配網電纜線路電容效應機理分析及無功補償

羅慶豐 季青鋒

摘 要：城市配電網線路大多采用電纜線路，電纜線路的電容特性相比于同等電壓等級的架空線路更加明顯，更易造成配電網線路電壓越限，造成一定程度的電氣設備損害。本文首先通過對配電網電纜線路產生的電容效應，導致電壓升高進行機理分析，首次給出了考慮電纜充電特性含虛擬電容充電的配電網模型，然后通過電力系統仿真軟件ETAP搭建某城區某110kV變電站110kV～10kV配網系統模型，并在所帶某條10kV電壓越限線路各處可行位置配置電抗器進行無功補償，利用仿真對比的方法，得到最優布點位置。

關鍵詞：配電網 電壓越限 無功補償 最優布點

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（a）-0038-02

為改善現代城市整體市容市貌，電纜線路在城區配網建設中應用越來越廣泛，電纜線路的電容充電特性相比于同等電壓等級的架空線路更加明顯，一旦線路過長，在線路輕載和負荷低谷時段，則會出現電壓升高越限、無功倒送等問題，危及相關電氣設備安全。相關研究表明在變電站內及用戶側安裝電抗器進行電壓控制，效果并不明顯。因此，亟需通過在配網10kV線路中配置無功補償設備來改善配網無功分布，達到改善電壓質量的目的。由于配網線路節點眾多，在何處配置多大容量無功補償設備成了解決問題的關鍵。

目前國內外關于配電網無功補償相關研究主要集中在針對線路末端電壓偏低問題。關于電壓上升越限，無功倒送問題主要集中在分布式光伏發電及其小水電發電系統。文獻[1]利用光伏逆變器實現的自動電壓與功率因數控制方式改善電壓越限情況，并通過仿真證明了該方式可以較好地解決高滲透光伏接入條件下，配電網線路電壓越限問題。文獻[2]在分析分布式光伏發電接入點電壓特性的基礎上，提出一種能夠防止饋線電壓越限的控制方案，可以滿足在提高光伏并網滲透率的基礎上，保證電壓質量，解決配電網線路電壓越限問題。文獻[3-4]具體闡述目前小水電上網配電線路電壓越限治理相關措施，提出了利用并列電抗器補償及水電機組之間協調運行的方法成功解決電壓越限問題。

本文首先通過對配電網電纜線路產生的電容效應，導致電壓升高進行機理分析，然后通過電力系統仿真軟件ETAP搭建某城區某110kV變電站110kV～10kV配網系統模型，并在所帶某條10kV電壓越限線路各處可行位置配置電抗器進行無功補償，利用仿真對比的方法，得到最優布點位置。

1 考慮電纜充電特性的配電網模型

為了更好地分析電纜線路充電特性對配電線路的電壓影響，建立了如圖1所示的含虛擬電容的理想配電線路結構模型，該模型只包含主干線，由系統等值電源和輻射狀的帶有若干虛擬電容和負荷的主干線路構成，電纜線路的容性無功充電特性等效于電容效應，故此處用等效虛擬電容模型表示電纜的容性充電效應。

2 線路電壓降落的解耦分析

電力傳輸時，由于線路存在阻抗，首末端存在一定的電壓降落，如圖2所示，其對應的電壓相量圖如圖3所示。

一般情況下，，因此，傳輸線路末端的電壓可以簡化為：

（1）

由電壓降落的基本計算公式進行推導可得：

（2）

故傳輸線路末端電壓為：

（3）

式（2）（3）中，ΔV為傳輸線路末端的壓降，V1為110kV變電站10kV母線的電壓，V2為負荷節點電壓；P為有功負荷，Q為無功負荷，R為線路電阻，X為線路電抗，R0為單位長度的電阻值；X0為單位長度的電抗值；Δvp、Δvq分別為單位長度線路輸送單位有功功率、無功功率引起的壓降。

在負荷低谷方式下，配電線路末端將出現無功倒送，線路末端電壓比變電站母線電壓高一個電壓差ΔV，也即 ΔV為負值，出現末端電壓高于首端電壓情況。

3 算例分析

某變電站某條10kV線總長度約為2670m，采用全電纜線路型號為YJV-300。共有小區變16臺，總容量為11660kVA，單電源專變2臺，容量600kVA，雙電源專變15臺，容量11580kVA。利用ETAP軟件，將該變電站該條線路的網架結構線路參數等輸入到軟件中，進行仿真模型搭建，仿真初始潮流10kV主干線節點電壓分布如表1所示。

在各個主干線節點依次投入一個容量為2Mvar的電抗器，比較主干線節點電壓分布情況，主干線節點電壓分布趨勢如圖4所示。

由圖4可以看出，前端節點投入一定的感性無功補償對后端節點電壓不起直接抑制作用，但是后端節點投入一定的感性無功補償不僅可以明顯降低改補償點的電壓，同時還可以對前端節點電壓具有直接的抑制效果，即距離主干線母線越遠，抑制主干線結點電壓抬升的效果也越明顯。

4 結語

本文首先通過電力系統仿真軟件ETAP搭建某城區某110kV變電站110kV～10kV配網系統模型，并在所帶某條10kV電壓越限線路各處可行位置配置電抗器進行無功補償，利用仿真對比的方法，發現離主干線母線越遠，抑制主干線結點電壓抬升的效果也越明顯，得到了最優布點位置。另外，在投入無功補償裝置后，可以明細吸收過剩無功功率，改善供電電壓質量，達到降低電壓的目的。

參考文獻

[1] 王穎，文福拴，趙波，等.高密度分布式光伏接入下電壓越限問題的分析與對策[J].中國電機工程學報，2016， 36（5）：1200-1206.

[2] 王鶴，陳玉芳，李國慶，等.大規模分布式光伏接入的配電網電壓越限解決方案[J].東北電力大學學報，2017， 37（6）：8-14.

[3] 宋振躍.一種含有小水電并網的智能型饋線自動化系統研究[J].機電信息，2018（6）：11-13.

[4] 厲志強.小水電上網配電線路電壓越限治理措施[J].電工技術，2017（5）：92.