110kV輸電線路分布電容對功率因素的影響

李永霞 張 有

0 引言

110 kV 架空輸電線路在輸送負荷功率的時候，自身也要消耗有功、吸收或輸出無功，當線路處于輕載運行狀態時，線路相間及對地產生容性充電功率，會對功率因素造成一定的影響。張利剛［1］針對輸電線路容性功率對功率因素的影響，分析了自然功率是區分輸電線路吸收和輸出無功功率的界限，并指出目前還無補償措施來解決線路容性無功在小負荷情況下對功率因素的影響。田奇［2］針對功率因素偏低的問題對無功補償裝置容量的確定給出了建議。在實際應用中，對于輸電線路容性充電功率對功率因素的影響如何采用有效的方案還存在一些問題。鑒于此，筆者通過對大同煤礦集團夏家河110 kV 變電站輕負荷期間的實際數據為依據進行分析計算，找出了影響功率因素的原因，并提出了具體解決方案，以期為實際應用中解決110 kV 及以上輸電線路容性充電功率對功率因素的影響提供借鑒。

1 問題的提出

夏家河110 kV 變電站為同發東周窯礦生產和辦公供電,兩回110 kV 電源分別從大同供電公司的高山220 kV 變電站引出高夏線10 km，小京莊110 kV 變電站引出小夏線27.7 km。夏家河變電站電量計量點分別位于高山220 kV 變電站和小京莊110 kV 變電站的110 kV出口開關，小夏線在2017年6月28日到7月25日運行期間，電量統計如下：有功電量為35 640 kWh，無功電量為673 200 kWh，功率因素為0.05。而從夏家河變電站運行人員對進線開關電能表的每日抄表情況看，功率因素在0.97左右，供電側和用戶側功率因素不一致。大同市供電公司對我公司實行的功率因素標準為0.9，當月支出功率因素調整費為1 842 973.29元。

2 原因分析

2.1 容性電流產生的分析

輸電線路的相相、相地之間都存在分布電容［3］，

式中ε為介電常數；h為導線對地距離；s為導線間距；L為導線長度；r為導線半徑。

當交流電壓加在輸電線路上，在三相導線周圍會產生交變電場，在它的作用下，不同相導線之間及導線和大地之間會產生容性電流，形成容性充電功率。

圖1 小夏線一相的∏型等值電路

小夏線一相的∏型等值電路如圖1（M 代表小京莊變電站側，N 代表夏家河變電站側），R、X、B 分別為一相的電阻、電抗、電納。設變電站計算負荷中有功功率為P2、無功功率為Q2，則負荷功率SLD=P2+jQ2。設M端電壓U1=U1∠0°、N端電壓U2=U2∠0°，則線路N端充電功率⊿Sc2=-jBU22/2=-j⊿Qc2，N端總的復功率S2=P2+j（Q2-⊿Qc2）。線路上的功率損耗⊿Sz=［P22+（Q2-⊿Qc2）2］R/U22+j［P22+（Q2-⊿Qc2）2］X/U22=⊿Pz+j⊿Qz。線路M 端的充電功率⊿Sc1=-jBU12/2=-j⊿Qc1，則M 端復功率S1=P2+⊿Pz+j（Q2+⊿Qz-⊿Qc1-⊿Qc2）。

在小夏線帶負荷運行時，礦井的感性無功負荷會起到平衡線路充電功率的作用，當Q2+⊿Qz-⊿Qc1-⊿Qc2>0 時，線路的充電功率起到了無功補償的積極作用，在線路輕載運行時，負荷的感性無功（Q2）比較小，會使Q2+⊿Qz-⊿Qc1-⊿Qc2<0，此時容性無功過剩并向電網側反送。

架空線路對地產生的充電功率，可按公式進行估算，也可查表。小夏線的線路參數為：供電電壓110 kV，線路型號LGJ-240，線路長度27.7 km。經查表得每公里的充電功率為0.034 3 Mvar/km，則該線路的充電功率為

而當時實際無功功率僅為20 kvar左右，線路充電功率遠遠大于無功功率，出現反送無功的現象，導致功率因素極低，由此可見，輕載線路對地及相間分布電容引起的容性充電功率是造成功率因素低的主要原因。

2.2 電容電流對電能計量的影響

2.2.1 電子式多功能電能表的無功四象限

不同國家對四象限無功的定義不一樣，根據電力部行業標準DL/T645-1997，多功能電能表通訊規約對電能測量四象限的定義如圖2所示，

圖2 對電能測量四象限的定義

電流I 位于第Ⅰ象限，I 與U 相位角為（順時針為正），表示輸入有功（+P）和輸入無功（+Q），所謂“輸入”“輸出”是相對于電網用戶而言的，輸入有功功率是電網向用戶送電，是用電用戶，輸出有功功率是用戶向電網送電，是發電用戶。

無功概念比較復雜［4］，對于用電用戶來講，用戶是負載，分為感性負載和容性負載兩種，當負荷為感性負荷時，無功功率為正，容性負荷時無功為負。

2.2.2 無功電量的計量方式

無功計量的目的是考核功率因素，降低線路損耗。我們作為用電用戶，運行情況如圖3所示

圖3 運行情況

大同市供電公司是按照如下公式對功率因素進行考核的：

這種計算方式相當于無功功率等于感性加容性的和，即圖2中的Ⅰ象限和Ⅳ象限無功功率之和。當線路處于輕載狀態時，Q1+|Q2|+Q3+|Q4|為線路分布電容形成的無功功率和用戶側實際消耗的無功功率之和，而用戶側參考點無功功率只包含用戶實際消耗的無功功率Q1+Q3，因此，造成貿易結算點的功率因素低于用戶側參考點的功率因素，還會因有功功率小，無功功率大，導致功率因素非常低的現象。

3 解決措施

通過上述的分析可知，架空線路輕載運行時，負荷側注入到線路上的感性無功小，無法抵消線路充電功率產生的電容電流，大量的無功由負荷側流向電源側，以及反向充電無功對貿易結算的影響［5］。

為了解決以上問題，我們通過注入感性電流以減小架空線路電容電流的影響，具體措施如下：

⑴選定設備

夏家河變電站選用的是MCR 型SVC 動態無功補償裝置，安裝于主變低壓側母線上,主要作為無功補償和濾波器使用。此次，通過單獨投運磁控電抗器，向系統注入感性電流以限制線路容性電流。

⑵確定投入容量

按照系統運行要求，電抗器投入后首先確保系統為阻感性負荷，其次在阻感性負荷下，減少投入容量，以提高功率因素。

在實際操作中，通過對無功電量進行計算，確定小夏線倒送無功約為1 100 kvar，于2017年8月11日下午18點投電抗器，在運行中通過對8月25日和8月10日的無功電量進行比較，確認系統已呈感性，且無功負荷滿足要求。

電抗器于8月11日投運后，到9月25日抄表，反饋給我們的是有功電量947 760 kWh，功率因素0.75，功率因素提高幅度是相當明顯的。

⑶適時投切電抗器

電抗器投運后，要根據實際負荷的變化，調整補償容量，并適時投切電抗器，實現最優補償。

在2017年10月9日到11月17日期間，根據負荷情況，電抗器退出了運行，于11月18日因負荷較低，電抗器又投入運行，每月的功率因素均能在0.9以上，不僅不會因功率因素低而罰款，還會受獎。節約了用電成本［6］。

4 結論

（1）在110 kV變電站設計中，當輸電線路較長時，應重視當礦井生產設備調試未正常運行或生產部署作調整期間，出現的因負荷小架空線路容性充電功率造成電源側功率因素低的狀況，因此需考慮配置電抗器，或者選擇MCR型SVC或SVG動態無功補償裝置。

（2）在計量裝置裝于電源側，線路處于輕載狀態時，線路容性充電功率會造成貿易結算點的功率因素低于用戶側參考點的功率因素。

（3）在一般情況下，輸電線路容性功率對功率因素影響不大，感性負荷會起到平衡線路充電功率的作用，但當輸電線路距離較長而負荷又較小時，即負荷功率小于自然功率，線路相間及對地產生的容性充電功率除了抵抗電抗中的損耗外還有多余，向電網反送無功，造成功率因素減小，功率因素調整電費增加。

（4）在采取投運電抗器限制架空線路電容電流時，需合理確定電抗器投入的容量，同時根據實際負荷的變化，適時調整容量以及投切狀態，以達到最優補償。