配网电缆线路电容效应机理分析及无功补偿

罗庆丰 季青锋

摘 要：城市配电网线路大多采用电缆线路，电缆线路的电容特性相比于同等电压等级的架空线路更加明显，更易造成配电网线路电压越限，造成一定程度的电气设备损害。本文首先通过对配电网电缆线路产生的电容效应，导致电压升高进行机理分析，首次给出了考虑电缆充电特性含虚拟电容充电的配电网模型，然后通过电力系统仿真软件ETAP搭建某城区某110kV变电站110kV～10kV配网系统模型，并在所带某条10kV电压越限线路各处可行位置配置电抗器进行无功补偿，利用仿真对比的方法，得到最优布点位置。

关键词：配电网 电压越限 无功补偿 最优布点

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）08（a）-0038-02

为改善现代城市整体市容市貌，电缆线路在城区配网建设中应用越来越广泛，电缆线路的电容充电特性相比于同等電压等级的架空线路更加明显，一旦线路过长，在线路轻载和负荷低谷时段，则会出现电压升高越限、无功倒送等问题，危及相关电气设备安全。相关研究表明在变电站内及用户侧安装电抗器进行电压控制，效果并不明显。因此，亟需通过在配网10kV线路中配置无功补偿设备来改善配网无功分布，达到改善电压质量的目的。由于配网线路节点众多，在何处配置多大容量无功补偿设备成了解决问题的关键。

目前国内外关于配电网无功补偿相关研究主要集中在针对线路末端电压偏低问题。关于电压上升越限，无功倒送问题主要集中在分布式光伏发电及其小水电发电系统。文献[1]利用光伏逆变器实现的自动电压与功率因数控制方式改善电压越限情况，并通过仿真证明了该方式可以较好地解决高渗透光伏接入条件下，配电网线路电压越限问题。文献[2]在分析分布式光伏发电接入点电压特性的基础上，提出一种能够防止馈线电压越限的控制方案，可以满足在提高光伏并网渗透率的基础上，保证电压质量，解决配电网线路电压越限问题。文献[3-4]具体阐述目前小水电上网配电线路电压越限治理相关措施，提出了利用并列电抗器补偿及水电机组之间协调运行的方法成功解决电压越限问题。

本文首先通过对配电网电缆线路产生的电容效应，导致电压升高进行机理分析，然后通过电力系统仿真软件ETAP搭建某城区某110kV变电站110kV～10kV配网系统模型，并在所带某条10kV电压越限线路各处可行位置配置电抗器进行无功补偿，利用仿真对比的方法，得到最优布点位置。

1 考虑电缆充电特性的配电网模型

为了更好地分析电缆线路充电特性对配电线路的电压影响，建立了如图1所示的含虚拟电容的理想配电线路结构模型，该模型只包含主干线，由系统等值电源和辐射状的带有若干虚拟电容和负荷的主干线路构成，电缆线路的容性无功充电特性等效于电容效应，故此处用等效虚拟电容模型表示电缆的容性充电效应。

2 线路电压降落的解耦分析

电力传输时，由于线路存在阻抗，首末端存在一定的电压降落，如图2所示，其对应的电压相量图如图3所示。

一般情况下，，因此，传输线路末端的电压可以简化为：

（1）

由电压降落的基本计算公式进行推导可得：

（2）

故传输线路末端电压为：

（3）

式（2）（3）中，ΔV为传输线路末端的压降，V1为110kV变电站10kV母线的电压，V2为负荷节点电压；P为有功负荷，Q为无功负荷，R为线路电阻，X为线路电抗，R0为单位长度的电阻值；X0为单位长度的电抗值；Δvp、Δvq分别为单位长度线路输送单位有功功率、无功功率引起的压降。

在负荷低谷方式下，配电线路末端将出现无功倒送，线路末端电压比变电站母线电压高一个电压差ΔV，也即 ΔV为负值，出现末端电压高于首端电压情况。

3 算例分析

某变电站某条10kV线总长度约为2670m，采用全电缆线路型号为YJV-300。共有小区变16台，总容量为11660kVA，单电源专变2台，容量600kVA，双电源专变15台，容量11580kVA。利用ETAP软件，将该变电站该条线路的网架结构线路参数等输入到软件中，进行仿真模型搭建，仿真初始潮流10kV主干线节点电压分布如表1所示。

在各个主干线节点依次投入一个容量为2Mvar的电抗器，比较主干线节点电压分布情况，主干线节点电压分布趋势如图4所示。

由图4可以看出，前端节点投入一定的感性无功补偿对后端节点电压不起直接抑制作用，但是后端节点投入一定的感性无功补偿不仅可以明显降低改补偿点的电压，同时还可以对前端节点电压具有直接的抑制效果，即距离主干线母线越远，抑制主干线结点电压抬升的效果也越明显。

4 结语

本文首先通过电力系统仿真软件ETAP搭建某城区某110kV变电站110kV～10kV配网系统模型，并在所带某条10kV电压越限线路各处可行位置配置电抗器进行无功补偿，利用仿真对比的方法，发现离主干线母线越远，抑制主干线结点电压抬升的效果也越明显，得到了最优布点位置。另外，在投入无功补偿装置后，可以明细吸收过剩无功功率，改善供电电压质量，达到降低电压的目的。

参考文献

[1] 王颖，文福拴，赵波，等.高密度分布式光伏接入下电压越限问题的分析与对策[J].中国电机工程学报，2016， 36（5）：1200-1206.

[2] 王鹤，陈玉芳，李国庆，等.大规模分布式光伏接入的配电网电压越限解决方案[J].东北电力大学学报，2017， 37（6）：8-14.

[3] 宋振跃.一种含有小水电并网的智能型馈线自动化系统研究[J].机电信息，2018（6）：11-13.

[4] 厉志强.小水电上网配电线路电压越限治理措施[J].电工技术，2017（5）：92.