城市配电网电容电流补偿研究

王金凤，包 毅，程跃森，杨淑霞，郭 含，陈 杨

(1.郑州大学电气工程学院，河南郑州450001;2.三门峡供电公司，河南 三门峡472000;3.禹州供电公司，河南禹州461670)

0 引言

近几年，由于大规模城网改造，原有的以架空线为主的配网系统正逐步被电缆取代，使配电网电容电流大幅度增加，容性无功的增加导致低谷负荷时配网电压升高，造成电压超标［1］.统计表明，北京、上海已出现后夜容性无功过剩，直接影响发电厂正常运行，发电厂夜间不得不采用进相运行方式，造成电网损耗增大.当发生单相接地时，由于电容电流较大，电弧不能自熄，严重威胁中压电网的安全运行.根据有关规程规定：当10 kV配网系统接地电流超过10 A时，应装设消弧线圈.由于电缆长度不断增加，目前河南省城区变电站配网接地电容电流大多已超过50 A，郑州市区某站的电容电流甚至达到150 A以上，随着出线回路以及电缆长度的增加，电容电流有进一步增大的趋势，消弧线圈也越做越大，有的刚刚安装投运就需要增大容量.消弧线圈容量的增大虽然可以减少单相接地电流，但无法解决容性无功过剩问题.通过在10 kV母线上采用三相电抗器的方式，正常运行时补偿电缆对地电容的容性无功;当发生单相接地时，也可大幅减少接地电容电流，限制了接地过电压，在一定程度上可降低消弧线圈的容量［2－4］.

1 电缆电容的计算分析

电缆线路参数与金属护套接地方式、互联和换位有关.为便于分析，笔者仅对金属护套内无电流的情况进行讨论，认为各相电容参数相同.

图1为电缆电容分布示意图.如图1(a)所示，电缆导体之间、导体与电缆外皮之间均存在电容.设单位长度电缆导体之间的部分电容为Cy，导体与电缆外皮之间的部分电容为Cy，根据“星形—三角形变换”法则，图1(a)又可转换为与其等效的图1(b).

图1 电缆电容分布示意图Fig.1 Distribution map of the cable capacitance

因此输电电缆正(负)序电容为

式中：Cy为一芯对铅包的电容;Cx为芯对芯间的电容;C为一芯对中性点电容，单位均为F/km.和分别表示电压和电流的相量，Va(1)和Ia(1)为对应的标量［5］.

因此，输电电缆零序电容为

2 线路补偿设计

在相同的电压下，采用电缆线路的电容电流可达架空线路的数倍.图2为电缆正常运行时电容电流的分布图，由图2知，线路始端每相(例如A相)的电容电流可用式(5)表示［6－7］，

图2 正常情况下的电容电流分布Fig.2 The distribution of capacitive current under normal circumstances

当电缆总长度较大时，故障点电流达到较大值，假定在母线上设置并联电抗器(Y形连接).装设电抗器后，正常运行时，由于电抗器电流与容性电流方向相反，流入系统容性功率减小.发生单相接地时，由于部分容性电流通过对应相的电感形成回路，使得故障点流回电流减小.由式(6)可推得故障点流过电流减小为

3 算例及仿真分析

根据以上对电缆电容电流的补偿分析，利用MATLAB仿真平台下的电力系统工具箱搭建一个全电缆出线的变电站仿真模型.变电站10 kV母线侧加装三相并联电抗器，对空载正常运行和单线接地两种方式进行仿真［8］.该模型中，三相电源容量为300 MVA，主变一次侧电压等级为110 kV，连接方式为Yg，频率为50 Hz，A相初相角为零，内阻为 0.892 9 Ω;变压器采用 Three-phase Transformer(Two Windings)模型，共有6回出线.线路1、线路2、线路3、线路4、线路5、线路6长度分别为8.5、7、8、9、10 和 10.5 km，线路总长 53 km.仿真中采用的电缆线路为YJV22—3×300型号交联聚乙烯电力电缆.单位长度电缆线路的电气参数见表1.

表1 电缆线路电气参数Tab.1 Electrical parameters of cable line

(1)正常空载情况下仿真情况

正常空载运行时，电缆线路对地电容电流峰值将达Ic0=45.1 A，母线各相电流有一定畸变.系统总的容性无功

按75%的补偿度在母线上并联三相电抗器，即电抗器容量Ql=75%Qc=414 kvar，并联电抗器的额定电流Il=75%Ic0=33.825 A，仿真验证说明了补偿前后母线电流的区别，空载运行且无并联电抗器时，电容电流较大;装设并联电抗器后，电容电流明显下降，峰值回落到接近10 A.

(2)单相接地情况下仿真情况

设定在线路6近母线处发生A相单相接地故障，在0.02 s时刻故障开始，对有无并联电抗器2种情况进行仿真.从图3和图4可以看出，单相接地时故障相母线电流峰值Icd达到90.5 A，接近正常空载时的Ic0(45.1 A)的2倍.

接入电抗器后母线处故障相电流峰值在故障瞬间短暂冲击后，迅速降落，稳定在11 A左右.从图5和图6对比可见，无并联电抗器时，故障点接地电流峰值稳定在69 A左右，接地点处若燃起电弧将难以熄灭，引起过电压.接入并联电抗器后，接地点处电流峰值在故障发生瞬间短暂冲击后，迅速降落，有效值已经在10 A以下.

图6 单相接地时接地点电流(有并联电抗器)Fig.6 Grounding current when singlephase grounded(Reactor existing)

4 电抗器参数的选择

为了简化分析，上述仿真没有考虑中性点接消弧线圈，只选取了6条配电线路.现代城市配电网中，变电站10 kV母线侧每段出线一般在15～20回，每回线路干线加支线等效长度在8～15 km，则电缆出线总长度达120～300 km.考虑到变电站投运初期，出线回数不多，可将电缆出线总长度定为50～300 km.此外，消弧线圈在配电网接地电流大于150 A的情况下，补偿效果已经不佳，在变电站后期出线增多、接地电流增大的情况下，可考虑加装并联电抗器，配合消弧线圈一起使用，达到更好的补偿效果.若接地点电流超过300 A时，可考虑采用中性点经小电阻接地，以便保护装置能够及时的切除故障.

通过仿真计算得出不同电缆出线长度情况下接地点电流和电抗器参数，如表2所示.当电缆出线长度超过50 km时可在母线上加装并联电抗器，电抗器可采用磁阀式可控电抗器，利用直流电流控制铁芯的饱和程度实现连续平滑地调节电抗器的电抗值，以适应不同电缆出线长度时对电容补偿的要求.

表2 电缆出线长度不同时接地点电流和电抗器电感Tab.1 Grounding current and inductance of reactor when the length of cable is different

5 结论

在城市配电网电缆比例增大的情况下，笔者采用在变电站母线上并联三相电抗器的方式，对正常空载和单相接地故障情况的母线电流和故障处电流进行了理论分析和仿真计算，结论如下：

(1)在后半夜负荷较轻的情况下，投入并联电抗器，利用其感性电流补偿母线上过大的容性电流，解决轻载时线路容性无功过剩的问题，避免因此而造成的配电网电压升高和发电机的进相运行，提高了系统稳定性，减少网损;

(2)当发生单相接地故障时，可大幅减少接地点的电容电流，有效降低消弧线圈的容量，配合消弧线圈达到更好的补偿效果;

(3)计算出不同电缆出线长度时，所需电抗器的电感参数，为工程应用提供参考.

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