110kV輸電線路分布電容對(duì)功率因素的影響

李永霞 張 有

0 引言

110 kV 架空輸電線路在輸送負(fù)荷功率的時(shí)候，自身也要消耗有功、吸收或輸出無(wú)功，當(dāng)線路處于輕載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，線路相間及對(duì)地產(chǎn)生容性充電功率，會(huì)對(duì)功率因素造成一定的影響。張利剛［1］針對(duì)輸電線路容性功率對(duì)功率因素的影響，分析了自然功率是區(qū)分輸電線路吸收和輸出無(wú)功功率的界限，并指出目前還無(wú)補(bǔ)償措施來(lái)解決線路容性無(wú)功在小負(fù)荷情況下對(duì)功率因素的影響。田奇［2］針對(duì)功率因素偏低的問(wèn)題對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置容量的確定給出了建議。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于輸電線路容性充電功率對(duì)功率因素的影響如何采用有效的方案還存在一些問(wèn)題。鑒于此，筆者通過(guò)對(duì)大同煤礦集團(tuán)夏家河110 kV 變電站輕負(fù)荷期間的實(shí)際數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，找出了影響功率因素的原因，并提出了具體解決方案，以期為實(shí)際應(yīng)用中解決110 kV 及以上輸電線路容性充電功率對(duì)功率因素的影響提供借鑒。

1 問(wèn)題的提出

夏家河110 kV 變電站為同發(fā)東周窯礦生產(chǎn)和辦公供電,兩回110 kV 電源分別從大同供電公司的高山220 kV 變電站引出高夏線10 km，小京莊110 kV 變電站引出小夏線27.7 km。夏家河變電站電量計(jì)量點(diǎn)分別位于高山220 kV 變電站和小京莊110 kV 變電站的110 kV出口開(kāi)關(guān)，小夏線在2017年6月28日到7月25日運(yùn)行期間，電量統(tǒng)計(jì)如下：有功電量為35 640 kWh，無(wú)功電量為673 200 kWh，功率因素為0.05。而從夏家河變電站運(yùn)行人員對(duì)進(jìn)線開(kāi)關(guān)電能表的每日抄表情況看，功率因素在0.97左右，供電側(cè)和用戶側(cè)功率因素不一致。大同市供電公司對(duì)我公司實(shí)行的功率因素標(biāo)準(zhǔn)為0.9，當(dāng)月支出功率因素調(diào)整費(fèi)為1 842 973.29元。

2 原因分析

2.1 容性電流產(chǎn)生的分析

輸電線路的相相、相地之間都存在分布電容［3］，

式中ε為介電常數(shù)；h為導(dǎo)線對(duì)地距離；s為導(dǎo)線間距；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度；r為導(dǎo)線半徑。

當(dāng)交流電壓加在輸電線路上，在三相導(dǎo)線周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，在它的作用下，不同相導(dǎo)線之間及導(dǎo)線和大地之間會(huì)產(chǎn)生容性電流，形成容性充電功率。

圖1 小夏線一相的∏型等值電路

小夏線一相的∏型等值電路如圖1（M 代表小京莊變電站側(cè)，N 代表夏家河變電站側(cè)），R、X、B 分別為一相的電阻、電抗、電納。設(shè)變電站計(jì)算負(fù)荷中有功功率為P2、無(wú)功功率為Q2，則負(fù)荷功率SLD=P2+jQ2。設(shè)M端電壓U1=U1∠0°、N端電壓U2=U2∠0°，則線路N端充電功率⊿Sc2=-jBU22/2=-j⊿Qc2，N端總的復(fù)功率S2=P2+j（Q2-⊿Qc2）。線路上的功率損耗⊿Sz=［P22+（Q2-⊿Qc2）2］R/U22+j［P22+（Q2-⊿Qc2）2］X/U22=⊿Pz+j⊿Qz。線路M 端的充電功率⊿Sc1=-jBU12/2=-j⊿Qc1，則M 端復(fù)功率S1=P2+⊿Pz+j（Q2+⊿Qz-⊿Qc1-⊿Qc2）。

在小夏線帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，礦井的感性無(wú)功負(fù)荷會(huì)起到平衡線路充電功率的作用，當(dāng)Q2+⊿Qz-⊿Qc1-⊿Qc2>0 時(shí)，線路的充電功率起到了無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆e極作用，在線路輕載運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷的感性無(wú)功（Q2）比較小，會(huì)使Q2+⊿Qz-⊿Qc1-⊿Qc2<0，此時(shí)容性無(wú)功過(guò)剩并向電網(wǎng)側(cè)反送。

架空線路對(duì)地產(chǎn)生的充電功率，可按公式進(jìn)行估算，也可查表。小夏線的線路參數(shù)為：供電電壓110 kV，線路型號(hào)LGJ-240，線路長(zhǎng)度27.7 km。經(jīng)查表得每公里的充電功率為0.034 3 Mvar/km，則該線路的充電功率為

而當(dāng)時(shí)實(shí)際無(wú)功功率僅為20 kvar左右，線路充電功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)功功率，出現(xiàn)反送無(wú)功的現(xiàn)象，導(dǎo)致功率因素極低，由此可見(jiàn)，輕載線路對(duì)地及相間分布電容引起的容性充電功率是造成功率因素低的主要原因。

2.2 電容電流對(duì)電能計(jì)量的影響

2.2.1 電子式多功能電能表的無(wú)功四象限

不同國(guó)家對(duì)四象限無(wú)功的定義不一樣，根據(jù)電力部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T645-1997，多功能電能表通訊規(guī)約對(duì)電能測(cè)量四象限的定義如圖2所示，

圖2 對(duì)電能測(cè)量四象限的定義

電流I 位于第Ⅰ象限，I 與U 相位角為（順時(shí)針為正），表示輸入有功（+P）和輸入無(wú)功（+Q），所謂“輸入”“輸出”是相對(duì)于電網(wǎng)用戶而言的，輸入有功功率是電網(wǎng)向用戶送電，是用電用戶，輸出有功功率是用戶向電網(wǎng)送電，是發(fā)電用戶。

無(wú)功概念比較復(fù)雜［4］，對(duì)于用電用戶來(lái)講，用戶是負(fù)載，分為感性負(fù)載和容性負(fù)載兩種，當(dāng)負(fù)荷為感性負(fù)荷時(shí)，無(wú)功功率為正，容性負(fù)荷時(shí)無(wú)功為負(fù)。

2.2.2 無(wú)功電量的計(jì)量方式

無(wú)功計(jì)量的目的是考核功率因素，降低線路損耗。我們作為用電用戶，運(yùn)行情況如圖3所示

圖3 運(yùn)行情況

大同市供電公司是按照如下公式對(duì)功率因素進(jìn)行考核的：

這種計(jì)算方式相當(dāng)于無(wú)功功率等于感性加容性的和，即圖2中的Ⅰ象限和Ⅳ象限無(wú)功功率之和。當(dāng)線路處于輕載狀態(tài)時(shí)，Q1+|Q2|+Q3+|Q4|為線路分布電容形成的無(wú)功功率和用戶側(cè)實(shí)際消耗的無(wú)功功率之和，而用戶側(cè)參考點(diǎn)無(wú)功功率只包含用戶實(shí)際消耗的無(wú)功功率Q1+Q3，因此，造成貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)的功率因素低于用戶側(cè)參考點(diǎn)的功率因素，還會(huì)因有功功率小，無(wú)功功率大，導(dǎo)致功率因素非常低的現(xiàn)象。

3 解決措施

通過(guò)上述的分析可知，架空線路輕載運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷側(cè)注入到線路上的感性無(wú)功小，無(wú)法抵消線路充電功率產(chǎn)生的電容電流，大量的無(wú)功由負(fù)荷側(cè)流向電源側(cè)，以及反向充電無(wú)功對(duì)貿(mào)易結(jié)算的影響［5］。

為了解決以上問(wèn)題，我們通過(guò)注入感性電流以減小架空線路電容電流的影響，具體措施如下：

⑴選定設(shè)備

夏家河變電站選用的是MCR 型SVC 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，安裝于主變低壓側(cè)母線上,主要作為無(wú)功補(bǔ)償和濾波器使用。此次，通過(guò)單獨(dú)投運(yùn)磁控電抗器，向系統(tǒng)注入感性電流以限制線路容性電流。

⑵確定投入容量

按照系統(tǒng)運(yùn)行要求，電抗器投入后首先確保系統(tǒng)為阻感性負(fù)荷，其次在阻感性負(fù)荷下，減少投入容量，以提高功率因素。

在實(shí)際操作中，通過(guò)對(duì)無(wú)功電量進(jìn)行計(jì)算，確定小夏線倒送無(wú)功約為1 100 kvar，于2017年8月11日下午18點(diǎn)投電抗器，在運(yùn)行中通過(guò)對(duì)8月25日和8月10日的無(wú)功電量進(jìn)行比較，確認(rèn)系統(tǒng)已呈感性，且無(wú)功負(fù)荷滿足要求。

電抗器于8月11日投運(yùn)后，到9月25日抄表，反饋給我們的是有功電量947 760 kWh，功率因素0.75，功率因素提高幅度是相當(dāng)明顯的。

⑶適時(shí)投切電抗器

電抗器投運(yùn)后，要根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的變化，調(diào)整補(bǔ)償容量，并適時(shí)投切電抗器，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)補(bǔ)償。

在2017年10月9日到11月17日期間，根據(jù)負(fù)荷情況，電抗器退出了運(yùn)行，于11月18日因負(fù)荷較低，電抗器又投入運(yùn)行，每月的功率因素均能在0.9以上，不僅不會(huì)因功率因素低而罰款，還會(huì)受獎(jiǎng)。節(jié)約了用電成本［6］。

4 結(jié)論

（1）在110 kV變電站設(shè)計(jì)中，當(dāng)輸電線路較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)重視當(dāng)?shù)V井生產(chǎn)設(shè)備調(diào)試未正常運(yùn)行或生產(chǎn)部署作調(diào)整期間，出現(xiàn)的因負(fù)荷小架空線路容性充電功率造成電源側(cè)功率因素低的狀況，因此需考慮配置電抗器，或者選擇MCR型SVC或SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

（2）在計(jì)量裝置裝于電源側(cè)，線路處于輕載狀態(tài)時(shí)，線路容性充電功率會(huì)造成貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)的功率因素低于用戶側(cè)參考點(diǎn)的功率因素。

（3）在一般情況下，輸電線路容性功率對(duì)功率因素影響不大，感性負(fù)荷會(huì)起到平衡線路充電功率的作用，但當(dāng)輸電線路距離較長(zhǎng)而負(fù)荷又較小時(shí)，即負(fù)荷功率小于自然功率，線路相間及對(duì)地產(chǎn)生的容性充電功率除了抵抗電抗中的損耗外還有多余，向電網(wǎng)反送無(wú)功，造成功率因素減小，功率因素調(diào)整電費(fèi)增加。

（4）在采取投運(yùn)電抗器限制架空線路電容電流時(shí)，需合理確定電抗器投入的容量，同時(shí)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的變化，適時(shí)調(diào)整容量以及投切狀態(tài)，以達(dá)到最優(yōu)補(bǔ)償。