110kV电缆和架空线路用户无功补偿配置的方法研究和分析

张宏伟， 朱建华， 陈　宁， 陈运涛， 孙良伟， 王斌春

（1.国网昌吉供电公司，新疆昌吉831100；2.国网新疆电力公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐830011）



110kV电缆和架空线路用户无功补偿配置的方法研究和分析

张宏伟1， 朱建华2， 陈宁1， 陈运涛1， 孙良伟1， 王斌春1

（1.国网昌吉供电公司，新疆昌吉831100；2.国网新疆电力公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐830011）

摘要：针对110kV架空线路和电缆混合线路轻载和空载时会生产较多容性无功以及功率因数偏低的问题，提出对应的解决方案以及生产运行中应注意的问题。分别通过电压变化、功率因数对比、无功潮流分析、经济性对比、安全性分析、电能质量分析等多个方面对比多种方案的优劣，确定最优方案，避免产生类似问题，为后期类似的供电模式的用户设计和运行提供参考。

关键词：架空线-电缆混合线路； 功率因数； 设计运行

0　引言

随着多种专业负荷接入现代电网，随之产生一系列供电问题。110kV级别电网在城区常被作为配网主干电网使用，但也会出现110kV专线用户跨越城镇或者人口稠密区时，需要在跨越地区使用电缆线路。但线路空载或者轻载容易产生过剩容性无功，导致线路功率因数偏低。

针对此类问题，大量专家和学者提出一系列解决方法。文献[1]中车仁青等分析了电缆线路对110kV变电站无功补偿设计和计算的影响，并提出了电缆线路较长的110 kV变电站应减少并联电容器的容量的结论。文献[2]中张建华等，分析了风电场、电气化铁路空载架空线路、高可靠性双电源空载架空线路、空载电力电缆引起的反向无功充电功率计量问题，并提出适当调整无功计量点来避免无功电费纠纷。文献[3]中周卓敏等提出了架空和电缆混合馈线的电压损耗快速估算方法，并使用实测数据验证了所提方法的有效性。文献[4]中胡金东针对采用电力架空线改为电力电缆后引起电力线路对地电容电流和相间电容电流增大的技术难题，提出在沿线适当位置设置三相补偿电抗器补偿无功电流。文献[5]中文滔等提出了一种考虑线路充电功率的无功补偿策略，并通过实际算例验证策略的有效性。

本文在上述文献研究成果基础上，针对某用户的110kV架空线路和电缆混合线路功率因数偏低的问题，验证了投入新的电抗器组后对线路电压、功率因数、线路潮流的影响，通过多方面对比分析，提出合适的整改方案，提高电网和用户的电压质量，节省用户用电成本。

1　110kV架空线路-电缆混合数学模型

1.1110kV架空线路模型

110kV架空线路模型由串联电抗和电阻、线路电纳并联组成。当线路轻载或者空载时，会出现线路向负荷或者电网注入容性无功出现。线路空载或者轻载时，系统电压本身处于较高水平，线路出现的过剩容性无功会进一步恶化系统电压。

文献[6]中综合实际运行中运行经验数据，给出平均电压下110kV架空线路的充电功率为0.034Mvar/km。

1.2110kV电缆模型

110kV电缆线路与架空线路类似，文献[6]中综合大量电缆运行的数据，给出平均电压下截面积为100m2的110kV电缆的充电功率为1.07Mvar/km，为同电压等级的110kV架空线路的充电功率为31.5倍左右。

2　无功平衡理论

2.1无功与电压关系

无功和有功类似，满足总量守恒定律，在110kV电网中，有功的流动主要与功角相关，无功的流动主要与电压相关。无功从电压高处流向电压低处，当线路重载时，电压从电源流向负荷侧，如图3所示；轻载或者空载时，线路也充当了无功电源的角色，无功可能从负荷侧流向电网，如图4所示。

2.2双电源供电的无功流向

对于如图3所示的双电源供电线路，一条线路供电，另一条线路处于热备用状态。线路1为普通的架空线路，线路2为架空线路和电缆混合线路。

当线路2给负荷供电，线路1处于热备用时，断路器1合并，断路器2处于热备用状态，因为线路1产权属于用户所有，所以计量点CT断路器1位置处，因为线路1为架空线和电缆混合线路，线路空载时有较多的充电功率，为无功电源。在图5所示的工况下，线路1相当于在变压器A的110kV侧并联一组110kV电容器组，导致与变压器A连接的110kV母线电压偏高。所以，文献[8]建议在对进出线以电缆为主的220kV变电站，可根据电缆长度配置相应的感性无功补偿装置。

线路1长度为30km，通过电压和无功在线监测系统中，监测到线路1在图5所示的工况下线路1向变电站1提供的过剩容性无功为2.5~4.8Mvar左右，相当于73~141km长度架空线路产生的充电功率。

3　技术方案

3.1安装位置的确定

电抗器可以选择的安装为110kV侧和10kV侧。

根据文献[7]中规定变电站内用于补偿输电线路充电功率的并联电抗器一般装在主变压器低压侧，需要时也可装在高压侧。

由于并联电抗器设在高压侧投资较大，且不能像装设在变压器低压侧那样很方便地随负荷变化频繁投切，难以控制低压侧电压，因此电抗器宜首先考虑装设在主变压器低压侧。但当需要补偿容量较大，装在低压侧影响负荷供电时，也可以装在高压侧。

对于图5所示的负荷，夏季处于用电高峰期时，电压相对较低，需要退出电抗器组。冬季用电低谷期时，需要投出电抗器组。所以配置的电抗器组有根据生产投切的需要。

图5所示的负荷需要配置的电抗器容量为4.8MVA左右，仅占负荷最大一台变压器容量15%左右，并不属于较大的补偿容量情况，装在低压侧对10kV母线电压最大影响为3.4%，并未显著影响低压侧供电。

3.2建议方案

建议方案的原理如图6所示，线路2供电，线路1备用。保持断路器2处于工作状态，断路器1处于热备用状态。

图6中，线路1提供的过剩容性无功由图5的向变压器A方向流动改变为向负荷侧流动。在方案1的状态下，需要在负荷低压侧加装适量的感性无功补偿装置。

3.2.1电抗器总容量的确定

文献[7]依据已有的设计和运行经验，对电抗器的配置做出如下说明：一般35~220kV变电站并联电抗器补偿的目的是补偿电缆线路的充电功率，并联电抗器补偿总容量一般要求为线路充电功率总和的100%以上。

35~220kV变电站主变低压侧补偿容量一般为主变压器容量的30%以下为宜。

电抗器的容量需考虑到用户变压器的无功损耗。变压器的无功损耗一般用下式表示：

式中 ΔQ—变压器无功损耗，kVar；

I0—空载电流，%；

Uk—短路阻抗百分比，%；

SN—变压器的额定容量，kVA；

S—变压器的视在功率，kVA。

如图7所示，用户变压器1的主要参数为：

主变容量31.5MVA；短路阻抗17.58%，空载电流0.15%，负载损耗124.48kW；空载损耗22.877kW。

根据式（1）计算可得，单台用户变压器满载时最大无功损耗为5.5MVA，冬季出现反向无功的负荷在12.52MVA左右，负荷率约为40%，对应的无功损耗为0.87MVA。

用户主变压器的容量为33.2MVA，线路1的最大充电功率为4.8MVA，考虑线路充电功率和主变的无功损耗，可以得出需要配置的电抗器组总容量为5.7MVA左右。3.2.2电抗器组单组容量的确定

低压电抗器的分组容量应满足下列要求：

1）分组投切时，不得引起高次谐波，应避免有危害的谐波放大；

2）投切一组电容器和电抗器所引起接入母线电压的变动值，不宜超过其额定电压的2.5%[8]。

3）为降低造价，宜加大分组容量，减少组数。

110kV母线1的最小短路容量为651MVA，折算到负荷低电压10kV侧的短路容量为140.6MVA，考虑到谐振和电压变化率的约束，文献[8]中建议：10kV侧配置的电抗器组单组容量不宜大于3.5MVA。所以需要配置的电抗器组为3~4组比较合适。

3.2.3功率因数

负荷所需补偿的最大容性无功量计算式为：

式中 Qcf，m—负荷所需补偿的最大感性无功量，kVar；

Pcf，m—母线的最大负荷，kW；

φ1—补偿前最大功率因数角；

φ2—补偿前最小功率因数角，φ2值应不小于表1规定的允许值。

表1　用户要求的功率因数

根据式（1）计算负荷所需补偿的最大容性无功值为9.3MVA。

考虑到主变的无功损耗，根据功率因数计算的需要配置的感性无功补偿装置的容量为10.2MVA。

4　结语

本文针对某用户的110kV架空线和电缆混合线路功率因数偏低的问题提出了技术建议，解决了相关问题，本文提出的主要建议有：

（1）当有电缆或者混合线路进出线的变电站需要考虑电缆容性无功较大问题，建议参考文献[7，8]的相关条款进行可研、设计、施工阶段等流程，保证工程的长期电压安全稳定。

（2）用户计量点依照计量相关规程设定，在不影响供电安全性的前提下，可以做出适当调整，保证用户和电网经济效益，提供共同的用电质量。

（3）对于负荷变化较为频繁的用户，可以考虑设计适当的无功自动投切装置，保证电压合理高效管理，节省运行人员的精力，提高对应的经济效益。

参考文献：

[1]车仁青，刘凌波，宗占谊，等.电缆线路对110kV变电站无功补偿设计计算的影响分析[J].电力电容和无功补偿，2011，32（1）：13~15．

[2]张建华，高靖，许万奎，等.反向无功充电对电能计量影响的分析与对策[J].供用电，2010，29（5）：8~11．

[3]周卓敏，李湘华，何禹清，等.架空和电缆混合馈线的电压损耗快速估算[J].电力系统保护与控制，2010，38（7）：169~173.

[4]胡金东.黎湛铁路电力线路电容电流分析与研究[J].铁道运营技术，2015，21（1）：9~11，15．

[5]文滔，卢晓东，高早晨．输油泵站110 kV供电系统功率因数改善分析[J]．油气储运，2013，32（6）：661~665．

[6]电力工业部电力规划总院．电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，1995：229.

[7]DL/T5242-2010.35kV-220kV变电站无功补偿装置技术规范[S]. 2010：7.

[8]Q/GDW212-2008.国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则[S]. 2008：3.

修回日期：2016-04-07

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.009

中图分类号：TM76

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）02-0036-04

作者简介：张宏伟（1968-），男，新疆人，学士，助理工程师，从事电力营销工作；朱建华（1986-），男，河南洛阳人，硕士，助理工程师，从事励磁和电能质量工作。

收稿日期：2016-02-22

Analysis and Countermeasures for Reactive Power Compensation Design Calculation in Power Systems Consisting of 110 kV Overhead Line and Cable

ZHANG Hong-wei1， ZHU Jian-hua2， CHEN Ning1， CHEN Yun-tao1， SUN Liang-wei1， WANG Bin-chun1
（1.Changji Power Company，State Grid，Xinjiang Electrical Power Corporation，Changji 831100，China；2.Xinjiang Electric Power Research Institute Xinjiang Electric Power Corporation State Grid，Urumqi 830011，China）

Abstract：Aiming at the problems of plentiful surplus of charging current and low power factor because of light-load 110 kV overhead line and cable，puts forward the solution to this problem and some suggestions on electric production.By contrast with voltage variation，power factor，reactive power flow，economy，safety，power quality，determines the optimum plan，as a reference for similar problem，and then avoid such things to happen again.

Key words：overhead line and power cable； power factor， design and operation