110kV输电线路分布电容对功率因素的影响

李永霞 张 有

0 引言

110 kV 架空输电线路在输送负荷功率的时候，自身也要消耗有功、吸收或输出无功，当线路处于轻载运行状态时，线路相间及对地产生容性充电功率，会对功率因素造成一定的影响。张利刚［1］针对输电线路容性功率对功率因素的影响，分析了自然功率是区分输电线路吸收和输出无功功率的界限，并指出目前还无补偿措施来解决线路容性无功在小负荷情况下对功率因素的影响。田奇［2］针对功率因素偏低的问题对无功补偿装置容量的确定给出了建议。在实际应用中，对于输电线路容性充电功率对功率因素的影响如何采用有效的方案还存在一些问题。鉴于此，笔者通过对大同煤矿集团夏家河110 kV 变电站轻负荷期间的实际数据为依据进行分析计算，找出了影响功率因素的原因，并提出了具体解决方案，以期为实际应用中解决110 kV 及以上输电线路容性充电功率对功率因素的影响提供借鉴。

1 问题的提出

夏家河110 kV 变电站为同发东周窑矿生产和办公供电,两回110 kV 电源分别从大同供电公司的高山220 kV 变电站引出高夏线10 km，小京庄110 kV 变电站引出小夏线27.7 km。夏家河变电站电量计量点分别位于高山220 kV 变电站和小京庄110 kV 变电站的110 kV出口开关，小夏线在2017年6月28日到7月25日运行期间，电量统计如下：有功电量为35 640 kWh，无功电量为673 200 kWh，功率因素为0.05。而从夏家河变电站运行人员对进线开关电能表的每日抄表情况看，功率因素在0.97左右，供电侧和用户侧功率因素不一致。大同市供电公司对我公司实行的功率因素标准为0.9，当月支出功率因素调整费为1 842 973.29元。

2 原因分析

2.1 容性电流产生的分析

输电线路的相相、相地之间都存在分布电容［3］，

式中ε为介电常数；h为导线对地距离；s为导线间距；L为导线长度；r为导线半径。

当交流电压加在输电线路上，在三相导线周围会产生交变电场，在它的作用下，不同相导线之间及导线和大地之间会产生容性电流，形成容性充电功率。

图1 小夏线一相的∏型等值电路

小夏线一相的∏型等值电路如图1（M 代表小京庄变电站侧，N 代表夏家河变电站侧），R、X、B 分别为一相的电阻、电抗、电纳。设变电站计算负荷中有功功率为P2、无功功率为Q2，则负荷功率SLD=P2+jQ2。设M端电压U1=U1∠0°、N端电压U2=U2∠0°，则线路N端充电功率⊿Sc2=-jBU22/2=-j⊿Qc2，N端总的复功率S2=P2+j（Q2-⊿Qc2）。线路上的功率损耗⊿Sz=［P22+（Q2-⊿Qc2）2］R/U22+j［P22+（Q2-⊿Qc2）2］X/U22=⊿Pz+j⊿Qz。线路M 端的充电功率⊿Sc1=-jBU12/2=-j⊿Qc1，则M 端复功率S1=P2+⊿Pz+j（Q2+⊿Qz-⊿Qc1-⊿Qc2）。

在小夏线带负荷运行时，矿井的感性无功负荷会起到平衡线路充电功率的作用，当Q2+⊿Qz-⊿Qc1-⊿Qc2>0 时，线路的充电功率起到了无功补偿的积极作用，在线路轻载运行时，负荷的感性无功（Q2）比较小，会使Q2+⊿Qz-⊿Qc1-⊿Qc2<0，此时容性无功过剩并向电网侧反送。

架空线路对地产生的充电功率，可按公式进行估算，也可查表。小夏线的线路参数为：供电电压110 kV，线路型号LGJ-240，线路长度27.7 km。经查表得每公里的充电功率为0.034 3 Mvar/km，则该线路的充电功率为

而当时实际无功功率仅为20 kvar左右，线路充电功率远远大于无功功率，出现反送无功的现象，导致功率因素极低，由此可见，轻载线路对地及相间分布电容引起的容性充电功率是造成功率因素低的主要原因。

2.2 电容电流对电能计量的影响

2.2.1 电子式多功能电能表的无功四象限

不同国家对四象限无功的定义不一样，根据电力部行业标准DL/T645-1997，多功能电能表通讯规约对电能测量四象限的定义如图2所示，

图2 对电能测量四象限的定义

电流I 位于第Ⅰ象限，I 与U 相位角为（顺时针为正），表示输入有功（+P）和输入无功（+Q），所谓“输入”“输出”是相对于电网用户而言的，输入有功功率是电网向用户送电，是用电用户，输出有功功率是用户向电网送电，是发电用户。

无功概念比较复杂［4］，对于用电用户来讲，用户是负载，分为感性负载和容性负载两种，当负荷为感性负荷时，无功功率为正，容性负荷时无功为负。

2.2.2 无功电量的计量方式

无功计量的目的是考核功率因素，降低线路损耗。我们作为用电用户，运行情况如图3所示

图3 运行情况

大同市供电公司是按照如下公式对功率因素进行考核的：

这种计算方式相当于无功功率等于感性加容性的和，即图2中的Ⅰ象限和Ⅳ象限无功功率之和。当线路处于轻载状态时，Q1+|Q2|+Q3+|Q4|为线路分布电容形成的无功功率和用户侧实际消耗的无功功率之和，而用户侧参考点无功功率只包含用户实际消耗的无功功率Q1+Q3，因此，造成贸易结算点的功率因素低于用户侧参考点的功率因素，还会因有功功率小，无功功率大，导致功率因素非常低的现象。

3 解决措施

通过上述的分析可知，架空线路轻载运行时，负荷侧注入到线路上的感性无功小，无法抵消线路充电功率产生的电容电流，大量的无功由负荷侧流向电源侧，以及反向充电无功对贸易结算的影响［5］。

为了解决以上问题，我们通过注入感性电流以减小架空线路电容电流的影响，具体措施如下：

⑴选定设备

夏家河变电站选用的是MCR 型SVC 动态无功补偿装置，安装于主变低压侧母线上,主要作为无功补偿和滤波器使用。此次，通过单独投运磁控电抗器，向系统注入感性电流以限制线路容性电流。

⑵确定投入容量

按照系统运行要求，电抗器投入后首先确保系统为阻感性负荷，其次在阻感性负荷下，减少投入容量，以提高功率因素。

在实际操作中，通过对无功电量进行计算，确定小夏线倒送无功约为1 100 kvar，于2017年8月11日下午18点投电抗器，在运行中通过对8月25日和8月10日的无功电量进行比较，确认系统已呈感性，且无功负荷满足要求。

电抗器于8月11日投运后，到9月25日抄表，反馈给我们的是有功电量947 760 kWh，功率因素0.75，功率因素提高幅度是相当明显的。

⑶适时投切电抗器

电抗器投运后，要根据实际负荷的变化，调整补偿容量，并适时投切电抗器，实现最优补偿。

在2017年10月9日到11月17日期间，根据负荷情况，电抗器退出了运行，于11月18日因负荷较低，电抗器又投入运行，每月的功率因素均能在0.9以上，不仅不会因功率因素低而罚款，还会受奖。节约了用电成本［6］。

4 结论

（1）在110 kV变电站设计中，当输电线路较长时，应重视当矿井生产设备调试未正常运行或生产部署作调整期间，出现的因负荷小架空线路容性充电功率造成电源侧功率因素低的状况，因此需考虑配置电抗器，或者选择MCR型SVC或SVG动态无功补偿装置。

（2）在计量装置装于电源侧，线路处于轻载状态时，线路容性充电功率会造成贸易结算点的功率因素低于用户侧参考点的功率因素。

（3）在一般情况下，输电线路容性功率对功率因素影响不大，感性负荷会起到平衡线路充电功率的作用，但当输电线路距离较长而负荷又较小时，即负荷功率小于自然功率，线路相间及对地产生的容性充电功率除了抵抗电抗中的损耗外还有多余，向电网反送无功，造成功率因素减小，功率因素调整电费增加。

（4）在采取投运电抗器限制架空线路电容电流时，需合理确定电抗器投入的容量，同时根据实际负荷的变化，适时调整容量以及投切状态，以达到最优补偿。