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电力系统无功平衡中电力电缆规模的量化分析
作者：张清周 赵璞 王文香
来源：《海峡科技与产业》2016年第06期
摘 要：随着核心城市对城市景观要求的不断提高，电力电缆的使用日益广泛。由于电力电缆的充电功率较大，无功补偿的量化分析越发重要。本文以220kV环状或链状接线为模型，结合温州电网运行现状，简要阐明了电力电缆规模的计算方式。 关键词：电力系统；电力电缆；无功平衡；充电功率0 引言
随着社会经济的不断发展，核心城市对城市景观的要求不断提高，电力电缆的使用日益广泛。但是由于电缆线路产生的无功功率较大，如不能较为妥善的处理，将会严重影响电网的供电质量和运行安全。为更好地利用和调节电缆线路产生的无功功率，一般在电网中装设一定容量的感性无功补偿设备，以补偿电网低负荷运行方式时电缆线路产生的多余无功功率。对于电力前期、规划、设计等工作人员而言，了解无功平衡的边界条件，简要计算电力电缆的规模是十分必要的。 1 边界条件
对于500kV及以上的变电站，在线路上一般配置高压并联电抗器（简称高抗），变压器低压侧配置低压并联电抗器（简称低抗）；高抗和低抗主要用于限制工频过电压和消纳系统过剩无功功率[1]。一般每台主变配置无功补充装置4组。
对于220kV变电站，一般在变压器低压侧设置并联电抗器，用于调节母线电压，抵消过剩无功功率；220kV电缆产生的无功功率只能穿过500kV、220kV主变，由低抗抵消或负荷消纳[2]。一般每台主变配置无功补充装置2～4组。
对于110kV变电站，一般仅配置并联电容器，用于控制功率因数；在温州尚未有配置并联电抗器的情况。一般每台主变配置无功补充装置2组。2015年2月20日（大年初二），从温州市核心区某110kV变电站3#主变无功波动情况来看，节假日低负荷时，110kV变电站主变及负荷消耗或上送的无功功率较小，不足0.3MVar，如图1所示。
依据《城市电力网规划设计导则》、《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》等规范，并考虑电网的安全运行，因计算需求，文章做以下假设：500kV变电站站内无功补偿设备仅用于调节系统电压，不参与局部无功平衡；220kV变电站站内无功补充容量均为并联电抗器，不配置并联电容器；110kV变电站不配置并联电抗器，节假日低负荷时，110kV变电站主变下载或上送的无功功率为0MVar。
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2 计算方法
由于节假日轻负荷时，电力电缆产生的无功功率对系统的影响最为严重，此时的计算结果决定了电力电缆长度的多少。因220kV变电站均为环状或链状接线，此处以环或链为单位，计算本环或本链内的电力电缆最大建设规模。220kV变电站可补偿充电功率为本环或本链所有220kV变电站的电抗器容量之和，其计算过程如（1）式所示： Q0= Q1+Q2+……+QN （1）
式中：Q0—本环或本链可补充充电功率总容量，MVar；N—本环或本链220kV变电站数量，座；Q1、Q2、……、QN—各站电抗器总容量，MVar。
220kV电缆产生的充电功率即为本环或本链所有220kV电缆产生充电功率之和，其计算过程如（2）式所示：
Q220=QL1+QL2+……QLX =k1×（L1+L2+……+LX） （2）
式中Q220—220kV电缆产生的充电功率之和，MVar；X—本环或本链220kV电缆条数，座；QL1、QL2、……、QLX—各条220kV电缆产生的充电功率，MVar；k1—单位220kV电缆所产生的充电功率，本文取3.8MVar/km；L1、L2、……、LX—各条220kV电缆长度，km。
110kV电缆产生的充电功率即为本环或本链所有220kV变电站下属110kV电缆产生充电功率之和，其计算过程如（3）式所示： Q110=Ql1+Ql2+……QlN =k2×（l1+l2+……+lN） （3）
式中Q110—110kV电缆产生的充电功率之和，MVar；Ql1、Ql2、……、QlN—各220kV变电站下属110kV电缆产生的充电功率之和，MVar；k2—单位110kV电缆所产生的充电功率，本文取0.7MVar/km；l1、l2、……、lN—各220kV变电站下属110kV电缆长度之和，km。
由边界条件可知，在节假日轻负荷时，220kV、110kV电缆产生的充电功率均由220kV变电站的低抗予以抵销，即可得： Q0=Q220+Q110 （4）
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温州存在局部220kV电网接线如图2所示，瓯海变为500kV变电站，温州电厂采用220kV线路送出，链内尚未有220kV电缆；瓯海变低抗不参与局部无功平衡，不考虑温州电厂侧参与无功平衡。上田变最多配置电抗器容量6×10MVar，现有110kV电缆40km；蒲州变最多配置电抗器容量9×8MVar，现有110kV电缆30km。假设该链最多可新增的220kV、110kV电缆长度为别为x，y，联立方程组（1）～（4）式，可计算得： 3.8x+0.7y=83 （5）
由式（5）可得，本链最多可新增的220kV、110kV电缆长度为别为21.8km和118.6km，且两者为此消彼长的线性关系。
此外，若考虑500kV变电站低抗、相关电厂参与局部无功平衡，可将（4）式修改为： Q0+Q1+Q2=Q220+Q110 （6）
式中Q1—500kV变电站可参与无功平衡的低抗功率，MVar；Q2—相关电厂可参与无功平衡的感性无功功率，MVar。 3 结论
随着城市电力电缆使用规模的不断扩大，其产生的无功功率已成为影响电网的供电质量和运行安全重要因素之一[3]。由于节假日轻负荷时，电力电缆产生的无功功率对系统的影响最为严重，而此时110kV主变下载或上送的无功功率几乎可忽略不计，220kV、110kV电缆产生的充电功率主要由220kV变电站内的低抗予以抵消，500kV变电站抵抗、相关电厂部分参与平衡。文章以220kV环状或链状接线为模型，通过区域电网的无功平衡计算分析，简要阐明了电力电缆规模的计算原理及方法，可供参考。