李 莉，尹茂林，范永艳，张兆笑

（国网山东省电力公司济南供电公司，济南 250012）

110 kV变电站无功补偿装置容量的工程算法

李 莉，尹茂林，范永艳，张兆笑

（国网山东省电力公司济南供电公司，济南 250012）

随着我国城市化建设的不断推进及电力工业发展，线路走廊日益紧张，电力电缆在高压电网的建设与改造中得到更多的应用。针对济南地区电网无功电压的现状，通过新改线路和现有无功补偿装置配置和运行经验，计算高压电缆产生的充电功率，以设计、运行和维护简便为出发点，提出一种城市电网110 kV变电站无功补偿装置容量的工程算法。使用算法增加的无功补偿装置能对补偿后的结果进行计算和分析，有效减少电网无功充电功率流动，提高上级变电站主变高压侧功率因数。

城市电网；高压电缆；充电功率；无功补偿装置

0 引言

随着我国城市化建设的不断推进及电力工业发展，电力电缆在城市电网的建设与改造中得到更多的应用，电网电缆化具有美化环境、免受电力走廊制约、节约土地资源、不受自然气象条件干扰、提高供电可靠性等优点［1］。

由于每公里电缆线路电容值较大，产生的充电功率比常规架空线路约高一个数量级，为更好地利用和调节电缆线路产生的充电无功容量，在电网中需要装设一定容量的感性无功补偿设备，以补偿电网小负荷运行方式时电缆线路多余的充电无功功率［2-3］。当某一变电站高中压进出线大部分或全部采用电缆线路时，所产生的充电无功就会对母线电压和功率因数造成较大影响。因此，对电缆所产生的充电无功容量进行补偿计算分析是十分必要的［4-6］。

针对济南地区电网无功电压的现状，通过新改线路和现有无功补偿装置配置和运行经验，计算高压电网电缆产生的充电功率，以设计、运行和维护简便为出发点，提出一种城市电网110 kV变电站无功补偿装置容量的工程算法，能对补偿后的结果进行计算和分析，有利于平衡地区无功水平，减少电网无功充电功率流动，提高上级变电站主变高压侧功率因数。

1 城市高压电缆充电功率影响的实例

220 kV电缆在交流电压的作用下会产生较大的对地电容，相当于一个电容，电缆线路对地电容的变化直接影响到线路对系统的无功充电功率。济南电网220 kV兴姚线原为架空线路，因市政工程建设，济南东部城区220 kV架空线路需要电缆入地，220 kV兴姚线线路改造后新增电缆全长约7.94 km，采用ZC-YJLW02-Z 127电缆，截面积为2 500 mm2，该型号电缆电容值为 0.235 2 μF／km。220 kV兴姚线2014年1月线路改造完成送电，由济南电网能量管理系统采集可得，线路空充送电时最大无功功率为36.1 Mvar，兴姚线改造前线路空充送电时最大无功功率为5.36 Mvar。两者差值即可粗略地理解为改造线路中电缆部分带来的充电无功即为30.74 Mvar。

由此可见，长距离220 kV高压电网电缆线路的充电功率相当大，长时间运行的电缆线路每月吸入无功电量也非常大，其最主要的原因是电缆线路单位长度电容是架空线路20～30倍。因此，对电缆线路进行无功补偿就显得十分必要。

2 济南电网无功电压存在的主要问题

截至 2015年底，济南电网电缆总长度为2 998.577 km，其中220 kV电缆长度已达57.308 km，110 kV电缆长度已达315.93 km，35 kV电缆长度已达24.672 km，10 kV电缆长度已达2 600.645 km，而220 kV架空线路总长为1 407.19 km。针对目前现状，为更好地利用和调节电缆线路产生的充电无功容量，应在电网中需要装设一定容量的感性无功补偿设备，以补偿电网小负荷运行方式时电缆线路多余的充电无功功率。

根据国网山东省电力公司要求，220 kV变电站主变高压侧不允许向主网倒送无功；低谷时段功率因数不得高于0.98，低谷时段母线电压低于216 kV时，功率因数不得低于0.92；高峰时段功率因数不得小于0.92，高峰时段220 kV母线电压高于232 kV时，功率因数也不得高于0.98。贤文站、南郊站等13个城区变电站因为城区220 kV、110 kV变电站进出线电缆化率高，充电无功大的原因，功率因数不达标，存在向主网倒送无功的现象，必须在本站及下级变电站加装电抗器或SVC才有可能予以解决。

3 电抗器配置和运行相关原则

参照长距离架空线路无功补偿的方式，对长距离电缆线路的无功充电功率，可以通过就地并联电抗器进行无功补偿［7-8］。并联电抗器可以补偿电缆线路的分布电容效应，能有效抑制电缆线路由于无功充电功率导致的电缆两端电压升高，而且并联电抗器具有结构简单、造价低、维护方便等优点。

3.1 无功补偿要求

《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》对变电站无功补偿原则进行了要求和说明。

对大量采用10～220 kV电缆线路的城市电网，在新建110 kV及以上电压等级的变电站时，应根据电缆进、出线情况，从电网规划和变电设计把关，在变电站分散配置适当容量的感性无功补偿装置，220 kV变电站感性无功补偿容量不宜大于主变容量的20%。

35～220 kV变电站，所配置的无功补偿装置，在主变最大负荷时其高压侧功率因数应不低于0.95，在低谷负荷时功率因数不应高于0.95，不低于0.92。

3.2 方案选择

采用并联电抗器、并联电容器组合安装的方案。高峰负荷时，投入电容器以保证功率因数和电压质量，低谷负荷时，投入电抗器以吸收系统多余的无功，最终缓解无功倒送、功率因数不合格的问题。

容量选择原则。感性无功补偿主要是吸收系统充电功率，配置感性无功补偿容量不宜大于主变容量的20%；采用全容量补偿。在220 kV、110 kV变电站分散配置感性无功补偿装置；根据上述原则，按照电缆充电功率考虑配置感性无功补偿设备。

新站初设配置。220 kV新建变电站，110 kV系统为全部或多数电缆出线时，按照电缆充电功率考虑配置感性无功补偿设备；110 kV新建变电站进线电缆长度在2～6 km时，如上级220 kV变电站未加装并联电抗器，按照电缆充电功率考虑配置感性无功补偿设备；应充分考虑电网发展，在远期规划中，应预留并联电抗器的安装位置。

主变型号选择。新扩建时采用中低压变比适宜的主变，提高电压统筹调节能力和电抗器投入率。城区220 kV主变因中压侧线路因输电距离短，不存在末端电压下降问题，采用变比121 kV／10.5 kV变压器易导致中低压侧母线电压不宜协调，主变即使装设电抗器也无法投入改善无功状况，要求在新改扩建工程采用中低压侧变比115 kV／10.5 kV或121／11 kV变压器，以同时满足电抗器投运条件和母线电压合格率。

4 110 kV变电站加装电抗器无功补偿容量

4.1 110 kV电力电缆对地工作电容值

对于单芯径向场电力电缆，单位长度工作电容值为

式中：ε0为介电常数，8.85×10-12；εr为电缆绝缘介质的介电常数，交联聚乙烯为2.3；r1为导线或者内导电层半径；rF为绝缘半径。

结合电缆厂家提供的110 kV／10 kV电力电缆电容参数，根据式（1）计算电缆对地工作电容值如表1所示。

表1 110 kV电力电缆电容参数表

4.2 系统概况及假设条件

根据系统接入方式，桃园变电站2回110 kV电源，一回来自党家庄220 kV变电站，至本站电缆线路截面800 mm2规格的4.9 km；一回来自兴隆220 kV变电站，至本站电缆线路截面 800 mm2规格的3.1 km。10 kV线路采用400 mm2截面电缆，平均出线长度2.5 km。

计算假设条件：用户变电站10 kV侧功率因数为0.95；忽略线路有功损耗；两台变压器按分列运行分析；计算过程中电容器、电抗器均未投入，110 kV电力电缆充电功率流向负荷侧。

本期110 kV侧为内桥扩大内桥接线，在变电站正常运行时，桥开关打开，2回110 kV电源进线各带1台主变。

4.3 无功平衡计算分析

供电点电压U1和负荷功率P+jQ已给定，包括归算到高压侧的变压器阻抗在内的线路总阻抗为R+jX，在未加补偿装置前若不计电压降落的横分量，则有

式中：U′2为归算到高压侧的变压器低压母线电压。

在变压器低压侧设置容量为QC的无功补偿设备后，网络传送到负荷点的无功功率变为Q－QC，这时变压器低压母线归算到高压侧的电压也相应变为U′2C，故有

由此可得使变压器低压母线的归算电压从U′2改变到U′2C所需要的无功补偿容量为

通过上述计算方法对桃园站1号、2号主变无功平衡计算分析如表2、表3所示。

表2 1号主变（至220 kV党家庄站）无功平衡

4.4 无功补偿装置的配置

110 kV桃园变电站系统接线如图1所示。变电站投运之初或负荷处于低谷时段时，1号主变在5 MW负荷情况下，220 kV党家庄至桃园的110 kV线路有2.7 Mvar容性无功流向220 kV系统侧；2号主变在5MW负荷情况下，220kV兴隆至桃园的110kV线路有1.13 Mvar容性无功流向220 kV系统侧，但容量很小，基本达到自然功率平衡状态；随着负荷增加，容性无功不会流向系统侧。1号主变需配置6 Mvar电抗器。

图1 110 kV桃园变电站系统接线

表3 2号主变（至220 kV兴隆站）无功平衡

在1号主变负荷不大于40 MW，2号主变负荷不大于30 MW情况下，无需投入电容器即可满足无功平衡要求，之后随着负荷增加，需要逐渐增加无功补偿容量。

在1号主变满载、2号主变负荷不大于55 MW情况下，每台主变配置4.8 Mvar的电容器组可满足高压侧功率因数和无功平衡要求。

5 结语

随着城市电网电缆线路的不断增加，高压电网电缆充电功率对电网的影响已引起各方面重视。通过实际线路改造、线路送电和现有电抗器配置和运行经验，提出了一种城市电网110 kV变电站无功补偿装置容量的工程算法，能对补偿后的结果进行计算和分析，合理配置无功补偿装置，有效减少电网无功充电功率流动，有利于提高220 kV变电站主变高压侧功率因数，避免出现无功充电功率造成的电网损耗和设备损坏的现象。

［1］王非，李群炬，李伟．高压电缆对电网无功平衡的影响及相应措施［J］．华北电力技术，2007（6）：1-3.

［2］麦海华．10 kV配电网热备用电缆的无功计算及补偿［J］．湖南农机，2011，38（1）：104，114.

［3］陈维贤.电网过电压教程［M］.北京：中国电力出版社，1996.

［4］颜秋容，刘欣，王学锋，等.铁路10 kV电缆贯通线电容电流补偿度研究［J］.铁道学报，2006，28（2）：85-88.

［5］王颢，易东.青藏铁路电缆贯通线并联电抗器补偿方式研究［J］.铁道工程学报，2008，25（8）：67-70，74.

［6］王建文，段晓红，王颢.青藏铁路35 kV电缆供电线路仿真研究［J］.水电能源科学，2008，26（2）：164-166.

［7］徐俊.电力电缆施工、运行故障案例及分析［J］.高电压技术，2004，30（S1）：89，93.

［8］蓝毓俊.现代城市电网规划设计与建设改造［M］.北京：中国电力出版社，2004.

Engineering Algorithm ofReactive Power Compensation Device Capacity for 110 kV Substation

LI Li，YIN Maolin，FAN Yongyan，ZHANG Zhaoxiao
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Along with the development of city construction and electric power industry，high-voltage cable is widely used in the construction and reconstruction of the power grid.For Jinan power grid，with the reactive power compensation device configuration and operation experiences，charging power generated by the high voltage power cable have been calculated and analyzed.To design，operate，and maintain simply as the starting point，an engineering algorithm of the capacity of the reactive power compensation device for the 110 kV power station is put forward.The added reactive power compensation device using the algorithm can reduce the flow of the reactive power charging power effectively，and can increase the power factor of the main transformer.

city power system；high-voltage cable；charging power；reactive power compensation device

TM714.3

A

1007－9904（2017）03－0047－04

2016-10-20

李 莉（1982），女，高级工程师，博士，从事电网调度运行与控制等工作；

尹茂林（1965），男，高级工程师，从事电网调度运行与控制等工作；

范永艳（1970），女，从事电网调度运行与控制等工作；

张兆笑（1971），男，工程师，从事电网调度运行与控制等工作。