南水北調(diào)中線(xiàn)工程無(wú)功補(bǔ)償方案研究

□ 鐘光科（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

1 工程概況

南水北調(diào)中線(xiàn)干線(xiàn)一期工程總干渠河南段下轄5個(gè)中心開(kāi)關(guān)站，中心站與所轄各降壓變電站之間采用35 kV專(zhuān)用輸電線(xiàn)路環(huán)網(wǎng)供電。專(zhuān)用輸電線(xiàn)路自中心開(kāi)關(guān)站35 kV母線(xiàn)引出，沿總干渠上、下游兩側(cè)延伸，采用架空和局部電纜地埋相結(jié)合的方式沿總干渠架(敷)設(shè)。5個(gè)中心站正常供電范圍分別為總干渠上的全部降壓變電站，同時(shí)還作為相鄰中心站供電范圍內(nèi)降壓變電站的備用電源。35 kV輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)各負(fù)荷點(diǎn)設(shè)置35/0.40 kV降壓變電站向負(fù)荷供電，用電負(fù)荷包括：節(jié)制閘門(mén)、控制閘門(mén)、退水閘門(mén)、分水閘門(mén)、檢修閘門(mén)、檢修排水泵、消防、室內(nèi)外照明、監(jiān)控保護(hù)裝置、通信設(shè)施、生活管理用電等。

2 問(wèn)題的提出

由于南水北調(diào)工程的特殊性，總干渠35 kV專(zhuān)線(xiàn)距離較長(zhǎng)，而穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷小，多為閘門(mén)啟閉機(jī)等短時(shí)運(yùn)行負(fù)荷，且年運(yùn)行時(shí)間較短，并且總干渠35 kV專(zhuān)線(xiàn)在鉆越交通橋、部分高壓線(xiàn)及進(jìn)出建筑物處采用電纜敷設(shè)，此種長(zhǎng)距且輕載的運(yùn)行方式，負(fù)載的感性電流不足以抵消供電線(xiàn)路產(chǎn)生的容性無(wú)功電流，使整個(gè)線(xiàn)路呈現(xiàn)容性，在正常運(yùn)行或單相接地時(shí)，有較大的電容電流流過(guò)線(xiàn)路。正常情況下線(xiàn)路電容電流的增大，會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)路末端電壓升高，中心站功率因數(shù)超前并低于標(biāo)準(zhǔn)值，造成分?jǐn)嘣O(shè)備開(kāi)合困難，容易引起諧振操作過(guò)電壓，造成供電負(fù)荷功率因數(shù)超前的情況。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電容電流將大為增加，電弧不易熄滅，引起故障擴(kuò)大。因此，必須采取必要的無(wú)功補(bǔ)償措施。

3 無(wú)功補(bǔ)償方法

無(wú)功補(bǔ)償以就地分散補(bǔ)償、分段補(bǔ)償為基本原則，保證技術(shù)先進(jìn)性、穩(wěn)定性、免維護(hù)，尤其不要使系統(tǒng)功率因數(shù)（無(wú)功功率）在容性、感性之間穿越，發(fā)生穿越諧振。借鑒電氣化鐵路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)長(zhǎng)電纜線(xiàn)路供電的無(wú)功補(bǔ)償主要有以下幾種方案：接觸器投切電抗器（JSR）、可控硅投切電抗器（TSR）、磁控電抗器（MCR）、無(wú)功發(fā)生電源（SVG）、無(wú)功發(fā)生電源 +電抗器（SVG+L）。各種方案對(duì)比說(shuō)明如表1。

表1 無(wú)功補(bǔ)償方案對(duì)比表

文章探討采取“無(wú)功發(fā)生電源+電抗器”（SVG+L）相結(jié)合的方式，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償改造及優(yōu)化。以河南段所轄的雙洎河中心開(kāi)關(guān)站轄區(qū)為例，在中心開(kāi)關(guān)站增設(shè)高壓SVG動(dòng)態(tài)連續(xù)補(bǔ)償裝置，在線(xiàn)路的幾個(gè)斷路器站增設(shè)并聯(lián)補(bǔ)償電抗器，根據(jù)線(xiàn)路參數(shù)、特點(diǎn)來(lái)確定并聯(lián)電抗器的容量，達(dá)到全線(xiàn)產(chǎn)生的無(wú)功功率在中心變電站得到最后的平衡。

4 “SVG+L”方案研究

4.1 線(xiàn)路電容電流計(jì)算

電纜線(xiàn)路正常運(yùn)行時(shí)線(xiàn)路始端的電容電流由相間電容電流及相對(duì)地電容電流兩部分組成，當(dāng)線(xiàn)路出現(xiàn)單相接地時(shí)，流過(guò)接地點(diǎn)的單相接地電容電流等于3倍電源側(cè)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)地電容電流。經(jīng)向有關(guān)電氣廠(chǎng)家咨詢(xún)，YJV22-26/35-3×120電纜的工作電容參數(shù)C=0.16μF/km，其中每芯對(duì)中性點(diǎn)電容C等于3倍芯對(duì)芯電容Cx與每芯對(duì)地電容Cy之和，一般取3Cx=Cy。按《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》有關(guān)章節(jié)介紹，電纜線(xiàn)路單相接地電容電流可由下式求出

式中：U—系統(tǒng)額定線(xiàn)電壓(kV)；ω—角頻率，等于 2πf；f—額定頻率 (Hz)；C—相對(duì)地電容 (μF)；因此314×0.08×10-3=1.52A/km。

單相接地時(shí)流過(guò)接地點(diǎn)的電容電流等于兩非故障相對(duì)地電容電流的矢量和，即正常運(yùn)行時(shí)每相對(duì)地電容電流Icy=Ic/3=0.51 A/km；根據(jù)3Cx=Cy，流過(guò)每相的相間電容電流I3cx=Icy=0.51 A/km；則線(xiàn)路正常運(yùn)行時(shí)每相電容電流Io=I3cx+Icy=1.02 A/km。此外，按《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式估算，Ic=(95+1.44S)U/(2200+0.23S)，U—系統(tǒng)額定線(xiàn)電壓(kV)；S—電纜截面(mm2)；按此經(jīng)驗(yàn)公式估算，Ic=(95+1.44×120)35/(2200+0.23×120)=4.12 A/km，則正常運(yùn)行時(shí)每相電容電流Io=2.74A。

南水北調(diào)京石段投運(yùn)后，對(duì)其無(wú)功情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，根據(jù)2012年2月17日實(shí)測(cè)結(jié)果，中易水中心站總進(jìn)線(xiàn)處無(wú)功功率讀數(shù)為-4.14×10-2，乘以電壓互感器及電流互感器變比后實(shí)際值為-579.60 kvar，無(wú)功電流約為-579.60/(3×35)=-9.56A。當(dāng)天投運(yùn)的架空線(xiàn)路約為47.70 km，電纜線(xiàn)路約為8.27 km。因架空線(xiàn)路電容電流較小，僅為同長(zhǎng)度電纜線(xiàn)路的1/30，可忽略不計(jì)，認(rèn)為正常運(yùn)行時(shí)每公里電纜線(xiàn)路的電容電流約等于9.56/8.27=1.15 A，與相關(guān)廠(chǎng)家提供的電纜工作電容參數(shù)折算出的電容電流數(shù)值1.02A較為接近，可以采用。

4.2 高壓并聯(lián)電抗器容量計(jì)算

根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》（電氣一次部分），高壓并聯(lián)電抗器容量計(jì)算為QL=Qc×Kt，式中QL—并聯(lián)電抗器容量（kvar）；Qc—線(xiàn)路的充電功率（kvar）；Kt—補(bǔ)償度，一般取值為40%～80%。供電系統(tǒng)對(duì)地電容電流≤20 A時(shí)，70%是最佳補(bǔ)償度，因此補(bǔ)償度選擇70%。

5 實(shí)例應(yīng)用

系統(tǒng)電壓為35 kV時(shí)，經(jīng)計(jì)算，三相電纜每公里產(chǎn)生的容性無(wú)功約為65kvar，架空線(xiàn)路無(wú)功按3 kvar/km估算。以河南段所轄的雙洎河中心開(kāi)關(guān)站轄區(qū)為例，轄區(qū)充電容性無(wú)功統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 雙洎河中心開(kāi)關(guān)站轄區(qū)充電容性無(wú)功統(tǒng)計(jì)表

潁河渠道倒虹吸至雙洎河中心開(kāi)關(guān)站產(chǎn)生的最大容性無(wú)功容量為：358.12+419.21=777.33 kvar，并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的總?cè)萘堪淳€(xiàn)路產(chǎn)生的容性無(wú)功的70%考慮，電抗器的容量為：777.33×70%=544.13 kvar≈500 kvar，電抗器配置在小洪河倒虹吸站。雙洎河中心開(kāi)關(guān)站至滲漏排水泵站產(chǎn)生的最大容性無(wú)功容量為：609+947=1556 kvar，并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的總?cè)萘堪淳€(xiàn)路產(chǎn)生的容性無(wú)功的70%考慮，電抗器的容量為：1556×70%=1089 kvar≈1100 kvar。由于線(xiàn)路較長(zhǎng)，線(xiàn)路中有兩處斷路器站，配置兩臺(tái)電抗器，分別配置在丈八溝渠道倒虹吸站（900 kvar）和十八里河渠道倒虹吸站（300 kvar）。雙洎河中心開(kāi)關(guān)站轄區(qū)補(bǔ)償容量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 雙洎河中心開(kāi)關(guān)站轄區(qū)補(bǔ)償容量統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

由于南水北調(diào)中線(xiàn)工程35 kV專(zhuān)線(xiàn)的特殊性，使整個(gè)線(xiàn)路呈現(xiàn)容性，為消除無(wú)功電容的危害，文章提出“無(wú)功發(fā)生電源+電抗器”（SVG+L）相結(jié)合的方式，以河南段下轄的雙洎河中心開(kāi)關(guān)站轄區(qū)為例，對(duì)南水北調(diào)中線(xiàn)工程進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償改造及優(yōu)化。