卓建宗， 劉文穎， 劉福潮， 但揚(yáng)清， 夏 鵬， 魏澤田

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 北京 102206； 2. 國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院， 甘肅 蘭州 730050； 3. 國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 浙江 杭州 310007)

高壓并聯(lián)電抗器對(duì)750kV線路損耗影響機(jī)理研究

卓建宗1， 劉文穎1， 劉福潮2， 但揚(yáng)清3， 夏 鵬1， 魏澤田1

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 北京 102206； 2. 國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院， 甘肅 蘭州 730050； 3. 國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 浙江 杭州 310007)

750kV線路普遍配置了大容量高壓并聯(lián)電抗器，但在線損分析時(shí)往往忽略高壓電抗器對(duì)損耗的影響，造成750kV電網(wǎng)線損分析結(jié)果誤差較大?；诖耍⒘擞?jì)及高壓電抗器的750kV線路綜合損耗模型，分析了高壓電抗器對(duì)750kV線路綜合損耗的影響機(jī)理。高壓電抗器接入降低了750kV線路無功功率造成的有功損耗，但同時(shí)高壓并聯(lián)電抗器也產(chǎn)生有功損耗。隨著750kV線路傳輸功率的增加，高壓并聯(lián)電抗器接入后的750kV線路綜合損耗率將呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律。在750kV線路電阻損耗和高壓電抗器損耗近似相等時(shí)，線路綜合線損率最低，線路運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

高壓并聯(lián)電抗器； 750kV線路； 線路綜合損耗； 影響機(jī)理

1 引言

經(jīng)過近幾年的發(fā)展建設(shè)，西北地區(qū)750kV電網(wǎng)已逐漸成為西北電網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)，為提高區(qū)域電能外送水平和加強(qiáng)區(qū)域間的聯(lián)系發(fā)揮著重要作用。750kV線路具有輸電距離長、電壓等級(jí)高、線路充電功率大等特點(diǎn)。為了限制線路工頻過電壓和滿足無功平衡的要求，750kV線路普遍配置了大容量的高壓并聯(lián)電抗器，而且高壓電抗器補(bǔ)償度大多在80%以上[1,2]。

高壓電抗器接入電網(wǎng)后有利于電網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)損的降低[2,3]，當(dāng)前關(guān)于高壓電抗器對(duì)線路運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響機(jī)理研究較為有限，現(xiàn)有的相關(guān)文獻(xiàn)還存在著以下兩個(gè)不足：①分析中未充分考慮高壓電抗器對(duì)線路損耗的影響；②對(duì)具體影響機(jī)理的分析還不夠全面。

文獻(xiàn)[4]指出，220kV以上輸電線路必須考慮線路充電功率對(duì)線路有功損耗的影響，并推導(dǎo)了線路損耗率與傳輸功率的變化關(guān)系，得到線路末端傳輸功率為線路充電功率一半時(shí)對(duì)應(yīng)的損耗率最低，但未計(jì)及高壓電抗器接入的情況。文獻(xiàn)[5]在分析兩端帶并聯(lián)電抗器補(bǔ)償?shù)拈L距離輸電線路的功率損耗時(shí)，僅僅分析了并聯(lián)電抗器無功補(bǔ)償作用對(duì)線路有功損耗的影響，未計(jì)及高壓并聯(lián)電抗器自身的有功損耗。文獻(xiàn)[6]研究了750kV線路的電氣特性，指出750kV電網(wǎng)中線路損耗本身較小，應(yīng)該考慮高壓電抗器損耗對(duì)750kV電網(wǎng)損耗的影響。文獻(xiàn)[7]對(duì)750kV官亭-蘭州輸電示范工程在近18個(gè)月時(shí)間內(nèi)的損耗電量和損耗率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，通過實(shí)測數(shù)據(jù)也可看出高壓電抗器損耗電量是工程損耗的重要組成部分。文獻(xiàn)[6,7]均未具體分析高壓電抗器對(duì)線路損耗的影響機(jī)理。文獻(xiàn)[8]提出了計(jì)及高壓電抗器的750kV線路改進(jìn)模型，在此基礎(chǔ)上分析線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行電壓，但未給出750kV線路的經(jīng)濟(jì)傳輸功率的確定方法。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，探討高壓并聯(lián)電抗器對(duì)750kV線路損耗的影響機(jī)理，以期為750kV電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供理論支撐。對(duì)于750kV線路損耗，本文僅考慮了線路電阻損耗，而未詳細(xì)考慮線路電暈損耗、絕緣子的泄漏損耗以及諧波對(duì)線損的影響。

2 750kV線路損耗構(gòu)成情況

典型750kV線路通常在兩端并聯(lián)相同容量的高壓電抗器，如圖1所示，以達(dá)到補(bǔ)償750kV線路容性充電功率的目的。

圖1 典型750kV線路的電氣連接圖Fig.1 Electrical connectivity diagram of typical 750kV transmission line

750kV以下電壓等級(jí)輸電網(wǎng)中，電網(wǎng)損耗主要分布于線路和變壓器，并聯(lián)電抗器等無功補(bǔ)償裝置造成的有功損耗較小。而750kV電網(wǎng)中線路多采用分裂導(dǎo)線，線路分布阻抗參數(shù)小，線路輸電效率高；而并聯(lián)電抗器容量大，承受電壓高，電抗器有功損耗大。所以高壓電抗器損耗將占750kV電網(wǎng)損耗較大比重。

圖2為2014年西北某省750kV電網(wǎng)在不同典型運(yùn)行方式下的線路、變壓器和高壓電抗器損耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖2 不同運(yùn)行方式下750kV電網(wǎng)主要元件損耗對(duì)比Fig.2 Losses statistics of main components in 750kV power grid under different operating modes

從圖2中可以看出，750kV變壓器損耗較小，線路和高壓電抗器損耗則占主要部分。750kV線路損耗受電網(wǎng)運(yùn)行方式影響明顯，而高壓并聯(lián)電抗器損耗則幾乎不變。750kV電網(wǎng)夏大運(yùn)行方式(大負(fù)荷)下，高壓電抗器損耗約為線路損耗的1/3；而750kV電網(wǎng)輕載(冬小)時(shí)，高壓電抗器損耗反而大于750kV線路損耗，轉(zhuǎn)為主導(dǎo)地位。

因此，750kV線路損耗分析在考慮高壓并聯(lián)電抗器對(duì)線路容性無功補(bǔ)償作用的同時(shí)，還必須計(jì)及高壓電抗器損耗，以免引起較大的分析誤差。

3 750kV線路損耗模型

為了反映高壓電抗器對(duì)750kV線路損耗的影響，考慮建立計(jì)及高壓并聯(lián)電抗器損耗的750kV線路綜合損耗模型。750kV線路綜合損耗ΔP可表示為：

ΔP=ΔPl+ΔPr

(1)

式中，ΔPl為750kV線路電阻損耗；ΔPr為高壓并聯(lián)電抗器損耗。

3.1 750kV線路電阻損耗模型

常用的輸電線路模型主要有不考慮分布參數(shù)特性的集中Π型等值電路(模型1)、考慮線路分布參數(shù)特性的精確Π型等值模型(模型2)和簡化Π型等值模型(模型3)[9]。

圖3為采用不同模型時(shí)750kV線路損耗計(jì)算結(jié)果比較。所選取的線路導(dǎo)線類型為6×LGJK-400，其電氣參數(shù)為：r1=0.0129Ω/km，x1=0.2644Ω/km，b1=4.358μS/km。

圖3 不同計(jì)算模型下750kV線路損耗計(jì)算結(jié)果比較Fig.3 Comparison of 750kV line loss calculation results using different models

由圖3可以看出：

(1)在750kV線路傳輸較低功率時(shí)，線路長度超過250km后，采用模型1和模型3的計(jì)算結(jié)果與準(zhǔn)確值(模型2)間的誤差較大，且隨著線路長度的增加而增大。這主要是因?yàn)槟Ｐ?及模型3難以精確地計(jì)算線路的容性分布電流所造成的線路有功損耗。兩者相比之下，模型1略優(yōu)于模型3。

(2)在750kV線路傳輸功率較大時(shí)，采用不考慮線路分布參數(shù)特性的模型1計(jì)算的線路損耗與模型2計(jì)算結(jié)果偏差較小，與模型3相比則更為準(zhǔn)確。

通過以上比較可知，從模型的實(shí)用性和準(zhǔn)確性來看，采用不考慮線路分布參數(shù)特性的模型1更適用于750kV線路的損耗計(jì)算。

采用模型1時(shí)，750kV線路損耗計(jì)算方法為：

(2)

式中，P、Q為線路傳輸有功功率和無功功率；U1為線路始端電壓有效值；QC為線路充電功率的一半；RL為線路的電阻參數(shù)。單一線路損耗率ηl為：

(3)

3.2 高壓并聯(lián)電抗器損耗模型

高壓并聯(lián)電抗器有功損耗主要為無功功率流過電阻所產(chǎn)生的。高壓并聯(lián)電抗器可以等值為并聯(lián)在線路兩端的阻抗，其阻抗參數(shù)可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10,11]提供的高壓電抗器額定參數(shù)計(jì)算。容易求得高壓并聯(lián)電抗器損耗如式(4)所示。由于運(yùn)行點(diǎn)電壓控制范圍小(750～800kV)，高壓并聯(lián)電抗器損耗在運(yùn)行中變化很小。

(4)

式中，Rr和Xr分別為等值電阻和電抗；U為接入點(diǎn)電壓有效值。

3.3 750kV線路綜合損耗

將式(2)和式(4)代入式(1)，得到750kV線路綜合損耗計(jì)算公式：

(5)

式中，P、Q為線路始端流入有功功率和無功功率；Qr為高壓并聯(lián)電抗器對(duì)應(yīng)消耗的無功功率；U2為線路末端電壓有效值。

由式(5)可知，高壓并聯(lián)電抗器的接入一方面能夠通過補(bǔ)償750kV線路的容性無功功率，減少流過750kV線路阻抗的無功功率，大大降低了線路的有功損耗；另一方面高壓并聯(lián)電抗器接入電網(wǎng)，作為電網(wǎng)中的一個(gè)運(yùn)行元件也會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來有功損耗的增加[12]。

相應(yīng)地，750kV線路綜合線損率η為：

(6)

4 高壓并聯(lián)電抗器對(duì)750kV線路損耗影響機(jī)理

通過對(duì)帶高壓并聯(lián)電抗器線路的有功損耗模型的研究，可知高壓并聯(lián)電抗器的接入減少了線路自身的損耗，但高壓并聯(lián)電抗器自身的損耗亦不可忽略。顯然，在不同的運(yùn)行環(huán)境下，高壓并聯(lián)電抗器的接入對(duì)線路綜合損耗的影響是不同的，什么工況下最為經(jīng)濟(jì)需要進(jìn)一步研究。

由于運(yùn)行環(huán)境的改變，低電壓等級(jí)線路的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行判定依據(jù)(單一線損率)難以適用于750kV線路。利用線路綜合損耗可以判斷750kV線路的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。隨著線路傳輸功率的增加，750kV線路上無功功率造成的有功損耗相對(duì)于線路綜合損耗很小，所以線路綜合損耗率可近似表示為

(7)

為了使綜合損耗率最低，令dη/dP=0，由于高壓電抗器損耗可近似認(rèn)為恒定，得出線路最優(yōu)傳輸功率Popt滿足式(8)：

(8)

即當(dāng)線路電阻損耗與高壓電抗器損耗近似相等時(shí)，線路綜合損耗率最低，線路運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)。

5 實(shí)例分析

保持750kV線路始端電壓大小基本不變，記錄該線路在不同傳輸功率下的線路綜合損耗及綜合損耗率情況，如表1所示。圖4為750kV線路綜合損耗及各部分損耗隨線路傳輸功率的變化情況，圖5給出了750kV線路綜合損耗率與單一線路損耗率變化情況的比較。

表1 不同線路傳輸功率下750kV線路綜合損耗變化情況Tab.1 Change of 750kV transmission line comprehensive losses under different transmitted power

圖4 不同傳輸功率下750kV線路綜合損耗變化情況Fig.4 Change of 750kV transmission line comprehensive losses under different transmitted power

圖5 不同傳輸功率下750kV線路綜合損耗率變化情況Fig.5 Change of 750kV transmission line comprehensive loss rate under different transmitted power

由圖4、圖5可知，在考慮并聯(lián)高壓電抗器對(duì)750kV線路損耗的影響后，750kV線路各部分損耗及損耗率有如下變化規(guī)律：

(1)750kV線路有功損耗隨線路傳輸功率的增加近似成二次增加，并聯(lián)高壓電抗器有功損耗變化很小。

(2)750kV線路傳輸功率小于445MW時(shí)，高壓電抗器損耗大于線路電阻損耗，占主導(dǎo)地位。此時(shí)，線路綜合損耗大部分是由無功功率產(chǎn)生，線路運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，綜合線損率高。因此750kV電網(wǎng)應(yīng)盡量避免低功率運(yùn)行。線路傳輸功率增加后，線路有功損耗才逐漸轉(zhuǎn)化為主要部分。

(3)線路綜合損耗率隨著線路傳輸功率的增加先降低后升高。線路綜合損耗率最低值出現(xiàn)在線路傳輸功率為445MW時(shí)，此時(shí)高壓電抗器損耗與線路電阻損耗近似相等。

(4)由于無功功率在750kV線路上造成的損耗小，而單一線損率隨線路傳輸功率近似成線性增加。這說明了僅依靠線路損耗來確定線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍具有一定的困難，因此利用綜合損耗來判斷線路的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行更加合理、實(shí)用。

6 結(jié)論

在750kV電網(wǎng)線路有功損耗計(jì)算分析時(shí)，不僅要考慮并聯(lián)電抗器的無功補(bǔ)償作用，還需要計(jì)及高壓電抗器本身的有功損耗。本文提出了考慮高壓并聯(lián)電抗器有功損耗的750kV線路綜合損耗模型，分析了高壓并聯(lián)電抗器對(duì)750kV線路損耗的影響機(jī)理。

(1)高壓并聯(lián)電抗器接入能夠減少無功功率在750kV線路上所造成的損耗，使750kV線路損耗主要受有功功率的影響。

(2)在750kV線路低傳輸功率時(shí)，高壓電抗器損耗占線路綜合損耗的主要部分，綜合損耗大部分是由無功功率產(chǎn)生的有功線路損耗，線路的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差。750kV電網(wǎng)應(yīng)盡量避免低功率運(yùn)行。

(3)利用綜合線路損耗可更合理地分析750kV線路經(jīng)濟(jì)性，綜合損耗率隨著線路傳輸功率的增加先降低后升高。在750kV線路電阻損耗和高壓電抗器損耗近似相等時(shí)，線路綜合損耗率最低，線路運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)。

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Influence mechanisms of high-voltage shunt reactors on 750kV transmission line losses

ZHUO Jian-zong1, LIU Wen-ying1, LIU Fu-chao2, DAN Yang-qing3, XIA Peng1, WEI Ze-tian1

(1. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. State Grid Gansu Provincial Electric Power Research Institute, Lanzhou 730050, China; 3. State Grid Zhejiang Electric Power Company Economic Research Institute, Hangzhou 310007, China)

Large-capacity high-voltage shunt reactors are generally installed in 750kV transmission lines. It will bring large error to 750kV line loss analysis when ignoring the influence of HV reactors on the line losses. On this basis this paper proposes a 750kV line comprehensive loss model considering HV reactors losses. By using this model, the influence mechanism of HV reactors on 750kV transmission line losses is analyzed. Due to the integration of HV reactors, the part of line losses caused by reactive power is lessened. However, the HV reactors can also generate active losses themselves. As the transmitted power of the line increases, the comprehensive loss rate of 750kV transmission line decreases firstly and increases subsequently after the integration of HV reactors. And the line comprehensive loss rate is lowest when the resistive losses of 750kV transmission line is approximately equal to the losses of high-voltage reactors, which means the economy of the transmission line is optimal..

high-voltage shunt reactor; 750kV transmission line; line comprehensive loss; influence mechanism

2016-05-09

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAA01B04)、 國家電網(wǎng)公司重大項(xiàng)目(52272214002C)

卓建宗(1990-), 男, 福建籍, 碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行分析與控制； 劉文穎(1955-)， 女， 北京籍， 教授， 研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制及電力系統(tǒng)智能調(diào)度。

TM711

A

1003-3076(2017)04-0024-05