综合管廊供配电系统容性无功现象分析及补偿方案研究*

2018-06-11刘澄波李双凤

现代建筑电气 2018年5期

张　浩,　刘澄波,　李双凤

[上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海　200092]

0　引　言

综合管廊是一个将电力、通讯、给排水、雨污水等各种管线集于一体的城市地下隧道空间[1],能够解决管线规划中的“预留”问题,克服城市发展与市政管线规划之间的矛盾[2]。目前,我国出台一系列政策[3-6]鼓励支持综合管廊的建设,国内已规划的综合管廊超过1万km,并且综合管廊工程规模长度呈明显上升趋势。

功率因数是电业局对用户考核电能质量最主要的指标,当功率因数下降到一定程度后,电业局对用户的罚款呈加速上升趋势[7]。长距离综合管廊内大量高压自用电缆带来大量容性无功,远大于综合管廊附属设备运行产生的感性无功,使得综合管廊出现过补偿现象,大量综合管廊工程的功率因数低至0.5以下。高压自用电缆带的容性无功一方面使得用户承受电业局罚款,另一方面又降低公共电网的电能质量,因此在综合管廊工程中自用电缆产生的容性无功补偿必须引起重视。

1　电缆容性无功分析

综合管廊沿市政道路建设,约1.2～2.0 km设置一处分变电所,为综合管廊内低压负荷供电。结合综合管廊分变电所分布及电网情况,分变电所高压侧电压等级通常为10 kV或20 kV。电业局通常要求一个用户只能设置一处计量点,因此综合管廊各分变电所高压电源无法直接引自电网,需设置一处10(20) kV高压配电所,在高压配电所内统一高供高计,并通过大量长距离10(20) kV自用电缆树干式结合放射式为管廊沿线分变电所供电,因此使得计量点之后存在大量高压自用电缆。

电力电缆存在对地电容电流,因此在系统中呈容性,电缆的容性功率为

QC=2πfU2cL

(1)

式中:U——系统电压,kV;

c——电缆单位电容,μF/km;

L——电缆长度,km。

从式(1)可以看出,电缆容性无功与电压平方成线性正比关系,因此10(20) kV电力电缆为容性无功的主要源头,0.4 kV电缆容性无功相对可以忽略不计。由于综合管廊呈线性长距离的特点,综合管廊外线计量点后的高压自用电缆远多于通常建筑、市政工程的电缆,因此综合管廊不同于一般工程,综合管廊内供配电系统无功呈容性,使得系统处于过补偿状态。

电缆截面-单位电容关系如图1所示。

电缆截面-单位容性无功关系如图2所示。

图1　电缆截面-单位电容关系

图2　电缆截面-单位容性无功关系

从图1、图2可以看出,在同截面积情况下电压等级较高的电缆单位电容小,但由于电缆单位充电容性无功与电压平方成正比,因此电压等级高的电缆单位充电容性无功远大于电压等级较低的电缆。且高压电缆随着截面的增大,单位电容及单位容性无功均相应上升。结合综合管廊负荷、热稳定性、电压降要求,管廊内10(20) kV自用主干电缆通常选择3×70 mm2截面,结合不同厂商的电缆数据,10 kV及20 kV电缆单位容性无功分别为4～7 kvar/km及15～20 kvar/km。

综合管廊内主要用电负荷为通风机、照明、排水泵、检修插座、监控系统等,其中通风机、照明、排水泵及检修插座都属于短时工作制设备,只有当管廊环境不满足要求、人员巡检及设备检修时才会开启,每天运行的时间非常有限,甚至存在几天不运行的情况,只有监控系统始终处于运行状态,因此综合管廊的平均负荷较小。经过大量综合管廊统计分析,综合管廊的平均负荷与综合管廊的舱室数量成正比例关系。综合管廊舱室数量与负荷关系如图3所示。

图3　综合管廊舱室数量与负荷关系

从图3可以看出,综合管廊的平均负荷非常小,随着舱室增加,综合管廊的平均负荷并不呈倍数增加。由于综合管廊平均负荷较小,所产生的感性无功不足以抵消10(20) kV自用电缆产生的容性无功,因此综合管廊的功率因数普遍较低。根据综合管廊不同舱室数量时的平均负荷,在负荷自然功率因数为0.85及综合管廊与10(20) kV自用电缆等长的情况下,综合管廊不同舱室数量时的功率因素如表1所示。

表1　综合管廊不同舱室数量时的功率因素

备注:电缆截面积为3×70 mm2

由表1可以看出,除舱室数量较多且自用电缆采用电压等级较低的10 kV电缆情况下,功率因数才能满足0.9以上的要求,其他情况下功率因数普遍不满足要求。通常综合管廊高压电源采用树干式结合放射式敷设,高压电缆长度大于管廊时,综合管廊功率因数还将进一步下降,因此有必要对综合管廊的自用电缆带来的大量充电容性无功进行补偿。

2　电缆容性无功补偿方案

为了解决综合管廊供电系统过补偿,需在系统上注入感性无功,用于抵消高压电缆带来的容性无功,注入感性无功最直接有效的就是在供电系统上并联电抗器。在综合管廊供电系统上并联电抗器需考虑如下方面。

2.1　电抗器并联位置

电抗器可并联接入位置有控制中心高压系统及分变电所低压侧两种方案。接入分变电所低压侧可采用低压电抗器,但该方案占用变压器容量、减少变压器利用率、增大变压器损耗,并且综合管廊分变电所采用沿管廊埋地形式,现场环境不利于干式电抗器长期运行。而电抗器并联接入控制中心高压系统有利于人员集中管理,并且控制环境良好,有利于电抗器长期运行。因此,采用高压干式电抗器并入控制中心高压侧进行集中补偿是一种较为合理的方案。

2.2　电抗器补偿容量

2.3　电抗器与综合管廊的规划协调

目前,综合管廊基本采用一次规划、分期建设的模式,使得综合管廊分变电所数量及高压自用电缆长度随着综合管廊不断的延伸而不断增多,即综合管廊内高压自用电缆带来的容性无功逐步增加。因此,并联电抗器需要预留远期容量(通过调整分接头的位置,满足远期电缆容性补偿要求),预留容量可通过设置电抗器分接头实现。

3　工程实例分析

无锡市太湖新城综合管沟工程总规划建设长度为20.6 km,由信成道、瑞景道、立德道、清源路组成,配电系统由控制中心20 kV配电所及沿综合管廊14处20/0.4 kV分变电所组成,4条道路管廊分别由控制中心20 kV配电所馈出一路20 kV电源,为若干分变电所进行树干式供电。一期建设长度为16.4 km,建设控制中心20 kV配电所及沿线11处20/0.4 kV分变电所。建成后功率因数实测为0.22,远低于电业局要求。切除自用负荷后,4路馈出20 kV电缆的实测容性无功如表2所示。

表2　切除自用负荷后,4路馈出20 kV电缆的实测容性无功

根据远期电缆长度预测的容性无功如表3所示。

表3　根据远期电缆长度预测的容性无功

由表2、表3可知,近期电缆实测充电容性无功为305 kvar,根据远期电缆长度预测的电缆充电容性无功约为76 kvar,且由于存在征地问题,远期建设时间及建设分期情况不确定,仅能基本确定近期、远期电缆充电容性无功合计为381 kvar。因此,结合近期、远期无功补偿需要,电抗器采用带分接头形式,第一档根据近期电缆容量无功,选择补偿295 kvar;最后一档根据远期电缆无功,选择补偿395 kvar;中间值再分成若干挡,经过分区,选择一台20 kV六分接头电抗器(295、315、335、355、375、395 kvar),以适应综合管廊近期、远期补偿需求。

电抗器第一档295 kvar用于补偿现有电缆容性无功,补偿后电抗器感性无功、少量负荷感性无功与电缆容量无功相互抵消,实测功率因数为0.96,高于电业局要求的功率因数限值。