南水北调中线工程专网供电系统无功补偿方式

陈辉　闰新　吴思宇

摘要：为解决南水北调中线干线工程35 kV专网供电系统运行中存在的功率因数过低、占用电力系统无功容量大、功率因数调整电费超额支出等实际问题，研究分析长距离多负荷节点供电系统无功补偿方式的技术方案。针对沿渠35 kV输电线路供电距离长、负荷节点多、电缆线路占比较大、电缆线路对地电容值较大的特点，采取在35 kV专网供电系统中进行集中补偿与分散补偿相结合的技术方案。在中心开关站安装补偿装置SVC集中补偿，在负荷节点降压站断路器站安装固定电抗器分散补偿。采取补偿技术措施后，35 kV专网供电系统整体无功平衡，功率因数由原来的0.1- 0.4提高到0.96，满足并优于国家电网公司规定的电能质量技术要求，降低了供电系统运行费用，经济效益明显。

关键词：供电系统：功率因数;无功补偿配置;集中补偿;分散补偿

中图分类号：TM72

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.06.033

1 工程供电系统概况

南水北调中线一期工程包括总干渠和天津干渠，渠线总长1 432 km。其中总干渠长1 276 km、总干渠陶岔至石家庄段长钓1100 km渠道，所有沿线的分水口门、节制闸、退水闸、事故检修闸及其他建筑物需要供电，沿线由35 kV中心开关站、35 kV降压变电站及沿渠35 kV输电线路等组成供电系统。总干渠河南段、河北段设35 kV供电系统专网，电源引自干渠沿线地区110-220 kV变电站中的35 kV母线，设置13座35 kV中心开关站，每座中心开关站从所在地区的电力系统中引1回或2回35 kV电源，由中心开关站引出2回35 kV线路分别向干渠上游、下游两侧敷设，在干渠负荷点处设35 kV/0.4 kV降压变电站向负荷点供电，沿线13座35 kV中心开关站分布位置及其引接电源位置见表1[l]。

经调查并收集资料，获得前10座35 kV中心开关站的电源线路所使用的架空线、电缆，上下游沿渠线路使用的架空线、电缆，供电负荷点的降压变电站数量、变压器容量等详细技术数据，各中心开关站供电线路长度及正常供电负荷见表2。2供电系统运行中存在的问题及原因

截至2015年年底，南水北调中线工程总干渠35kV专网供电系统已运行la多时间，运行过程中发现以下3个方面的主要问题：

（1）沿线多数区段35 kV中心开关站功率因数偏低，如京石段35 kV供电系统平均功率因数为0.1 -0.2，郑州须水河中心开关站供电系统平均功率因数为0.3 - 0.4，导致占用电力系统无功容量增大，电力公司征收额外的无功力调费用，电费额外支出增加。

（2）35 kV降压站母线电压高，部分中心开关站和降压站的母线电压超出标准要求范围。电力设备长期运行在超出额定电压的高电压系统中，照明设备寿命缩短，高压电气设备易发生绝缘击穿，且老化加快。

（3）35 kV专网供电系统无功容量过大，35 kV沿线供电线路和降压站变压器允许通过容量降低，线路及设备允许的有功功率减小，相应系统运行余量减少，可靠性下降[2]。

沿渠35 kV专网供电系统在可行性研究和初步设计阶段，结合当地地理环境和电网分布，确定35 kV线路以架空线路为主，只有少量电缆应用在降压站进、出线处和降压站内部开关柜间连接处。施工设计阶段，沿渠35 kV线路敷设路径所处的地理环境发生很大的变化，35 kV线路与地方已建的各种线路如通信线、铁路、公路、高速公路等交叉穿（跨）越多，与配套同步建设的公路桥、生产桥、左岸排水涵洞等交叉多，电缆线路长度占整个沿渠输电线路长度比例增大，造成35kV专网供电系统对地电容增大。

3 解决供电系统存在问题的技术方案

供电系统运行中存在问题的根本解决方案，就是补偿长距离架空供电线路和电缆线路对地电容，并且选择合适的位置、形式和容量进行补偿，解决方案主要遵循就地补偿实现无功平衡的原则[3]。以具有代表性的区段双洎河中心开关站至须水河倒虹吸中心开关站之间无功补偿为理论模型，采用集中补偿与分散补偿相结合的技术方案，在中心开关站实施集中补偿，采用动态无功連续补偿装置SVG（ Static Var Generator），负荷节点降压站断路器站（D1站、D2站）实施分散补偿，采用固定电抗器补偿方式。典型供电系统无功补偿配置如图1所示。

3.1 中心开关站（A站）集中补偿

在中心开关站A站（A站代表双洎河中心开关站）实施集中补偿，采用动态无功连续补偿装置SVG，补偿地点设置在A站母线.A站无功补偿装置SVG补偿的范围包括：

（I）A站至系统变电站间的电源线路（包括架空线路L5、电缆线路L6）对地电容呈现的无功容量QAl，该无功容量1 00%由A站无功补偿装置SVG补偿。

（2）A站至下游侧联络开关站M站（M站代表双洎河中心开关站与须水河倒虹吸中心开关站之间的联络开关站）之间的沿渠输电线路（包括架空线路L1、电缆线路L3）对地电容呈现的无功容量QA2，该无功容量30%由A站无功补偿装置SVG补偿。

（3）A站至上游侧联络开关站之间的沿渠输电线路（包括架空线路、电缆线路）对地电容呈现的无功容量QA3，该无功容量30%由A站无功补偿装置SVG补偿。

SVG补偿容量计算公式如下：

QA=QAI+0.3（QA2+QA3）

（1）式中：QA为中心开关站（A站）SVG补偿容量，kvar。

3.2 中心开关站（B站）集中补偿

在中心开关站B站（B站代表须水河倒虹吸中心开关站）实施集中补偿，采用动态无功连续补偿装置SVG，补偿地点设置在B站母线，B站无功补偿装置SVG补偿的范围包括：

（1）B站至系统变电站间的电源线路（包括架空线路L7、电缆线路L8）对地电容呈现的无功容量QBI，该无功容量100%由A站无功补偿装置SVG补偿。

（2）B站至上游侧联络开关站M站之间的沿渠输电线路（包括架空线路L2、电缆线路IA）对地电容呈现的无功容量QB2，该无功容量300-/0由B站无功补偿装置SVG补偿。

（3）B站至下游侧联络开关站之间的沿渠输电线路（包括架空线路、电缆线路）对地电容呈现的无功容量QB3，该无功容量30%由B站无功补偿装置SVG补偿。

SVG补偿容量计算公式如下：

QB=QBI+0.3（ QB2+QB3）

（2）式中：QB为中心开关站（B站）SVG补偿容量，kvar。

3.3 断路器站（D1站）分散补偿

在断路器站D1站（D1站代表A站与M站之间的断路器站）实施固定电抗器补偿，断路器站D1站设置在A站至下游侧联络开关站（M站）沿渠输电线路对地容性电流负荷中心，补偿地点设置在D1站母线，电抗器补偿范围为A站至下游侧联络开关站（M站）之间的沿渠输电线路（包括架空线路L1、电缆线路L3）对地电容呈现的无功容量QD11，该无功容量70%由D1站无功补偿装置固定电抗器补偿。

3.4 断路器站（D2站）分散补偿

在断路器站D2站（D2站代表B站与M站之间的断路器站）实施固定电抗器补偿，断路器站D2站设置在B站至上游侧联络开关站（M站）沿渠输电线路对地容性电流负荷中心，补偿地点设置在D2站母线，电抗器补偿的范围为B站至上游侧联络开关站（M站）之间的沿渠输电线路（包括架空线路L2、电缆线路IA）对地电容呈现的无功容量QD21，该无功容量70%由D2站无功补偿装置固定电抗器补偿。

4 结语

长距离多负荷节点供电系统无功补偿方法，适合应用在呈线状供电系统中电缆使用量较大的用电场所。结合南水北调中线干线沿渠35 kV供电系统“长距离、多负荷节点呈线状供电”的特点，实施供电系统内部集中无功补偿与分散无功补偿相结合的技术方案。沿渠35 kV供电系统与沿线地方电网结算电费的中心开关站计费点共有13处，实施新方案之后，沿渠35 kV供电系统供电质量明显提高，功率因数在0.95以上，用电费用明显降低。

由于南水北调中线工程所有的电气设备已经安装完毕并投入运行，因此只能采用技术改造措施弥补工程存在的不足，在进一步总结经验的基础上，对新建类似工程提出以下建议：

（1）项目建设前期充分调研长距离多负荷节点工程的负荷分布，合理确定中心开关站、联络开关站、断路器站的布置位置。中心开关站布置位置考虑电源点的引接、供电负荷范围、供电负荷大小、供电距离等因素。联络开关站布置在两中心开关站中间位置，断路器站布置在沿渠输电线路对地容性电流负荷中心，正常运行方式为联络开关站的断路器为断开状态，各中心开关站供电半径为两中心开关站之间距离的一半。

（2）統计计算中心开关站与联络开关站之间的架空线路长度、电缆线路长度，计算线路对地电容的电气中心位置，在线路对地电容的负荷中心位置设置断路器站。

（3）按照集中补偿与分散补偿相结合的原则，计算各段（中心开关站至系统、中心开关站至联络开关站）线路对地电容的无功容量，实施SVG集中补偿装置承担中心开关站至系统输电线路100%的容性无功容量和中心开关站至联络开关站输电线路30%的容性无功容量。分散固定电抗器补偿承担中心开关站至联络开关站输电线路70%的容性无功容量。

参考文献：

[1] 黄河勘测规划设计研究院有限公司，南水北调中线一期工程总干渠工程须水河倒虹吸中心开关站35 kV无功补偿设计方案报告[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2015：2-3.

[2] 电力工业部电力规划设计总院.电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，1998：220-225.

[3] 国家能源局.35 kV-220 kV变电站无功补偿装置设计技术规定：DL/T 5242-2010[S].北京：中国电力出版社，2010：5.