高压并联电抗器对750kV线路损耗影响机理研究

卓建宗， 刘文颖， 刘福潮， 但扬清， 夏 鹏， 魏泽田

(1. 华北电力大学电气与电子工程学院， 北京 102206； 2. 国网甘肃省电力公司电力科学研究院， 甘肃 兰州 730050； 3. 国网浙江省电力公司经济技术研究院， 浙江 杭州 310007)

高压并联电抗器对750kV线路损耗影响机理研究

卓建宗1， 刘文颖1， 刘福潮2， 但扬清3， 夏 鹏1， 魏泽田1

(1. 华北电力大学电气与电子工程学院， 北京 102206； 2. 国网甘肃省电力公司电力科学研究院， 甘肃 兰州 730050； 3. 国网浙江省电力公司经济技术研究院， 浙江 杭州 310007)

750kV线路普遍配置了大容量高压并联电抗器，但在线损分析时往往忽略高压电抗器对损耗的影响，造成750kV电网线损分析结果误差较大。基于此，建立了计及高压电抗器的750kV线路综合损耗模型，分析了高压电抗器对750kV线路综合损耗的影响机理。高压电抗器接入降低了750kV线路无功功率造成的有功损耗，但同时高压并联电抗器也产生有功损耗。随着750kV线路传输功率的增加，高压并联电抗器接入后的750kV线路综合损耗率将呈现先降低后升高的变化规律。在750kV线路电阻损耗和高压电抗器损耗近似相等时，线路综合线损率最低，线路运行经济性最优。

高压并联电抗器； 750kV线路； 线路综合损耗； 影响机理

1 引言

经过近几年的发展建设，西北地区750kV电网已逐渐成为西北电网的主干网络，为提高区域电能外送水平和加强区域间的联系发挥着重要作用。750kV线路具有输电距离长、电压等级高、线路充电功率大等特点。为了限制线路工频过电压和满足无功平衡的要求，750kV线路普遍配置了大容量的高压并联电抗器，而且高压电抗器补偿度大多在80%以上[1,2]。

高压电抗器接入电网后有利于电网运行网损的降低[2,3]，当前关于高压电抗器对线路运行经济性的影响机理研究较为有限，现有的相关文献还存在着以下两个不足：①分析中未充分考虑高压电抗器对线路损耗的影响；②对具体影响机理的分析还不够全面。

文献[4]指出，220kV以上输电线路必须考虑线路充电功率对线路有功损耗的影响，并推导了线路损耗率与传输功率的变化关系，得到线路末端传输功率为线路充电功率一半时对应的损耗率最低，但未计及高压电抗器接入的情况。文献[5]在分析两端带并联电抗器补偿的长距离输电线路的功率损耗时，仅仅分析了并联电抗器无功补偿作用对线路有功损耗的影响，未计及高压并联电抗器自身的有功损耗。文献[6]研究了750kV线路的电气特性，指出750kV电网中线路损耗本身较小，应该考虑高压电抗器损耗对750kV电网损耗的影响。文献[7]对750kV官亭-兰州输电示范工程在近18个月时间内的损耗电量和损耗率进行了统计，通过实测数据也可看出高压电抗器损耗电量是工程损耗的重要组成部分。文献[6,7]均未具体分析高压电抗器对线路损耗的影响机理。文献[8]提出了计及高压电抗器的750kV线路改进模型，在此基础上分析线路经济运行电压，但未给出750kV线路的经济传输功率的确定方法。

本文在已有研究的基础上，探讨高压并联电抗器对750kV线路损耗的影响机理，以期为750kV电网经济运行提供理论支撑。对于750kV线路损耗，本文仅考虑了线路电阻损耗，而未详细考虑线路电晕损耗、绝缘子的泄漏损耗以及谐波对线损的影响。

2 750kV线路损耗构成情况

典型750kV线路通常在两端并联相同容量的高压电抗器，如图1所示，以达到补偿750kV线路容性充电功率的目的。

图1 典型750kV线路的电气连接图Fig.1 Electrical connectivity diagram of typical 750kV transmission line

750kV以下电压等级输电网中，电网损耗主要分布于线路和变压器，并联电抗器等无功补偿装置造成的有功损耗较小。而750kV电网中线路多采用分裂导线，线路分布阻抗参数小，线路输电效率高；而并联电抗器容量大，承受电压高，电抗器有功损耗大。所以高压电抗器损耗将占750kV电网损耗较大比重。

图2为2014年西北某省750kV电网在不同典型运行方式下的线路、变压器和高压电抗器损耗统计结果。

图2 不同运行方式下750kV电网主要元件损耗对比Fig.2 Losses statistics of main components in 750kV power grid under different operating modes

从图2中可以看出，750kV变压器损耗较小，线路和高压电抗器损耗则占主要部分。750kV线路损耗受电网运行方式影响明显，而高压并联电抗器损耗则几乎不变。750kV电网夏大运行方式(大负荷)下，高压电抗器损耗约为线路损耗的1/3；而750kV电网轻载(冬小)时，高压电抗器损耗反而大于750kV线路损耗，转为主导地位。

因此，750kV线路损耗分析在考虑高压并联电抗器对线路容性无功补偿作用的同时，还必须计及高压电抗器损耗，以免引起较大的分析误差。

3 750kV线路损耗模型

为了反映高压电抗器对750kV线路损耗的影响，考虑建立计及高压并联电抗器损耗的750kV线路综合损耗模型。750kV线路综合损耗ΔP可表示为：

ΔP=ΔPl+ΔPr

(1)

式中，ΔPl为750kV线路电阻损耗；ΔPr为高压并联电抗器损耗。

3.1 750kV线路电阻损耗模型

常用的输电线路模型主要有不考虑分布参数特性的集中Π型等值电路(模型1)、考虑线路分布参数特性的精确Π型等值模型(模型2)和简化Π型等值模型(模型3)[9]。

图3为采用不同模型时750kV线路损耗计算结果比较。所选取的线路导线类型为6×LGJK-400，其电气参数为：r1=0.0129Ω/km，x1=0.2644Ω/km，b1=4.358μS/km。

图3 不同计算模型下750kV线路损耗计算结果比较Fig.3 Comparison of 750kV line loss calculation results using different models

由图3可以看出：

(1)在750kV线路传输较低功率时，线路长度超过250km后，采用模型1和模型3的计算结果与准确值(模型2)间的误差较大，且随着线路长度的增加而增大。这主要是因为模型1及模型3难以精确地计算线路的容性分布电流所造成的线路有功损耗。两者相比之下，模型1略优于模型3。

(2)在750kV线路传输功率较大时，采用不考虑线路分布参数特性的模型1计算的线路损耗与模型2计算结果偏差较小，与模型3相比则更为准确。

通过以上比较可知，从模型的实用性和准确性来看，采用不考虑线路分布参数特性的模型1更适用于750kV线路的损耗计算。

采用模型1时，750kV线路损耗计算方法为：

(2)

式中，P、Q为线路传输有功功率和无功功率；U1为线路始端电压有效值；QC为线路充电功率的一半；RL为线路的电阻参数。单一线路损耗率ηl为：

(3)

3.2 高压并联电抗器损耗模型

高压并联电抗器有功损耗主要为无功功率流过电阻所产生的。高压并联电抗器可以等值为并联在线路两端的阻抗，其阻抗参数可根据相关标准[10,11]提供的高压电抗器额定参数计算。容易求得高压并联电抗器损耗如式(4)所示。由于运行点电压控制范围小(750～800kV)，高压并联电抗器损耗在运行中变化很小。

(4)

式中，Rr和Xr分别为等值电阻和电抗；U为接入点电压有效值。

3.3 750kV线路综合损耗

将式(2)和式(4)代入式(1)，得到750kV线路综合损耗计算公式：

(5)

式中，P、Q为线路始端流入有功功率和无功功率；Qr为高压并联电抗器对应消耗的无功功率；U2为线路末端电压有效值。

由式(5)可知，高压并联电抗器的接入一方面能够通过补偿750kV线路的容性无功功率，减少流过750kV线路阻抗的无功功率，大大降低了线路的有功损耗；另一方面高压并联电抗器接入电网，作为电网中的一个运行元件也会给电网运行带来有功损耗的增加[12]。

相应地，750kV线路综合线损率η为：

(6)

4 高压并联电抗器对750kV线路损耗影响机理

通过对带高压并联电抗器线路的有功损耗模型的研究，可知高压并联电抗器的接入减少了线路自身的损耗，但高压并联电抗器自身的损耗亦不可忽略。显然，在不同的运行环境下，高压并联电抗器的接入对线路综合损耗的影响是不同的，什么工况下最为经济需要进一步研究。

由于运行环境的改变，低电压等级线路的经济运行判定依据(单一线损率)难以适用于750kV线路。利用线路综合损耗可以判断750kV线路的经济运行区间。随着线路传输功率的增加，750kV线路上无功功率造成的有功损耗相对于线路综合损耗很小，所以线路综合损耗率可近似表示为

(7)

为了使综合损耗率最低，令dη/dP=0，由于高压电抗器损耗可近似认为恒定，得出线路最优传输功率Popt满足式(8)：

(8)

即当线路电阻损耗与高压电抗器损耗近似相等时，线路综合损耗率最低，线路运行最经济。

5 实例分析

保持750kV线路始端电压大小基本不变，记录该线路在不同传输功率下的线路综合损耗及综合损耗率情况，如表1所示。图4为750kV线路综合损耗及各部分损耗随线路传输功率的变化情况，图5给出了750kV线路综合损耗率与单一线路损耗率变化情况的比较。

表1 不同线路传输功率下750kV线路综合损耗变化情况Tab.1 Change of 750kV transmission line comprehensive losses under different transmitted power

图4 不同传输功率下750kV线路综合损耗变化情况Fig.4 Change of 750kV transmission line comprehensive losses under different transmitted power

图5 不同传输功率下750kV线路综合损耗率变化情况Fig.5 Change of 750kV transmission line comprehensive loss rate under different transmitted power

由图4、图5可知，在考虑并联高压电抗器对750kV线路损耗的影响后，750kV线路各部分损耗及损耗率有如下变化规律：

(1)750kV线路有功损耗随线路传输功率的增加近似成二次增加，并联高压电抗器有功损耗变化很小。

(2)750kV线路传输功率小于445MW时，高压电抗器损耗大于线路电阻损耗，占主导地位。此时，线路综合损耗大部分是由无功功率产生，线路运行经济性差，综合线损率高。因此750kV电网应尽量避免低功率运行。线路传输功率增加后，线路有功损耗才逐渐转化为主要部分。

(3)线路综合损耗率随着线路传输功率的增加先降低后升高。线路综合损耗率最低值出现在线路传输功率为445MW时，此时高压电抗器损耗与线路电阻损耗近似相等。

(4)由于无功功率在750kV线路上造成的损耗小，而单一线损率随线路传输功率近似成线性增加。这说明了仅依靠线路损耗来确定线路经济运行范围具有一定的困难，因此利用综合损耗来判断线路的经济运行更加合理、实用。

6 结论

在750kV电网线路有功损耗计算分析时，不仅要考虑并联电抗器的无功补偿作用，还需要计及高压电抗器本身的有功损耗。本文提出了考虑高压并联电抗器有功损耗的750kV线路综合损耗模型，分析了高压并联电抗器对750kV线路损耗的影响机理。

(1)高压并联电抗器接入能够减少无功功率在750kV线路上所造成的损耗，使750kV线路损耗主要受有功功率的影响。

(2)在750kV线路低传输功率时，高压电抗器损耗占线路综合损耗的主要部分，综合损耗大部分是由无功功率产生的有功线路损耗，线路的运行经济性差。750kV电网应尽量避免低功率运行。

(3)利用综合线路损耗可更合理地分析750kV线路经济性，综合损耗率随着线路传输功率的增加先降低后升高。在750kV线路电阻损耗和高压电抗器损耗近似相等时，线路综合损耗率最低，线路运行最经济。

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Influence mechanisms of high-voltage shunt reactors on 750kV transmission line losses

ZHUO Jian-zong1, LIU Wen-ying1, LIU Fu-chao2, DAN Yang-qing3, XIA Peng1, WEI Ze-tian1

(1. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. State Grid Gansu Provincial Electric Power Research Institute, Lanzhou 730050, China; 3. State Grid Zhejiang Electric Power Company Economic Research Institute, Hangzhou 310007, China)

Large-capacity high-voltage shunt reactors are generally installed in 750kV transmission lines. It will bring large error to 750kV line loss analysis when ignoring the influence of HV reactors on the line losses. On this basis this paper proposes a 750kV line comprehensive loss model considering HV reactors losses. By using this model, the influence mechanism of HV reactors on 750kV transmission line losses is analyzed. Due to the integration of HV reactors, the part of line losses caused by reactive power is lessened. However, the HV reactors can also generate active losses themselves. As the transmitted power of the line increases, the comprehensive loss rate of 750kV transmission line decreases firstly and increases subsequently after the integration of HV reactors. And the line comprehensive loss rate is lowest when the resistive losses of 750kV transmission line is approximately equal to the losses of high-voltage reactors, which means the economy of the transmission line is optimal..

high-voltage shunt reactor; 750kV transmission line; line comprehensive loss; influence mechanism

2016-05-09

国家科技支撑计划项目(2015BAA01B04)、 国家电网公司重大项目(52272214002C)

卓建宗(1990-), 男, 福建籍, 硕士研究生，研究方向为电力系统运行分析与控制； 刘文颖(1955-)， 女， 北京籍， 教授， 研究方向为电力系统分析与控制及电力系统智能调度。

TM711

A

1003-3076(2017)04-0024-05