路的设计经验，对长电缆线路供电的无功补偿主要有以下几种方案：接触器投切电抗器（JSR）、可控硅投切电抗器（TSR）、磁控电抗器（MCR）、无功发生电源（SVG）、无功发生电源 +电抗器（SVG+L）。各种方案对比说明如表1。

表1 无功补偿方案对比表

文章探讨采取“无功发生电源+电抗器”（SVG+L）相结合的方式，进行无功补偿改造及优化。以河南段所辖的双洎河中心开关站辖区为例，在中心开关站增设高压SVG动态连续补偿装置，在线路的几个断路器站增设并联补偿电抗器，根据线路参数、特点来确定并联电抗器的容量，达到全线产生的无功功率在中心变电站得到最后的平衡。

4 “SVG+L”方案研究

4.1 线路电容电流计算

电缆线路正常运行时线路始端的电容电流由相间电容电流及相对地电容电流两部分组成，当线路出现单相接地时，流过接地点的单相接地电容电流等于3倍电源侧网络相对地电容电流。经向有关电气厂家咨询，YJV22-26/35-3×120电缆的工作电容参数C=0.16μF/km，其中每芯对中性点电容C等于3倍芯对芯电容Cx与每芯对地电容Cy之和，一般取3Cx=Cy。按《电力工程电气设计手册》有关章节介绍，电缆线路单相接地电容电流可由下式求出

式中：U—系统额定线电压(kV)；ω—角频率，等于 2πf；f—额定频率 (Hz)；C—相对地电容 (μF)；因此314×0.08×10-3=1.52A/km。

单相接地时流过接地点的电容电流等于两非故障相对地电容电流的矢量和，即正常运行时每相对地电容电流Icy=Ic/3=0.51 A/km；根据3Cx=Cy，流过每相的相间电容电流I3cx=Icy=0.51 A/km；则线路正常运行时每相电容电流Io=I3cx+Icy=1.02 A/km。此外，按《工业与民用配电设计手册》有关经验公式估算，Ic=(95+1.44S)U/(2200+0.23S)，U—系统额定线电压(kV)；S—电缆截面(mm2)；按此经验公式估算，Ic=(95+1.44×120)35/(2200+0.23×120)=4.12 A/km，则正常运行时每相电容电流Io=2.74A。

南水北调京石段投运后，对其无功情况进行了现场测量，根据2012年2月17日实测结果，中易水中心站总进线处无功功率读数为-4.14×10-2，乘以电压互感器及电流互感器变比后实际值为-579.60 kvar，无功电流约为-579.60/(3×35)=-9.56A。当天投运的架空线路约为47.70 km，电缆线路约为8.27 km。因架空线路电容电流较小，仅为同长度电缆线路的1/30，可忽略不计，认为正常运行时每公里电缆线路的电容电流约等于9.56/8.27=1.15 A，与相关厂家提供的电缆工作电容参数折算出的电容电流数值1.02A较为接近，可以采用。

4.2 高压并联电抗器容量计算

根据《电力工程电气设计手册》（电气一次部分），高压并联电抗器容量计算为QL=Qc×Kt，式中QL—并联电抗器容量（kvar）；Qc—线路的充电功率（kvar）；Kt—补偿度，一般取值为40%～80%。供电系统对地电容电流≤20 A时，70%是最佳补偿度，因此补偿度选择70%。

5 实例应用

系统电压为35 kV时，经计算，三相电缆每公里产生的容性无功约为65kvar，架空线路无功按3 kvar/km估算。以河南段所辖的双洎河中心开关站辖区为例，辖区充电容性无功统计见表2。

表2 双洎河中心开关站辖区充电容性无功统计表

颍河渠道倒虹吸至双洎河中心开关站产生的最大容性无功容量为：358.12+419.21=777.33 kvar，并联补偿电抗器的总容量按线路产生的容性无功的70%考虑，电抗器的容量为：777.33×70%=544.13 kvar≈500 kvar，电抗器配置在小洪河倒虹吸站。双洎河中心开关站至渗漏排水泵站产生的最大容性无功容量为：609+947=1556 kvar，并联补偿电抗器的总容量按线路产生的容性无功的70%考虑，电抗器的容量为：1556×70%=1089 kvar≈1100 kvar。由于线路较长，线路中有两处断路器站，配置两台电抗器，分别配置在丈八沟渠道倒虹吸站（900 kvar）和十八里河渠道倒虹吸站（300 kvar）。双洎河中心开关站辖区补偿容量统计见表3。

表3 双洎河中心开关站辖区补偿容量统计表

6 结论

由于南水北调中线工程35 kV专线的特殊性，使整个线路呈现容性，为消除无功电容的危害，文章提出“无功发生电源+电抗器”（SVG+L）相结合的方式，以河南段下辖的双洎河中心开关站辖区为例，对南水北调中线工程进行无功补偿改造及优化。