電纜網(wǎng)絡(luò)電容電流控制策略研究

蔣東榮，李海龍，蔣　偉，王　瑞

(重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶　400054)

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電纜網(wǎng)絡(luò)電容電流控制策略研究

蔣東榮，李海龍，蔣偉，王瑞

(重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶400054)

城網(wǎng)中的電纜化會造成系統(tǒng)對地電容電流過高，影響系統(tǒng)的無功平衡和產(chǎn)生弧光接地過電壓。針對該問題，建立了基于并聯(lián)電抗器與中性點經(jīng)小電阻接地的綜合電容電流補償方案。所建方案可實現(xiàn)在城網(wǎng)正常運行時由系統(tǒng)功率分布情況實時補償系統(tǒng)內(nèi)過剩容性無功，滿足系統(tǒng)經(jīng)濟運行需求。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，可根據(jù)故障接地點電流補償系統(tǒng)對地電容電流限制弧光接地過電壓。利用Matlab/Simulink對該方案的技術(shù)可靠性進行仿真，利用全壽命周期理論對該方案經(jīng)濟性進行驗證。結(jié)果表明：該方案正確、有效、可行，可為未來相關(guān)工程實踐提供參考。

城網(wǎng)改造；電纜化；電容電流；弧光接地；全壽命周期

近年來，隨著國家經(jīng)濟的迅速發(fā)展，各種經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、新城林立，用電負荷主要表現(xiàn)為增長迅速、區(qū)域集中等特點。同時，原有的以架空線路為主的配電網(wǎng)不僅配電能力低、安全可靠性差、用戶停電時間長，并且城市道路兩旁密密麻麻的架空線路很影響城市外觀，更存在巨大安全隱患。因此，目前許多城市對電網(wǎng)進行了大規(guī)模升級改造，城市電網(wǎng)中高壓電纜越來越多[1]。

單位長度電纜對地電容是架空線路的幾十倍，產(chǎn)生的充電功率比架空線路高一個數(shù)量級[2]。隨著城網(wǎng)改造的深入，電網(wǎng)電纜化所產(chǎn)生的電容電流將會對系統(tǒng)的運行造成嚴重影響[3]。尤其夜間負荷低谷時，系統(tǒng)電容電流引起的容性無功過剩，使線路末端電壓越限，給用戶用電安全帶來很大挑戰(zhàn)[4]。同時，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地點電弧不易自熄，引起弧光接地過電壓，嚴重威脅電網(wǎng)安全運行[5]。因此，在城網(wǎng)電纜化改造過程中，必須考慮電容電流過大問題。鑒于此，本文在兼顧技術(shù)性和經(jīng)濟性因素的基礎(chǔ)上，建立了適合城網(wǎng)的電容電流新型補償方案，以確保電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行。

1　電容電流綜合補償控制方案

根據(jù)“DL/T6—1997”《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規(guī)定[6]：對于10kV配電網(wǎng)，當電容電流大于10A時，系統(tǒng)應考慮采用中性點經(jīng)消弧線圈接地；當電容電流大于150A時，系統(tǒng)應考慮采用中性點經(jīng)小電阻接地的方式。然而不管是中性點經(jīng)消弧線圈接地還是經(jīng)小電阻接地，并不能達到很好的熄弧效果[7-8]。在系統(tǒng)正常運行情況時，以上方法均不能減小電纜線路對地充電功率。而三相并聯(lián)電抗器在系統(tǒng)正常運行時，能補償系統(tǒng)電容電流，并且當電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障時能限制接地點電流，以減小弧光接地過電壓。但是實際的城網(wǎng)十分復雜，在電纜出線長度很長的情況下，經(jīng)并聯(lián)電抗器補償后接地點電流仍然很高，弧光接地過電壓時有發(fā)生。

可見，簡單使用某種單一方法已很難有效解決城網(wǎng)電容電流過大的問題，應結(jié)合多種方法才更有效果。為此，本文建立了一種三相并聯(lián)電抗器與中性點經(jīng)小電阻接地相結(jié)合的動態(tài)電容電流補償方案，其整體框圖如圖1所示。當電網(wǎng)正常運行時，根據(jù)系統(tǒng)中無功分布，由并聯(lián)電抗器對系統(tǒng)電容電流進行補償，達到系統(tǒng)的無功平衡。當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，根據(jù)故障接地點的電流大小，通過并聯(lián)電抗器補償接地點電容電流，可以有效降低弧光接地過電壓的產(chǎn)生。同時，實際城網(wǎng)十分復雜，系統(tǒng)內(nèi)存在較大的高頻電流量電抗器難以補償，對弧光接地過電壓的產(chǎn)生仍有威脅，難以補償?shù)母哳l電流可以經(jīng)中性點小電阻接地釋放出去。因此，該方案可以在不同復雜程度的電網(wǎng)中限制弧光接地過電壓的同時能滿足系統(tǒng)無功平衡的要求。

圖1　電容電流補償方案整體框圖

并聯(lián)電抗器作為電力系統(tǒng)最早的無功補償設(shè)備，其操作簡單、容易控制，目前仍是電網(wǎng)中補償容性無功的重要設(shè)備[9-10]。電抗器可以使用磁閥式可控電抗器，通過直流磁化鐵芯，采用定量快速勵磁控制方法改變鐵芯的磁導率，使電抗器響應時間在10ms之內(nèi)，從而實現(xiàn)電抗器對系統(tǒng)電容電流補償?shù)目爝f連續(xù)可調(diào)[11]。

由圖2并聯(lián)電抗器的控制流程可以看出該控制策略有2種控制模式：無功補償模式和電容電流補償模式。

圖2　并聯(lián)電抗器控制流程

無功補償模式工作原理：在系統(tǒng)正常運行情況下，控制器控制并聯(lián)電抗器，以系統(tǒng)無功功率最小為控制目標，通過TA、TV信號得到系統(tǒng)電壓U和電流I，可計算出系統(tǒng)的無功功率Q、功率因數(shù)cosθ′。假設(shè)補償后的功率因數(shù)為cosθ，那么需要補償?shù)臒o功功率為

(1)

電容電流補償模式工作原理：系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障接地點電流Id為所有非故障相對地電容電流之和。控制器控制調(diào)節(jié)并聯(lián)電抗器，產(chǎn)生與系統(tǒng)對地電容電流方向相反、大小相等的電流。此時電抗器應滿足

(2)

式中：L為電抗器電感值；C∑為系統(tǒng)對地電容。

實際工程中一般采用0.75的補償度就可以滿足接地點電流能夠可靠熄弧要求，同時可以減小流經(jīng)中性點接地電阻的電流，增加系統(tǒng)的安全可靠性。

2　方案的技術(shù)可靠性驗證

為分析驗證并聯(lián)電抗器對電網(wǎng)中電容電流的補償效果，本研究在Matlab中搭建了一個全電纜出線的110 kV變電站仿真模型。為便于研究，本仿真模型電源選用無窮大電源，變電站出線線路為5條，線路總長度為60 km。為更準確反映電纜線路電容效應，仿真模型采用精確度較高的分布參數(shù)模型，根據(jù)文獻[12]的計算方法得出電纜線路的分布參數(shù),如表1所示。

表1　電纜線路的分布參數(shù)

由電纜線路的分布參數(shù)可計算出三相電壓對稱運行狀態(tài)下電纜對地電容電流IC=53.5 A，對地充電無功QL=308.98 kW。由文獻[13]確定并聯(lián)電抗器并聯(lián)在線路末端，補償度為0.75，即QL=231.7 kW。為突出并聯(lián)電抗器電容電流補償效果，對系統(tǒng)單相接地故障和正常運行兩種工況進行仿真。

2.1系統(tǒng)單相接地故障仿真

驗證該方案在故障運行狀態(tài)下的效果時，設(shè)定仿真模型故障發(fā)生點在線路5出線處，故障發(fā)生時間在0.02 s。分別對系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時無并聯(lián)電抗器和有并聯(lián)電抗器兩種情況進行仿真。圖3為無并聯(lián)電抗器情況下的接地點電流情況，從圖中可以看出:系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時流過故障點的電流為ICd=56.57 A。如果不對系統(tǒng)進行容性電流補償，接地點將會燃不穩(wěn)定電弧，引起弧光接地過電壓，破壞用電設(shè)備的絕緣性，可能存在故障范圍擴大化風險。

電抗器作為補償電容電流常用設(shè)備，其補償效果明顯，能很好地減小系統(tǒng)電容電流。圖4為并聯(lián)電抗器后故障接地點的電流，可以看出：當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地點電流在瞬間沖擊后2個工頻周期內(nèi)將接地電流的有效值控制在10 A 以下，能較好地限制弧光接地過電壓的發(fā)生。

圖3　無并聯(lián)電阻抗單相接地故障接地點電流

圖4　并聯(lián)電抗器后故障接地點電流

2.2正常運行狀態(tài)仿真

城網(wǎng)夜間低負荷運行時，系統(tǒng)中電容電流產(chǎn)生的容性無功是一天中最嚴重的。由電纜對地電容引起的容性無功會倒送入電網(wǎng)，導致電網(wǎng)功率因數(shù)降低，影響電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。同時，過剩容性無功會引起系統(tǒng)電壓升高，尤其是短路容量較小的電網(wǎng)系統(tǒng)，電壓影響更加明顯[14]。圖5、6為110 kV變電站在空載情況下的有功、無功分布和并聯(lián)電抗器后的有功、無功分布。

從圖5可以看到：系統(tǒng)存在過剩的容性無功功率(負值)，倒送入電網(wǎng)，對系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)產(chǎn)生很大影響，滿足不了系統(tǒng)對功率因數(shù)標準的要求。

圖6可以看出：并聯(lián)電抗器對系統(tǒng)電容電流進行補償后，系統(tǒng)有功無功分布得到明顯改善，由電容電流引起的容性無功接近0，功率因數(shù)達到0.95以上，有功損耗明顯降低?？梢?，通過并聯(lián)電抗器來治理系統(tǒng)電容電流過大引起的無功平衡問題有效可行。

圖5　空載情況下有功無功分布情況

圖6　并聯(lián)電抗器后的有功無功分布

3　方案的經(jīng)濟性論證

工程應用中，除了要保證方案的可靠性外，還要兼顧其經(jīng)濟性、可行性。傳統(tǒng)的經(jīng)濟性計算只考慮了設(shè)備的初期投入，往往忽略設(shè)備在運行過程中的投入以及設(shè)備退運后的殘值，不符合電力系統(tǒng)可持續(xù)健康發(fā)展的要求。全壽命周期理論是指設(shè)備或系統(tǒng)在預期的壽命周期內(nèi)其論證、研制、生產(chǎn)、使用、保障以及退役處置所消耗的所有費用之和[15]。利用全壽命周期理論的方法可以提高設(shè)備整個壽命周期利潤，保證系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)全壽命周期理論分析(LCC)，電力設(shè)備的全壽命周期成本包括一次投資成本、運行維護成本以及設(shè)備報廢成本，即

LCC=LCC一次投資+LCC運行+LCC報廢

(3)

一次投資成本包括設(shè)備購置費用、安裝調(diào)試費用、占地費用等。運行維護費用包括設(shè)備的功率損耗、人工維護費等。報廢費用就是在設(shè)備報廢后處理設(shè)備的費用和設(shè)備殘值。

以重慶某110 kV變電站為例，經(jīng)計算，該站需要兩組并聯(lián)電抗器，每組容量10 MW，每組220萬元，設(shè)備購置費用為440萬元。兩組設(shè)備共占地27 m2。以重慶平均房價7 000元/m2計算，占地費用為18.9萬元。

LCC一次投資=440+18.9=458.9萬元

電力設(shè)備人工運行維護費每年為200元，運行時長為30年，年利率為7%，計算人工維護費現(xiàn)值為

0.02×12.409 0=0.25萬元

該電容電流補償控制方案主要針對夜間低負荷情況補償，在白天高負荷時，基本不需要進行補償。因此，計算時每天工作時間按12 h計算，年平均工作容量為80%的無功補償設(shè)備的功率消耗為其自身容量的0.5%～0.8%，在此取0.8%，按照當前電費0.5元/(kW·h)的價格計算，并聯(lián)電抗器的功率消耗為

M1=20 000×0.7×12×30×12×

0.008×0.5=24.2萬元

其運行損耗現(xiàn)值為

24.2×12.409 0=300.30萬元

電力設(shè)備的報廢殘值取其一次投資的2%計算，所以并聯(lián)電抗器的設(shè)備殘值為

LCC報廢=440×0.02=8.8(萬元)

由此可得并聯(lián)電抗器的全壽命周期值為

LCC=458.9+300.3-8.8=750.1(萬元)

在《企業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法》中規(guī)定，系統(tǒng)中每投入1 kW容量的無功功率，電網(wǎng)就可以節(jié)約有功功率0.05～0.07 kW。單位無功補償節(jié)約有功功率去最小值0.05 kW，則投入2組電抗器后每年節(jié)約的電費為

M2=20 000×0.8×12×30×

12×0.05=172.8萬元

按照30年的運行時長計算，其30年節(jié)約功率現(xiàn)值為

P=172.8×(P/A，7%，30)=

172.8×12.409 0=2 144.26萬元

根據(jù)計算結(jié)果，投入并聯(lián)電抗器所帶來的經(jīng)濟效益要比其自身投入費用多1 400萬元左右，經(jīng)濟效益明顯。因此,采用中性點經(jīng)小電阻接地與并聯(lián)電抗器綜合補償電容電流的控制策略在經(jīng)濟上可行。

4　結(jié)束語

本文針對以往電容電流補償方案無法有效兼顧無功平衡和限制弧光接地過電壓的問題，建立了并聯(lián)電抗器與中性點經(jīng)小電阻接地的綜合電容電流補償方案。該方案結(jié)構(gòu)簡單、投入費用少、補償效果好，不僅可以滿足系統(tǒng)的無功平衡，還可以有效限制弧光過電壓的產(chǎn)生，而且能提高故障選線的準確性。利用全壽命周期理論進行的經(jīng)濟性評估方法驗證，表明本方案具有經(jīng)濟實用性。仿真實驗是在無窮大電源、系統(tǒng)空載的條件下進行的，但對于日負荷波動大，電能質(zhì)量要求更高的情況，如何進一步提高系統(tǒng)可靠性的問題還有待深入研究。

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(責任編輯楊黎麗)

StudyontheCapacitanceCurrentofCableNetworkControlStrategy

JIANGDong-rong,LIHai-long,JIANGWei，WANGrui

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Thesystemreactivepowerbalanceandthearcgroundingovervoltagewillbeinfluencedbythehighlycablingnetworkofcapacitivecurrent.Aimingatthisproblem,thisarticleestablishedareliablecapacitancecurrentcompensationmethodthatbasedonshuntreactorandneutralpointviasmallresistancegrounding.Accordingtothepowerdistributionofsystem,thesysteminexcessofcapacitivereactivepowerisreal-timecompensated.Theprojectmeetsthedemandofsystemeconomicoperation.Whensingle-phaseearthfaultoccursinsystem,accordingtothefaultcircuitcurrent,theearthcapacitancecurrentiscompensatedandthearcgroundingovervoltagecanbelimited.FinallythereliabilityofprojectwassimulatedwithMatlab/Simulink.Thetheoryoflifecyclecostprovedtheeconomyofthisproject.Thesimulationindicatesthattheprojectiseffectiveandfeasible.Theprojectcanbeusedintherelatedengineeringapplicationinthefuture.

urbanpowernetworkreform;cabling;capacitancecurrent;arcgrounding;lifecyclecost

2016-04-20

蔣東榮(1970—)，男，重慶人，博士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制的研究，E-mail:drjiang@cqut.edu.cn；李海龍(1989—)，男，河南衛(wèi)輝人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究。

format：JIANGDong-rong,LIHai-long,JIANGWei，etal.StudyontheCapacitanceCurrentofCableNetworkControlStrategy[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(9):101-105.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.016

TM743

A

1674-8425(2016)09-0101-05

引用格式：蔣東榮，李海龍，蔣偉，等.電纜網(wǎng)絡(luò)電容電流控制策略研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(9):101-105.