城市电缆充电功率对无功平衡及电压控制的影响研究

周 楚，王 涛，刘海光，曹 侃，蔡德福

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

[摘 要] 城市电缆的广泛应用带来了大量的充电功率，导致电网无功功率充裕甚至过剩，引起系统电压偏高，在小负荷方式下其影响尤为明显。讨论了电缆充电功率的理论计算，并结合具体实例分析了小负荷方式下电缆充电功率对电网无功平衡及电压控制的影响，最后提出了加装感性无功补偿装置等控制措施的建议。

[关键词] 城市电缆；充电功率；无功平衡；电压控制

0 引言

近年来，随着负荷的不断增长，以及线路走廊的日益紧张，电缆在城区电网建设中得到了广泛应用。由于电缆具有较大的等值对地电容，在小负荷方式下易出现充电功率过大导致无功反送的情况，引起系统电压偏高甚至越限，不利于电网的安全稳定与经济运行。

依据《电力系统电压和无功电力技术导则》[1]规定：当系统轻负荷时，对220 kV变电所，在电缆线路较多且在切除并联电容器组后，其一次母线功率因数高于0.98时，应装设并联电抗器。因此，有必要对小负荷方式下城市电缆充电功率对电网无功平衡和电压控制的影响进行研究，并提出相关控制措施。

1 电缆充电功率理论计算

1.1 电缆充电功率计算推导

电缆与架空线路在材料、物理结构以及铺设方式等方面存在较大差异。与架空线路相比，电缆单位长度的等值对地电容大，电缆的充电功率与其电压等级、电缆截面与型号等因素有关，见公式（1）和（2）。

式中：XC为电缆等值对地电容的电抗值;QC为电缆充电功率;U为电缆等效电压，在近似计算中可用供电母线电压代替。额定电压下，不同截面和电压等级的电缆充电功率见表1。

表1 不同截面和电压等级的电缆充电功率
Tab.1 Cable charging power for different cross-sections and voltage levels

截面/mm2800 1 000 1 200 1 600 2 000 2 500交联聚乙烯（XLPE）电缆充电功率/(Mvar·km-1)110 kV 0.82 0.90 0.99 1.11 1.20 1.31 220 kV 2.67 2.86 3.09 3.39 3.62 3.85 500 kV 9.61 10.74 12.21 14.20 15.16 16.11

1.2 电缆充电功率计算实例

以湖北武汉凤凰山供电区域为例，对其电缆充电功率进行计算分析。

1.2.1 凤凰山供区电压运行概况

凤凰山供区2016年1～2月电压水平整体偏高，各站点最高电压均在236 kV以上，超电压上限235 kV，见表2。其中，珞珈山站电压最高，1月和2月最高电压分别达到238.1 kV和238.7 kV，2月最高电压超出电压上限3.7 kV。

表2 凤凰山供区2016年1～2月最高、最低电压情况
Tab.2 The highest and lowest voltage values from January to February in 2016 in Fenghuangshan area

站名凤凰山江夏关山珞珈山庙山巡司河岳府湾1月最高电压/kV 237.4 236.4 236.9 238.1 237.4 237.7 236.5最高时刻/kV 31日 4∶30 31日 4∶30 31日 4∶30 31日 4∶25 31日 4∶30 31日 4∶30 31日 4∶45最低电压/kV 227.0 227.0 225.4 226.6 227.0 226.2 226.6最低时刻25日 9∶25 12日 9∶25 12日 9∶25 25日 9∶25 21日 9∶45 12日 10∶45 21日 9∶45 2月（1～17日）最高电压/kV 237.7 236.3 237.3 238.7 237.7 237.8 236.7最高时刻11日 6∶40 11日 6∶45 10日 4∶20 12日 6∶25 10日 0∶40 10日 0∶40 10日 0∶40最低电压/kV 230.0 229.5 228.5 230.1 230.1 229.2 229.9最低时刻2日 9∶25 2日 9∶25 2日 9∶25 2日 9∶25 2日 9∶25 2日 9∶25 2日 9∶25

1.2.2 凤凰山供区电缆充电功率计算

以220 kV凤凰山-珞珈山Ⅰ回线为例对其充电功率进行详细计算。经核实，凤珞线电缆分为三段，每段起止杆塔、型号及长度数据见表3。

表3 220 kV凤珞Ⅰ回电缆起止位置、型号及长度
Tab.3 Starting and ending positions,model and length of 220 kV Fengluo cable line

序号123合计起点038号060号珈036终点039号061号070号电缆型号YJLW-2000 YJLW-1000 YJLW-1000电缆长度/km 0.676 2.857 3.968 7.501

由凤珞线电缆生产厂家提供电缆电容为0.172 μF/km。电缆容性电抗为

可计算出额定电压下每公里电缆充电功率为

220 kV凤凰山-珞珈山实际电缆长度为7.501 km。以小负荷方式典型时刻2016年2月13日6：35时为例，珞珈山站实际运行电压237.8 kV，由此可计算出220 kV凤凰山-珞珈山双回线电缆充电功率理论值为45.8 Mvar。

供区内220 kV电缆充电功率情况见表4，凤凰山供区电缆长度及充电功率情况见表5。

表4 凤凰山供区220 kV电缆型号、长度
Tab.4 220 kV cable model and length of Fenghuangshan area

序号12345678线路名称凤珞二回凤珞一回巡鲇一回巡鲇二回凤关二回凤关一回关巡二回关巡一回合计电缆长度/km 7.31 7.50 7.20 7.16 3.34 3.33 3.33 3.38 42.57电缆型号YJLW03-1×2000 YJLW03-2000 YJLW02—1600 YJLW02—1600 YJLW03-2000 YJLW03-2000 YJLW03-2000 YJLW03-2000单位长度导线充电功率/Mvar 2.86 2.86 3.39 3.39 3.62 3.62 3.62 3.62充电功率/Mvar 20.91 21.45 24.41 24.27 12.09 12.05 12.05 12.24 139.47

表5 凤凰山供区电缆长度及充电功率情况
Tab.5 The cable length and charging power of Fenghuangshan area

参数220 kV电缆总长度/km 220 kV电缆充电功率/Mvar 110 kV电缆总长度/km 110 kV电缆充电功率/Mvar电缆充电功率合计/Mvar 2016年2月13日6∶35 42.57 139.5 103.42 83.7 223.2 2013年2月13日5∶05 15.00 45.7 62.27 50.4 96.1

由表5数据可知，近两年凤凰山供区电缆充电功率增加了127.1 Mvar。

2 电缆充电功率对无功电压的影响

2.1 电网无功分层平衡情况

以2016年2月13日06：35时刻为例，分析凤凰山供区层间无功平衡总体情况，便于分析供区内无功功率整体流向、无功补偿及运行效果、电厂无功出力水平等。凤凰山供区层间无功平衡情况见表6和图1。

表6 凤凰山供区层间无功平衡情况
Tab.6 Interlayer reactive power balance of
Fenghuangshan area

项目220 kV电厂出力外区送入220 kV线路500 kV主变向220 kV网络提供功率220 kV电缆充电功率220 kV线路充电功率220 kV主变高压侧下网潮流平衡结果有功/MW 0 12 472 00 452 32无功/Mvar 0-71-132 139 55-6-15

图1 2016年2月13日06∶35时凤凰山供区层间无功平衡情况（单位：MW、Mvar）
Fig.1 Interlayer reactive balance of Fenghuangshan area at 6∶35 on February 13,2016

结合表6和图1可知，凤凰山供区220 kV无功功率主要是由220 kV电缆产生，并主要流向500 kV变电站。在电缆较多的供区，其充电功率是影响该区域内无功功率的主要因素。

2.2 电缆充电功率对电压的影响

2016年2月13日6：35时，凤凰山中压侧电压236.5 kV，造成凤凰山供区多座220 kV电压越上限，其中珞珈山站电压达到237.8 kV，高出上限电压2.8 kV。该时刻电压及详细潮流情况如图2所示（注：括号内数据为变电站高压侧潮流）。从图2数据可知，凤凰山供区凤凰山-珞珈山双回、凤凰山-关山双回等多条电缆线路反送无功功率较大。

将供区内考虑电缆充电功率前后各站点电压情况进行对比，见表7。由表7可知：考虑电缆充电功率后，凤凰山供区内站点电压值上升1.7～2.4 kV，电缆充电功率是造成供区内电压偏高的主要原因。

图2 2016年2月13日6∶35时凤凰山供区实际潮流图(单位∶MW、Mvar、kV)
Fig.2 Actual power flow diagram of Fenghuangshan area at 6∶35 on February 13,2016

表7 考虑电缆充电功率前后各站点电压值对比
Tab.7 Comparison of voltage values before and after considering the cable charging power

站名凤凰山江夏关山珞珈山庙山巡司河岳府湾电压值/kV（考虑电缆充电功率）236.6 235.7 236.5 237.0 236.6 236.5 235.6电压值/kV（不考虑电缆充电功率）234.6 234.0 234.1 234.6 234.6 234.1 233.9差值/kV 2.0 1.7 2.4 2.4 2.0 2.4 1.7

3 措施与对策

依据《电力系统无功补偿配置技术原则》[2]规定：对进、出线以电缆为主的220 kV变电站，可根据电缆长度配置相应的感性无功补偿装置。对2016年2月13日6：35时潮流进行仿真模拟，分析现场数据，进行投入500 kV凤凰山TCR、加装低压并联电抗器、加装SVG等措施的计算分析，从而找到改善凤凰山供区内珞珈山等站电压偏高问题的解决方案，计算结果如表8所示。

表8 各种降压措施对比分析（单位：kV）
Tab.8 Comparison of various voltage reduction measures

项目实际运行潮流仿真投入TCR投入TCR并新增1组60 Mvar低压电抗器巡、关、庙各投1组20 Mvar低压电抗器巡、庙、珞各投1组20 Mvar低压电抗器凤凰山中压母线电压236.5 236.6 235.7 234.9 235.7 235.6珞珈山高压母线电压237.8 237.0 236.2 235.4 236.1 235.7庙山高压母线电压236.7 236.6 235.7 234.9 235.6 235.6巡司河高压母线电压236.6 236.5 235.8 235.1 235.4 235.5关山高压母线电压236.4 236.5 235.7 235.0 235.4 235.5鲇鱼套高压母线电压237.0 236.7 235.9 235.3 235.6 235.6凤凰山高压母线电压538.2 539.6 538.6 537.7 538.8 538.8

综合表8计算结果可知，在凤凰山供区内加装60 Mvar感性无功补偿装置可保证系统无功平衡，有效控制供电电压。

4 结语

在小负荷方式下，对于电缆线路较多的城区，易出现充电功率过大导致无功反送的情况，引起系统电压偏高甚至越限。建议适当配置感性无功补偿装置以补偿电缆的充电功率。设计部门在配置感性无功补偿装置时，应以小负荷方式下的电网数据为计算依据，充分考虑电缆充电功率造成的影响，以提高无功补偿装置配置的准确度。

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Study on Influence of Charging Power of Urban Cable on Reactive Power Balance and Voltage Control

ZHOU Chu，WANG Tao，LIU Haiguang，CAO Kan，CAI Defu
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute，Wuhan Hubei 430077，China)

[Abstract] The widespread use of urban cable has brought plentiful supply of charging power,causing sufficient or even excess reactive power and high system voltage,which is especially obvious during the light load period.In this paper,the theoretical calculation of the cable charging power is discussed in detail.Combined with concrete examples,the influence of cable charging power on reactive power balance and voltage control in the light load period is analyzed.Finally,the suggestions of control measures such as installing inductive reactive power compensation device are put forward.

[Key words] urban cable；charging power；reactive power balance；voltage control

[中图分类号] TM732

[文献标志码]A

[文章编号]1006-3986(2017)03-0010-04

DOI：10.19308/j.hep.2017.03.003

[收稿日期] 2017-02-05

[作者简介] 周 楚（1987），女，湖北松滋人，硕士，工程师。