輕負載時35kV 電纜充電功率對功率因數的影響及解決

劉追

（深圳市建筑設計研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230001）

1 原理及計算工具

1.1 電纜對地電容

當埋地電纜通過電流時，導體相當于電容的一極、大地相當于另一極，絕緣材料及空氣便是絕緣介質，由此產生了電容效應。電纜越長其電容值越大。

1.2 計算公式及參考值

根據式（2）、式（3）以及表1、圖1 可以計算出常用35kV 交聯聚乙烯電纜（三芯）單位長度的電容參數和充電功率值，如表2 和表3 所示。

表1 介質系數值

表2 35kV 交聯聚乙烯電纜（三芯）單位長度的電容參數

表3 35kV 交聯聚乙烯電纜（三芯）單位長度的充電功率

圖1 多芯電纜幾何因數[1]

1.2 補償計算公式

補償前市政電源點35kV 出線側高壓功率因數：

2 分析

2.1 項目概況

項目位于合肥市濱湖新區，為某銀行省分行及生產數據中心。總變電站設計規模為2 臺16000kVA 主用變壓器，電壓等級為35kV。采用雙回路供電“全主全備”方案，即兩回線路同時分段運行，當某回線路失電，通過進線與母聯開關的連鎖，另一回線路可滿足整個項目用電。

本項目變配電部分由兩家設計單位承接，分別負責市政外線電纜和紅線內部的設計。

2.2 外部線路電源點情況

本項目兩回線路分別為云谷變線路（1#線路）和濱湖變線路（2#線路）。其中1#線路長度13km 均為電纜占管敷設；2# 線路為14km 電纜線路和1.5km 架空線線路。所有電纜線路均采用YJV22-26/35kV-3×400 型電纜。

2.3 發現問題

在項目變配電工程建設完畢，通過供電部門驗收并正式送電后，而相關機電調試工作正在開展，項目未投入運行。項目現場僅有少量照明用電及調試運維用電。運行期間，變配電系統各設備運行正常，現場巡檢及后臺系統均未出現故障報警信息。

2.4 分析準備

在正式送電后項目管理公司存有關口表計的讀數以及項目現場用電設備型號的大量數據。對工地用電設備的設備型號、用電功率、以及使用時長，每日早晚均作了細致的錄入，項目建設的電能管理系統也完整記錄了送電后所有的能耗信息。

表4 截取1#回路其中一周（2 月4—10 日）內每日下午14：00 時記錄的主要相關數據。

表4 1# 回路現場表計實際讀取數據

表4 數據表明本項目紅線范圍內電能指標正常。針對表4 數據，同時做了如下故障排除工作。

（1）對主要關口表進行了同類替換，替換后發現讀數與替換前基本一致，因此排除表計故障原因而導致表2 未能準確反映項目實際用電參數的情況。

（2）根據項目管理公司提交的每日施工設備使用情況登記表，以及相關變壓器與電容補償裝置的工作狀態的逐一巡查。排除大無功功率設備和大量變壓器空載運行（全部空載變壓器均已退出運行）的情況。

（3）調取外線設計單位的設計文件，發現在設計過程中，發生因道路施工無法敷設而繞行的情況。最終導致線路大幅增加。同時考慮電纜截面較大，因此將電纜充電功率作為排查的主要方向。

2.5 抽取典型數據計算分析

確定排查方向后，調取了供電部門的相關數據，在2 月10 日地下室風機調試當天，1#回路功率因數僅為0.24。根據當日用電設備登記表發現地下室所有風機均啟動運行超過24h，全部運行設備共260kW，風機查表功率因數為0.75。結合當日功率因數表讀數為0.989。利用式（4）可得項目負載側內當日（24h）無功功率（補償后）為38.89kVar，而市政變電所出線側無功功率為1090.56kVar。推導出線路部分產生的無功功率約為1051.67kVar。

根據外線施工單位提供的線路參數，1＃回路長度為13km，均為電纜占管敷設。電纜型號為YJV22-26/35kV-3×400。

根據表2，單位距離電纜充電功率為80.39kVar/km。故1＃回路電纜充電功率為：QC=13×80.39=1045.07（kVar）。

兩種計算方式結果基本吻合，可以判定電纜充電功率是市政變電所出線側功率因數過低的主要原因。

3 解決方案

3.1 實施準備

隨著項目投運后產能的逐步提升，用電量也隨之增大。以1＃回路為例，根據式（5），當1＃回路母線段用電容量達到設計容量4644kW 時，按照負載側補償后功率因數0.95 的設計目標考慮，市政變電所出線側1＃回路功率因數可達到0.9 以上。

經過項目管理公司與銀行總務處溝通，獲得詳細投產運營計劃：第一階段，一個月內數據災備中心首先投入使用，最低容量為4400kW（每段母線約2200kW），用電波動不超過+10%。隨后第二階段，是較長時間的部門調整和搬遷工作，若達到每段母線4644kW 的設計目標容量需要較長的時間周期，而且在春節時期會出現負荷大幅度降低的情況（災備中心用電不變）。為避免造成損失，必須立即采取相應補償措施。

根據上述條件并運用式（4）、式（5）以及表3，進行如下計算。

因本項目架空線路較短且35kV 架空線路充電功率較小，故2＃線路按14km 電纜線路考慮。

1＃線路電纜充電功率：QC1=13×80.39=1045.07（kVar）。2＃線路電纜充電功率：QC2=14×80.39=1125.46（kVar）。根據國家電網公司《電力系統無功補償配置技術原則》的要求，35～220kV 變電站在低谷負荷時功率因數不應高于0.95，以下計算解決措施中也以此為標準。

在本工程災備中心投運后，根據式（4），按0.95 的用戶負荷側補償設計標準，可計算得：

根據式（5），要達到0.9 以上的功率因數，可設置800kVar 電抗器吸收電纜容性無功。補償電纜充電功率后市政變電所出線側的功率因數：

1＃回路：

3.2 實施過程

根據計算結果并結合現場情況，按如下方案實施。在現有35kV 高壓室內增設兩臺800kVar 35kV 高壓三相電抗器，接入兩段35kV 母線備用間隔。

采用并聯連接方式，接入原有兩段母線備用回路。

3.3 實施效果

通過項目管理公司有效的組織，兩組電抗器迅速安裝完畢。在接下來一個月災備中心按時投運后供電部門讀取的數據中，功率因數有顯著改善，兩路電源功率因數均達到了0.9 以上，實現了設計預期。從經濟角度考慮，兩組電容器的投資額遠遠小于輕負載時期功率因數過低處罰帶來的經濟損失。在項目完全投入運營后的輕負荷期，也能長期發揮作用。

4 結語

部分項目在送電初期以及春節、國慶等節假日期間，用電負荷大幅降低。在這種輕負荷期間內長距離電纜充電功率對用電客戶功率因數的影響較大。因此在變電站工程設計中必須引起重視，對項目的投運計劃、用電負荷加載步驟做充分的調研和詳細的評估，內外線協調一致統一行動，根據評估和計算結果給出準確的補償方案，兼顧經濟性，在設計階段解決問題。