綜合管廊供配電系統容性無功現象分析及補償方案研究*

張　浩,　劉澄波,　李雙鳳

[上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司, 上?！?00092]

0　引　言

綜合管廊是一個將電力、通訊、給排水、雨污水等各種管線集于一體的城市地下隧道空間[1],能夠解決管線規劃中的“預留”問題,克服城市發展與市政管線規劃之間的矛盾[2]。目前,我國出臺一系列政策[3-6]鼓勵支持綜合管廊的建設,國內已規劃的綜合管廊超過1萬km,并且綜合管廊工程規模長度呈明顯上升趨勢。

功率因數是電業局對用戶考核電能質量最主要的指標,當功率因數下降到一定程度后,電業局對用戶的罰款呈加速上升趨勢[7]。長距離綜合管廊內大量高壓自用電纜帶來大量容性無功,遠大于綜合管廊附屬設備運行產生的感性無功,使得綜合管廊出現過補償現象,大量綜合管廊工程的功率因數低至0.5以下。高壓自用電纜帶的容性無功一方面使得用戶承受電業局罰款,另一方面又降低公共電網的電能質量,因此在綜合管廊工程中自用電纜產生的容性無功補償必須引起重視。

1　電纜容性無功分析

綜合管廊沿市政道路建設,約1.2～2.0 km設置一處分變電所,為綜合管廊內低壓負荷供電。結合綜合管廊分變電所分布及電網情況,分變電所高壓側電壓等級通常為10 kV或20 kV。電業局通常要求一個用戶只能設置一處計量點,因此綜合管廊各分變電所高壓電源無法直接引自電網,需設置一處10(20) kV高壓配電所,在高壓配電所內統一高供高計,并通過大量長距離10(20) kV自用電纜樹干式結合放射式為管廊沿線分變電所供電,因此使得計量點之后存在大量高壓自用電纜。

電力電纜存在對地電容電流,因此在系統中呈容性,電纜的容性功率為

QC=2πfU2cL

(1)

式中:U——系統電壓,kV;

c——電纜單位電容,μF/km;

L——電纜長度,km。

從式(1)可以看出,電纜容性無功與電壓平方成線性正比關系,因此10(20) kV電力電纜為容性無功的主要源頭,0.4 kV電纜容性無功相對可以忽略不計。由于綜合管廊呈線性長距離的特點,綜合管廊外線計量點后的高壓自用電纜遠多于通常建筑、市政工程的電纜,因此綜合管廊不同于一般工程,綜合管廊內供配電系統無功呈容性,使得系統處于過補償狀態。

電纜截面-單位電容關系如圖1所示。

電纜截面-單位容性無功關系如圖2所示。

圖1　電纜截面-單位電容關系

圖2　電纜截面-單位容性無功關系

從圖1、圖2可以看出,在同截面積情況下電壓等級較高的電纜單位電容小,但由于電纜單位充電容性無功與電壓平方成正比,因此電壓等級高的電纜單位充電容性無功遠大于電壓等級較低的電纜。且高壓電纜隨著截面的增大,單位電容及單位容性無功均相應上升。結合綜合管廊負荷、熱穩定性、電壓降要求,管廊內10(20) kV自用主干電纜通常選擇3×70 mm2截面,結合不同廠商的電纜數據,10 kV及20 kV電纜單位容性無功分別為4～7 kvar/km及15～20 kvar/km。

綜合管廊內主要用電負荷為通風機、照明、排水泵、檢修插座、監控系統等,其中通風機、照明、排水泵及檢修插座都屬于短時工作制設備,只有當管廊環境不滿足要求、人員巡檢及設備檢修時才會開啟,每天運行的時間非常有限,甚至存在幾天不運行的情況,只有監控系統始終處于運行狀態,因此綜合管廊的平均負荷較小。經過大量綜合管廊統計分析,綜合管廊的平均負荷與綜合管廊的艙室數量成正比例關系。綜合管廊艙室數量與負荷關系如圖3所示。

圖3　綜合管廊艙室數量與負荷關系

從圖3可以看出,綜合管廊的平均負荷非常小,隨著艙室增加,綜合管廊的平均負荷并不呈倍數增加。由于綜合管廊平均負荷較小,所產生的感性無功不足以抵消10(20) kV自用電纜產生的容性無功,因此綜合管廊的功率因數普遍較低。根據綜合管廊不同艙室數量時的平均負荷,在負荷自然功率因數為0.85及綜合管廊與10(20) kV自用電纜等長的情況下,綜合管廊不同艙室數量時的功率因素如表1所示。

表1　綜合管廊不同艙室數量時的功率因素

備注:電纜截面積為3×70 mm2

由表1可以看出,除艙室數量較多且自用電纜采用電壓等級較低的10 kV電纜情況下,功率因數才能滿足0.9以上的要求,其他情況下功率因數普遍不滿足要求。通常綜合管廊高壓電源采用樹干式結合放射式敷設,高壓電纜長度大于管廊時,綜合管廊功率因數還將進一步下降,因此有必要對綜合管廊的自用電纜帶來的大量充電容性無功進行補償。

2　電纜容性無功補償方案

為了解決綜合管廊供電系統過補償,需在系統上注入感性無功,用于抵消高壓電纜帶來的容性無功,注入感性無功最直接有效的就是在供電系統上并聯電抗器。在綜合管廊供電系統上并聯電抗器需考慮如下方面。

2.1　電抗器并聯位置

電抗器可并聯接入位置有控制中心高壓系統及分變電所低壓側兩種方案。接入分變電所低壓側可采用低壓電抗器,但該方案占用變壓器容量、減少變壓器利用率、增大變壓器損耗,并且綜合管廊分變電所采用沿管廊埋地形式,現場環境不利于干式電抗器長期運行。而電抗器并聯接入控制中心高壓系統有利于人員集中管理,并且控制環境良好,有利于電抗器長期運行。因此,采用高壓干式電抗器并入控制中心高壓側進行集中補償是一種較為合理的方案。

2.2　電抗器補償容量

2.3　電抗器與綜合管廊的規劃協調

目前,綜合管廊基本采用一次規劃、分期建設的模式,使得綜合管廊分變電所數量及高壓自用電纜長度隨著綜合管廊不斷的延伸而不斷增多,即綜合管廊內高壓自用電纜帶來的容性無功逐步增加。因此,并聯電抗器需要預留遠期容量(通過調整分接頭的位置,滿足遠期電纜容性補償要求),預留容量可通過設置電抗器分接頭實現。

3　工程實例分析

無錫市太湖新城綜合管溝工程總規劃建設長度為20.6 km,由信成道、瑞景道、立德道、清源路組成,配電系統由控制中心20 kV配電所及沿綜合管廊14處20/0.4 kV分變電所組成,4條道路管廊分別由控制中心20 kV配電所饋出一路20 kV電源,為若干分變電所進行樹干式供電。一期建設長度為16.4 km,建設控制中心20 kV配電所及沿線11處20/0.4 kV分變電所。建成后功率因數實測為0.22,遠低于電業局要求。切除自用負荷后,4路饋出20 kV電纜的實測容性無功如表2所示。

表2　切除自用負荷后,4路饋出20 kV電纜的實測容性無功

根據遠期電纜長度預測的容性無功如表3所示 。

表3　根據遠期電纜長度預測的容性無功

由表2、表3可知,近期電纜實測充電容性無功為305 kvar,根據遠期電纜長度預測的電纜充電容性無功約為76 kvar,且由于存在征地問題,遠期建設時間及建設分期情況不確定,僅能基本確定近期、遠期電纜充電容性無功合計為381 kvar。因此,結合近期、遠期無功補償需要,電抗器采用帶分接頭形式,第一檔根據近期電纜容量無功,選擇補償295 kvar;最后一檔根據遠期電纜無功,選擇補償395 kvar;中間值再分成若干擋,經過分區,選擇一臺20 kV六分接頭電抗器(295、315、335、355、375、395 kvar),以適應綜合管廊近期、遠期補償需求。

電抗器第一檔295 kvar用于補償現有電纜容性無功,補償后電抗器感性無功、少量負荷感性無功與電纜容量無功相互抵消,實測功率因數為0.96,高于電業局要求的功率因數限值。

4　結　語

通過以上分析,得出如下結論:

(1) 長距離綜合管廊由于高壓自用電纜的容性無功使得綜合管廊功率因數較低。

(2) 通過在高壓側并聯電抗器可對電纜容性無功進行補償。

(3) 由于電纜容性無功的不確定性,應在系統投運后通過實測設計電抗器補償量。

(4) 電抗器補償量除應滿足近期補償需求外,還需預留一定容量匹配給遠期建設。

參考文獻