城市電網電纜充電功率計算及補償研究

董 紅 郭 挺 高艷娜 郭子軒

（南方電網廣東廣州供電局，廣東 廣州510610）

隨著經濟的快速發展和城市化進程的加速，電纜在城市電網中的應用也越來越廣泛，以廣州電網為例，截止2019 年底，110kV 及以上線路中電纜線路回數占比達45%、線路長度占比21%。相對架空線路，電纜具有阻抗較小、不受環境影響可靠性高、可大大改善市容市貌等優點。但相對架空線路，電纜有較大的對地電容效應，在交流電壓作用下產生容性無功功率，即對系統產生無功充電功率，不利于電網的安全穩定運行。尤其在節假日低谷負荷期間，電纜充電功率對系統電壓的影響更為明顯，有必要對電纜充電功率對系統運行的影響進行分析。

1 電纜的充電功率計算

電纜線路的π 型等值電路如圖1 所示：

圖1 線路π 型等值電路示意圖

π 型等值電路下，線路的充電功率計算如公式（1）所示：

式中：Qc為線路ij 的充電功率，Bij為線路對地電納，Ui、Uj為線路兩端電壓。

由公式（1）可見，電纜的充電功率與電纜的對地電納的大小及電壓等級的平方成正比。在實際的工程的近似計算中，通常采用的計算公式如公式（2）所示。

式中：Qc為線路充電功率；Xc為電纜等值對地電容的電抗值；U 為電纜等效電壓，在近似計算中可采用供電母線電壓。電纜充電功率與電纜截面和電壓等級有關，不同型號的電纜其充電功率也各不相同?；趶V州電網各電壓等級常用電纜型號，結合各截面電纜線路電容參數，利用公式（2）對10～220kV 交聯聚乙烯電纜單位長度充電功率計算如表1 所示。

表1 10～220kV 交聯聚乙烯電纜單位長度充電功率計算表單位：kvar

2 電纜充電功率對系統電壓的影響

由公式（1）及表1 可知，電纜的電壓等級越高、電纜截面越大、線路越長，產生的無功充電功率越大，由于無功功率在電網中流動，將導致其他節點電壓發生變化。為進一步分析充電功率對電網電壓的影響，以供電廣州中新知識城的科北片區電網為研究模型（片區電網接線示意圖如圖2 所示，合計220kV 電纜長度約160km），采用BPA 程序，對該局部系統在220kV 線路采用架空電纜型式，低谷負荷期間對近區220kV 節點無功電壓變化情況進行研究。低谷負荷期間不同線路型式下近區電網220kV 節點電壓情況如表2 所示。

圖2 規劃某年科北供電片區電網接線示意圖

表2 科北供電片區各220kV 節點電壓情況 單位：kV

由表2 可知，當線路采用電纜型式后，比采用采用架空型式電壓升高約18.9～21.7kV，升高比例約9%。其中，電纜線路較長的山口站、漢田站（山口- 漢田2×22km、科北- 山口2×20km）電壓升高最大，分別升高20.2kV 和21.7kV。即電纜充電功率對系統電壓的影響較大。

3 電纜充電功率的補償

隨著城市電纜化率的不斷提高，電纜充電功率帶來的無功功率對電網運行產生影響。通過無功補償可以改善電力系統無功平衡狀態，提高系統電能質量，同時降低電網運行成本。

3.1 充電功率補償計算

對電纜充電功率的補償計算，主要是確定低谷負荷期將系統節點功率因數調至規程規范要求標準所需補償的無功補償容量。假定電纜充電功率為ΔQC，變電站低壓側需補償的電抗器容量為QL，電纜充電功率補償后變壓器高壓側的功率因數cosφ 計算如公式（3）所示：

根據南方電網公司《電力系統電壓質量和無功電力管理標準》的規定，變電站裝設的無功補償裝置應避免大量無功電力穿越變壓器，35～220kV 變電站在低谷負荷時功率因數應不高于0.95。即在系統低谷負荷期間，變壓器高壓側功率因數cosφ≤0.95。據此，可以得出系統低谷負荷期補償電纜充電功率所需低壓無功補償容量QL的計算如公式（4）所示。

3.2 充電功率補償設備選擇

通常，系統的充電功率補償可以采用同步調相機，高、低壓并聯電抗器或者靜止無功補償裝置（如SVC、SVG）進行補償。

3.2.1 同步調相機

同步調相機可根據系統的需求，自動在電網電壓下降時增加無功輸出，在電網電網上升時吸收無功功率，以維持電壓，提高系統穩定性，是一種專門的無功功率發電機。它具有跟蹤速度快、補償范圍廣（容性、感性均可）、故障率低等優點；但同步調相機也存在運行維護比較復雜、小容量調相機單位容量投入費用較高等缺點。通常用于大型電網無功的大容量集中補償，容量一般大于10Mvar，多裝設在樞紐變電站、換流站等。

3.2.2 并聯電抗器

相比調相機，并聯電抗器結構簡單，易于維護，設備投資和運行維護費用都較小，具有較好的經濟優勢；高壓電抗器則一般直接接在高壓線路上，通過斷路器進行投切，起到限制工頻過電壓及操作過電壓，降低了相應設備的絕緣水平；低壓電抗器一般接在變電站低壓側母線上，造價低，操作方便。通常應在低壓電抗器投切時所產生的本母線電壓波動不宜大于額定值的2.5%。

3.2.3 靜止無功補償器

靜止無功補償器（SVC）是一種沒有旋轉部件，將可控的電抗器和電容器并聯使用?？梢愿鶕o功的變化情況，對電抗器進行快速精確調節，其動態響應時間短，可實現平滑調節。其缺點是本身會產生諧波，需配套配置電力濾波器。相對低壓電抗器，其造價較高，較多應用于對于日負荷波動較大或者缺少電壓支撐的地區。

3.2.4 靜止無功發生器

靜止無功發生器（SVG）是指自由換相的電力半導體橋式變流器來進行動態無功補償的裝置。SVG 并聯在電網中相當于可變的無功電流源，其無功電流可以靈活控制，自動補償系統所需的無功功率。其響應速度快、穩定無功電壓效果好，在降低系統損耗、降低諧波、減少占地面積等方面均有較好優勢。

在實際應用中，應針對不同設備的技術特性及適用環境，結合系統需求合理選取無功補償設備型式。

4 結論

電纜有較大的對地電容效應，在交流電壓作用下對系統產生無功充電功率，進而引起系統電壓偏高甚至越限，不利于電網的安全穩定運行。尤其在低谷負荷期間，電纜充電功率對系統電壓的影響更為明顯。需對系統相關節點進行充電功率及無功平衡計算，并結合不同無功補償設備的技術特性及適用環境，提出改善電網無功電壓運行的具體補償方案，以提高系統安全穩定運行水平，同時提高電能質量、降低電網運行成本。