南水北調中線工程無功補償方案研究

□ 鐘光科（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1 工程概況

南水北調中線干線一期工程總干渠河南段下轄5個中心開關站，中心站與所轄各降壓變電站之間采用35 kV專用輸電線路環網供電。專用輸電線路自中心開關站35 kV母線引出，沿總干渠上、下游兩側延伸，采用架空和局部電纜地埋相結合的方式沿總干渠架(敷)設。5個中心站正常供電范圍分別為總干渠上的全部降壓變電站，同時還作為相鄰中心站供電范圍內降壓變電站的備用電源。35 kV輸電線路沿線各負荷點設置35/0.40 kV降壓變電站向負荷供電，用電負荷包括：節制閘門、控制閘門、退水閘門、分水閘門、檢修閘門、檢修排水泵、消防、室內外照明、監控保護裝置、通信設施、生活管理用電等。

2 問題的提出

由于南水北調工程的特殊性，總干渠35 kV專線距離較長，而穩定運行負荷小，多為閘門啟閉機等短時運行負荷，且年運行時間較短，并且總干渠35 kV專線在鉆越交通橋、部分高壓線及進出建筑物處采用電纜敷設，此種長距且輕載的運行方式，負載的感性電流不足以抵消供電線路產生的容性無功電流，使整個線路呈現容性，在正常運行或單相接地時，有較大的電容電流流過線路。正常情況下線路電容電流的增大，會導致線路末端電壓升高，中心站功率因數超前并低于標準值，造成分斷設備開合困難，容易引起諧振操作過電壓，造成供電負荷功率因數超前的情況。當發生單相接地故障時，接地電容電流將大為增加，電弧不易熄滅，引起故障擴大。因此，必須采取必要的無功補償措施。

3 無功補償方法

無功補償以就地分散補償、分段補償為基本原則，保證技術先進性、穩定性、免維護，尤其不要使系統功率因數（無功功率）在容性、感性之間穿越，發生穿越諧振。借鑒電氣化鐵路的設計經驗，對長電纜線路供電的無功補償主要有以下幾種方案：接觸器投切電抗器（JSR）、可控硅投切電抗器（TSR）、磁控電抗器（MCR）、無功發生電源（SVG）、無功發生電源 +電抗器（SVG+L）。各種方案對比說明如表1。

表1 無功補償方案對比表

文章探討采取“無功發生電源+電抗器”（SVG+L）相結合的方式，進行無功補償改造及優化。以河南段所轄的雙洎河中心開關站轄區為例，在中心開關站增設高壓SVG動態連續補償裝置，在線路的幾個斷路器站增設并聯補償電抗器，根據線路參數、特點來確定并聯電抗器的容量，達到全線產生的無功功率在中心變電站得到最后的平衡。

4 “SVG+L”方案研究

4.1 線路電容電流計算

電纜線路正常運行時線路始端的電容電流由相間電容電流及相對地電容電流兩部分組成，當線路出現單相接地時，流過接地點的單相接地電容電流等于3倍電源側網絡相對地電容電流。經向有關電氣廠家咨詢，YJV22-26/35-3×120電纜的工作電容參數C=0.16μF/km，其中每芯對中性點電容C等于3倍芯對芯電容Cx與每芯對地電容Cy之和，一般取3Cx=Cy。按《電力工程電氣設計手冊》有關章節介紹，電纜線路單相接地電容電流可由下式求出

式中：U—系統額定線電壓(kV)；ω—角頻率，等于 2πf；f—額定頻率 (Hz)；C—相對地電容 (μF)；因此314×0.08×10-3=1.52A/km。

單相接地時流過接地點的電容電流等于兩非故障相對地電容電流的矢量和，即正常運行時每相對地電容電流Icy=Ic/3=0.51 A/km；根據3Cx=Cy，流過每相的相間電容電流I3cx=Icy=0.51 A/km；則線路正常運行時每相電容電流Io=I3cx+Icy=1.02 A/km。此外，按《工業與民用配電設計手冊》有關經驗公式估算，Ic=(95+1.44S)U/(2200+0.23S)，U—系統額定線電壓(kV)；S—電纜截面(mm2)；按此經驗公式估算，Ic=(95+1.44×120)35/(2200+0.23×120)=4.12 A/km，則正常運行時每相電容電流Io=2.74A。

南水北調京石段投運后，對其無功情況進行了現場測量，根據2012年2月17日實測結果，中易水中心站總進線處無功功率讀數為-4.14×10-2，乘以電壓互感器及電流互感器變比后實際值為-579.60 kvar，無功電流約為-579.60/(3×35)=-9.56A。當天投運的架空線路約為47.70 km，電纜線路約為8.27 km。因架空線路電容電流較小，僅為同長度電纜線路的1/30，可忽略不計，認為正常運行時每公里電纜線路的電容電流約等于9.56/8.27=1.15 A，與相關廠家提供的電纜工作電容參數折算出的電容電流數值1.02A較為接近，可以采用。

4.2 高壓并聯電抗器容量計算

根據《電力工程電氣設計手冊》（電氣一次部分），高壓并聯電抗器容量計算為QL=Qc×Kt，式中QL—并聯電抗器容量（kvar）；Qc—線路的充電功率（kvar）；Kt—補償度，一般取值為40%～80%。供電系統對地電容電流≤20 A時，70%是最佳補償度，因此補償度選擇70%。

5 實例應用

系統電壓為35 kV時，經計算，三相電纜每公里產生的容性無功約為65kvar，架空線路無功按3 kvar/km估算。以河南段所轄的雙洎河中心開關站轄區為例，轄區充電容性無功統計見表2。

表2 雙洎河中心開關站轄區充電容性無功統計表

潁河渠道倒虹吸至雙洎河中心開關站產生的最大容性無功容量為：358.12+419.21=777.33 kvar，并聯補償電抗器的總容量按線路產生的容性無功的70%考慮，電抗器的容量為：777.33×70%=544.13 kvar≈500 kvar，電抗器配置在小洪河倒虹吸站。雙洎河中心開關站至滲漏排水泵站產生的最大容性無功容量為：609+947=1556 kvar，并聯補償電抗器的總容量按線路產生的容性無功的70%考慮，電抗器的容量為：1556×70%=1089 kvar≈1100 kvar。由于線路較長，線路中有兩處斷路器站，配置兩臺電抗器，分別配置在丈八溝渠道倒虹吸站（900 kvar）和十八里河渠道倒虹吸站（300 kvar）。雙洎河中心開關站轄區補償容量統計見表3。

表3 雙洎河中心開關站轄區補償容量統計表

6 結論

由于南水北調中線工程35 kV專線的特殊性，使整個線路呈現容性，為消除無功電容的危害，文章提出“無功發生電源+電抗器”（SVG+L）相結合的方式，以河南段下轄的雙洎河中心開關站轄區為例，對南水北調中線工程進行無功補償改造及優化。