電力系統(tǒng)無功平衡中電力電纜規(guī)模的量化分析

張清周 趙璞 王文香

摘 要：隨著核心城市對城市景觀要求的不斷提高，電力電纜的使用日益廣泛。由于電力電纜的充電功率較大，無功補償?shù)牧炕治鲈桨l(fā)重要。本文以220kV環(huán)狀或鏈狀接線為模型，結(jié)合溫州電網(wǎng)運行現(xiàn)狀，簡要闡明了電力電纜規(guī)模的計算方式。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；電力電纜；無功平衡；充電功率0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，核心城市對城市景觀的要求不斷提高，電力電纜的使用日益廣泛。但是由于電纜線路產(chǎn)生的無功功率較大，如不能較為妥善的處理，將會嚴重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量和運行安全。為更好地利用和調(diào)節(jié)電纜線路產(chǎn)生的無功功率，一般在電網(wǎng)中裝設(shè)一定容量的感性無功補償設(shè)備，以補償電網(wǎng)低負荷運行方式時電纜線路產(chǎn)生的多余無功功率。對于電力前期、規(guī)劃、設(shè)計等工作人員而言，了解無功平衡的邊界條件，簡要計算電力電纜的規(guī)模是十分必要的。

1 邊界條件

對于500kV及以上的變電站，在線路上一般配置高壓并聯(lián)電抗器（簡稱高抗），變壓器低壓側(cè)配置低壓并聯(lián)電抗器（簡稱低抗）；高抗和低抗主要用于限制工頻過電壓和消納系統(tǒng)過剩無功功率[1]。一般每臺主變配置無功補充裝置4組。

對于220kV變電站，一般在變壓器低壓側(cè)設(shè)置并聯(lián)電抗器，用于調(diào)節(jié)母線電壓，抵消過剩無功功率；220kV電纜產(chǎn)生的無功功率只能穿過500kV、220kV主變，由低抗抵消或負荷消納[2]。一般每臺主變配置無功補充裝置2～4組。

對于110kV變電站，一般僅配置并聯(lián)電容器，用于控制功率因數(shù)；在溫州尚未有配置并聯(lián)電抗器的情況。一般每臺主變配置無功補充裝置2組。2015年2月20日（大年初二），從溫州市核心區(qū)某110kV變電站3#主變無功波動情況來看，節(jié)假日低負荷時，110kV變電站主變及負荷消耗或上送的無功功率較小，不足0.3MVar，如圖1所示。

依據(jù)《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》、《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無功補償配置技術(shù)原則》等規(guī)范，并考慮電網(wǎng)的安全運行，因計算需求，文章做以下假設(shè)：500kV變電站站內(nèi)無功補償設(shè)備僅用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，不參與局部無功平衡；220kV變電站站內(nèi)無功補充容量均為并聯(lián)電抗器，不配置并聯(lián)電容器；110kV變電站不配置并聯(lián)電抗器，節(jié)假日低負荷時，110kV變電站主變下載或上送的無功功率為0MVar。

2 計算方法

由于節(jié)假日輕負荷時，電力電纜產(chǎn)生的無功功率對系統(tǒng)的影響最為嚴重，此時的計算結(jié)果決定了電力電纜長度的多少。因220kV變電站均為環(huán)狀或鏈狀接線，此處以環(huán)或鏈為單位，計算本環(huán)或本鏈內(nèi)的電力電纜最大建設(shè)規(guī)模。220kV變電站可補償充電功率為本環(huán)或本鏈所有220kV變電站的電抗器容量之和，其計算過程如（1）式所示：

Q0= Q1+Q2+……+QN （1）

式中：Q0—本環(huán)或本鏈可補充充電功率總?cè)萘浚琈Var；N—本環(huán)或本鏈220kV變電站數(shù)量，座；Q1、Q2、……、QN—各站電抗器總?cè)萘浚琈Var。

220kV電纜產(chǎn)生的充電功率即為本環(huán)或本鏈所有220kV電纜產(chǎn)生充電功率之和，其計算過程如（2）式所示：

Q220=QL1+QL2+……QLX

=k1×（L1+L2+……+LX） （2）

式中Q220—220kV電纜產(chǎn)生的充電功率之和，MVar；X—本環(huán)或本鏈220kV電纜條數(shù)，座；QL1、QL2、……、QLX—各條220kV電纜產(chǎn)生的充電功率，MVar；k1—單位220kV電纜所產(chǎn)生的充電功率，本文取3.8MVar/km；L1、L2、……、LX—各條220kV電纜長度，km。

110kV電纜產(chǎn)生的充電功率即為本環(huán)或本鏈所有220kV變電站下屬110kV電纜產(chǎn)生充電功率之和，其計算過程如（3）式所示：

Q110=Ql1+Ql2+……QlN

=k2×（l1+l2+……+lN） （3）

式中Q110—110kV電纜產(chǎn)生的充電功率之和，MVar；Ql1、Ql2、……、QlN—各220kV變電站下屬110kV電纜產(chǎn)生的充電功率之和，MVar；k2—單位110kV電纜所產(chǎn)生的充電功率，本文取0.7MVar/km；l1、l2、……、lN—各220kV變電站下屬110kV電纜長度之和，km。

由邊界條件可知，在節(jié)假日輕負荷時，220kV、110kV電纜產(chǎn)生的充電功率均由220kV變電站的低抗予以抵銷，即可得：

Q0=Q220+Q110 （4）

溫州存在局部220kV電網(wǎng)接線如圖2所示，甌海變?yōu)?00kV變電站，溫州電廠采用220kV線路送出，鏈內(nèi)尚未有220kV電纜；甌海變低抗不參與局部無功平衡，不考慮溫州電廠側(cè)參與無功平衡。上田變最多配置電抗器容量6×10MVar，現(xiàn)有110kV電纜40km；蒲州變最多配置電抗器容量9×8MVar，現(xiàn)有110kV電纜30km。假設(shè)該鏈最多可新增的220kV、110kV電纜長度為別為x，y，聯(lián)立方程組（1）～（4）式，可計算得：

3.8x+0.7y=83 （5）

由式（5）可得，本鏈最多可新增的220kV、110kV電纜長度為別為21.8km和118.6km，且兩者為此消彼長的線性關(guān)系。

此外，若考慮500kV變電站低抗、相關(guān)電廠參與局部無功平衡，可將（4）式修改為：

Q0+Q1+Q2=Q220+Q110 （6）

式中Q1—500kV變電站可參與無功平衡的低抗功率，MVar；Q2—相關(guān)電廠可參與無功平衡的感性無功功率，MVar。

3 結(jié)論

隨著城市電力電纜使用規(guī)模的不斷擴大，其產(chǎn)生的無功功率已成為影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量和運行安全重要因素之一[3]。由于節(jié)假日輕負荷時，電力電纜產(chǎn)生的無功功率對系統(tǒng)的影響最為嚴重，而此時110kV主變下載或上送的無功功率幾乎可忽略不計，220kV、110kV電纜產(chǎn)生的充電功率主要由220kV變電站內(nèi)的低抗予以抵消，500kV變電站抵抗、相關(guān)電廠部分參與平衡。文章以220kV環(huán)狀或鏈狀接線為模型，通過區(qū)域電網(wǎng)的無功平衡計算分析，簡要闡明了電力電纜規(guī)模的計算原理及方法，可供參考。