轻负荷时期高压电缆充电功率对电网无功平衡的影响分析

谭晓莉

（国网四川省电力公司德阳供电公司，四川 德阳 618000）

随着电力企业规模化发展，电网运行中就要面临负荷需求增高的问题。无功电量作为电能计量的重要组成部分，对电网运行功率因素起到决定性的作用。无功功率产生于电力设备运行中同步电机的励磁系统或者其他的无功电源，所以，电力设备电机机组运行的时间和无功功率的大小对电能计量起到决定性的作用。电力系统安装无功补偿装置可以确保网络处于无功平衡运行状态，使电网运行成本降低，而且还能够提高电能质量。

一、某地区电网无功补偿情况

2014年1月~8月，某地区电网系统电压水平出现了快速增高的趋势，到9月份，由于电网处于轻负荷状态，导致电网供电平衡受到了影响。电力系统的电压水平呈现出整体偏高的趋势，使得电网很难达到无功平衡，严重影响了电网的供电质量。2014年1月~8月，该地区电网都采用并联电容器，无功补偿的总容量可以达到394.7兆乏，无功补偿率仅为9.77%。国家电网公司对无功补偿率的要求为10%~30%，所以，该地区电网的无功补偿率不符合下限要求。对电网无功平衡状况进行分析发现，当该地区处于重负荷时期，无功功率可以达到平衡状态。当电网在轻负荷时期运行，无功最大出力只有374.5Mvar，无功出力明显不够，需要投入电容器以补偿电压不足。造成电网无功补偿不足的重要原因就是受到了高压电缆充电功率的影响。

二、电缆充电功率的计算方法

（一）电缆充电功率的计算内容

为确定电网220kV电缆充电功率对无功平衡产生影响，下面重点分析2014年9月份电缆充电无功对电网运行所产生的影响。

地区内电网供电采用BPA程序，在不考虑负荷所存在的动态特性的情况下，设定发电机功率因数为0.83，变压器负荷功率因素为0.86。计算过程中，各级母线电压的上限和下限的确定以无功电力管理规定中有关母线电压所允许的偏差值作为参考。变电站内的变压器容量为180MVA和250MVA。下面开始分析短路容量下电缆充电无功功率对不同的220kV变电站电压所产生的影响。运用变电站的总无功计算电缆的总充电功率。无功计算公式如下：

其中：

△u：节点电压的变化量，单位：千伏（kV）。

△Q：节点注入无功的变化量，单位：兆乏（Mvar）。

表1 全网充电功率补偿前后无功平衡对比

Ssc：节点的短路容量，单位：兆伏安（MVA）。

如果变电站进出线电缆所产生的无功为100 Mvar，低压侧所投入的感性无功容量为22.5 Mvar，这样变压器三侧电压就可以满足电压运行要求。220 kV电缆的无功补偿，可以使高压和低压的电抗器进行补偿，且高压电抗器处于并联状态，如果用于电网无功补偿，要确保电压平衡，就要安装在220 kV母线上。

结合该地区的基本情况，通过无功计算公式可以明确电缆线路的充电功率与电压波动之间所存在的对应关系。电缆线路的充电功率形成的无功增量，会导致母线电压不稳定，这是由于节点的短路容量的影响而导致电压不稳定。

电缆线路的充电功率计算公式：

其中：

Qc：电缆充电功率。

U： 线电压。

Xc：电缆容性电抗。

根据2014年9月份电压实际运行情况进行计算，得出220kV电缆的充电功率2.365Mvar；110kV电缆的充电功率为65.14Mvar；10kV电缆的充电功率为30.632Mvar，电缆充电功率总量为98.137Mvar。

（二）高压电缆充电功率补偿计算

2014年9月份，该地区的用电高峰已经过去，电容器退出运行，投入使用电抗器。在忽略电抗器补偿容量时，高压侧的功率因数计算公式：

其中：

cosφ：高压侧功率因素。

QL： 负荷侧电抗器补偿容量。

△Qc：电缆容性充电功率。

将电抗器补偿容量忽略，高压侧的功率因数计算公式：

如果以控制功率因素0.95作为电功率控制目标，用电高峰期，电网功率因素会高于0.95，当用电高峰过后，会低于0.95，运用公式（4）计算，可以获得无功需求容量330 Mvar。当装设容量为190 Mvar的电抗器之后，如果电抗器每组为10 Mvar，则220 kV变电站低压侧就需要装设电抗器14组。

随着短路容量的增大，电压就会趋于稳定，充电功率的影响下所形成的无功增量就会降低敏感度。相反，短路容量越小，电压的稳定性就会有所降低，波动服务相对较大，无功增量就会提高敏感度。短路容量不同，以补偿系数作为指标，电缆充电功率与无功补偿之间所建立的关系可应用如下公式表示：

补偿系数=感性补偿容量/E无功

其中：

补偿系数：短路电流环境下感性补偿容量系数。

感性补偿容量：在短路容量环境下所需要安装的感性无功补偿容量。

E无功：变电站高压侧进出线和中压侧进出线部分的充电无功，或者使用电缆后产生注入到母线的充电无功。

补偿系数越大，变电站的短路容量随之降低，当进行充电无功补偿时，即便是数量相同，需要注入的感性无功补偿容量也会相对较大。相反，补偿系数越小，变电站的短路容量随之升高，当进行充电无功补偿时，数量相同的情况下，需要注入的感性无功补偿容量也会相对减小。

三、电缆充电功率对全网无功平衡所产生的影响

2014年9月份，该地区经历了用电高峰之后，负荷急剧降低，无功需求逐渐减少，电网的电压水平增高，功率因数也随之增高。为了确保电压处于平稳状态，电网所用变压器的补偿电容器退出运行大约98%，投入使用电抗器的投入率为100%。将电抗器投入容量扣除，即为电网自然无功水平。以轻负荷期间的负荷数据作为参考依据进行计算，能够更为有效地分析电功率的影响。全网充电功率补偿前后无功平衡对比见表1。

从表1可见，充电功率补偿前电网功率因数超过0.83，补偿后电网功率因数超过将近0.82。如果对9月份全网与功率因素进行控制，设定目标为0.83，按照公式，就可以将无功需求容量计算出来，为323Mvar。但是，该地区电网所装设的电抗器容量为190Mvar，按照常规10Mvar计算，220kV变电站需要在低压侧安装13组电抗器。

四、高压及低压电抗器的选择

轻负荷时期，高压电缆充电功率必然会影响到电网无功平衡，要正确地选择高压电抗器和低压电抗器，就要进行220kV高压电缆线路的工频过电压计算和操作过电压计算，以对电压是否超出限定值加以确定。如果经过测算后，存在电压不稳定状态，可以在线路上安装并联电抗器，连接断路器。如果测算结果没有问题，就可以选择在线路上安装低压电抗器。结合上文的案例分析，该地区电网系统需要在变电站低压侧安装13组电抗器，从而才能保证线路正常工作。

低压电抗器的单组容量和低压电抗器总容量都不可以过大。单组容量通过计算得出，根据当地的短路容量确定。低压电抗器会影响到母线电压，即当电抗器投入较为集中，就会对变压器的有功损耗和无功损耗产生影响。如果低压侧有直配负荷，对电抗器的容量就需要予以控制，以避免对负荷侧电压造成影响。如果产生相对较大的波动，且缺少电压支撑，就可以采用交换虚拟电路迅速补偿，以减少电压波动，提高电网运行的稳定性。

结语

综上所述，本文建立在某地区电网系统电压水平出现了快速增高的趋势基础上分析轻负荷时期高压电缆充电功率对电网无功平衡的影响，得出结论为：轻负荷时期，电网负荷下降，无功需求也会相对减少，高压电缆充电功率会影响到电网无功平衡。因此，需要以高峰负荷作为参考依据在电缆线上安装无功补偿装置，确保电网运行中电压保持平稳，不会出现电网倒送无功的现象。

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