35kV电缆容升效应的理论计算与数据复核

毛伟 沈磊 许鸣吉 刘嘉宝 姚璟杰

摘要：长电缆线路的容升效应会在低负荷时段造成35 kV开关站母线电压、线路末端用户电压偏高，影响电压合格率。现以上海市北电网所辖35 kV郊谈3490和35 kV泸伯3446电缆线路为例，通过理论计算和数据复核对35 kV电缆的容升效应做定量分析，研究结论为电力系统电缆线路过电压的防治提供了参考。

关键词：容升效应;电压越限;母线电压;理论计算;数据复核

0    引言

随着我国电力领域快速发展，供电范围不断扩大，电网中高压电力电缆敷设里程也在不断增加。电力电缆是用于传输和分配电能的电缆，常用于城市地下电网、发电站引出线路、工矿企业内部供电及过江海水下输电线。在电网安全可靠运行中，电缆容升效应是较普遍的一类现象。2019年，市北电网所辖35 kV谈家渡、伯士、宝林等十余座开关站35 kV母线出现电压越上限（37.5 kV）现象，由于上级220 kV变电站内35 kV母线电压越上限，且35 kV出线电缆有容升效应会抬高电缆末端电压，所以下级35 kV开关站母线电压势必越上限更加严重。

下文以35 kV郊谈3490和35 kV泸伯3446电缆线路为例，建立长距离输电线路等值电路模型，通过理论计算和数据复核对35 kV电缆的容升效应做定量分析，研究结论为电力系统电缆线路过电压的防治提供了参考。

1    容升效应现象

电力电缆的使用至今已有百余年历史。电缆线路具有占地少，可靠性高，具有向超高压、大容量发展的更为有利的条件，分布电容较大，维护工作量少，电击可能性小等优点。电缆线路的容升现象十分普遍，容升效应，即所谓“电容效应”，它是指在串联回路中有电容和电感时，如容抗大于感抗，在电源电动势的作用下，容性电流在感抗上的压降UL把容抗压降UC抬高的一类现象。

随着上海经济的发展，城市电网迅速扩大，长电缆或长电缆与架空线串联的线路增多。由于电缆的电容很大，电缆线路的容升效应远远大于架空线路，是同等长度架空线的15倍以上，因而由于线路的容升效应而影响的过电压就会严重得多。再加上架空线与电缆相连，更增加了波在线路上传播的复杂性，从而使这类线路的过电压有了新的特点。市北部分地区35 kV、10 kV电缆线路多，无功充电容量大，会造成深夜低负荷时段用户电压偏高。即使220 kV变电站35 kV母线电压不越限，由于长电缆线路的容升效应，在低负荷时段同样会造成35 kV开关站母线电压、线路末端用户电压偏高，影响电压合格率。

2    理论计算

对长距离输电线路等值电路模型进行理论分析，对于高压、长距离空载无损输电线路，其分布参数的等值电路如图1所示。图1中，L0、C0为电缆线路单位长度的电感和电容。

根据图1，距离线路末端x点的电压、电流矩阵表达式为：

若线路长度为l，则线路首端的电压U1和电流I1表达式为：

由于空载线路末端开路，所有电流I2=0，则由式（2）可得线路首、末端电压关系式为：

或写成：

ε12略大于1，即容升相對较小，但在线路较长的情况下，容升效应会变得比较严重。

目前，市北电网35 kV电缆线路的选型较为统一，其截面积、电抗和电容参数如表1所示。

将表1中电抗与电容参数代入式（4），可以得到35 kV该型号电缆末端电压与电缆长度函数为：

假设35 kV该型号电缆首端电压为37 kV，则末端电压与电缆长度函数关系曲线如图2所示。

3    数据复核

为验证上述理论计算的正确性与有效性，下文选择电压越限较严重的35 kV谈家渡开关站进线郊谈3490电缆线路和35 kV伯士开关站进线泸伯3446电缆线路做数据复核。

3.1    郊谈3490电缆线路

西郊站35 kV五段母线上35 kV电缆出线郊谈3490送谈家渡开关站35 kV二段母线，郊谈3490电缆线路全长1.66 km。

如图3所示，从SCADA上读取2020年1月15日郊谈3490电缆首端的电压值，即西郊站35 kV五段母线电压实测值;从SCADA上读取郊谈3490电缆末端的电压值，即谈家渡开关站35 kV二段母线电压实测值。郊谈3490电缆末端较首端上升电压大约0.13 kV。通过上述理论计算，得到谈家渡开关站35 kV二段母线电压预测值。两者比较，预测值与实测值基本相似，验证了上述理论计算的准确性。

3.2    泸伯3446电缆线路

泸定站35 kV四段母线上35 kV电缆出线泸伯3446送伯士开关站35 kV二段母线，泸伯3446电缆线路全长3.92 km。

如图4所示，从SCADA上读取2020年1月15日泸伯3446电缆首端的电压值，即泸定站35 kV四段母线电压实测值;从SCADA上读取泸伯3446电缆末端的电压值，即伯士开关站35 kV二段母线电压实测值。泸伯3446电缆末端较首端上升电压大约0.5 kV。通过上述理论计算，得到谈家渡开关站35 kV二段母线电压预测值，较首端上升电压大约0.6 kV。两者比较，预测值与实测值较相似，误差大约为0.1 kV，验证了上述理论计算的准确性。

4    电缆线路容升现象应对措施

（1）为抑制110 kV及以下电网无功倒送，可在110 kV及以下电网尽快开展配置电抗器的工作，并尽快推广应用。

（2）随着直流功率的大量输入，上海电网大部分燃机甚至在夏季高峰期间被迫停运，影响相应分区甚至整个电网的动、静态无功储备。可推广应用燃机低功率调相，以提高高峰时段动态无功储备及低谷时的进相能力;根据国网公司要求，在直流落点站附近的变电站，有选择地增设调相机。尽快实现奉贤直流站调相机投运，以在事故情况下稳定系统电压。

（3）个别轨道交通用户变电站已装设感性无功补偿装置，这些感性无功补偿装置的投运对就地吸收电缆充电无功，防止无功倒送起到了积极作用。希望用电部门重点加强对该类用户感性无功的管理，并在计费方式上做适当调整，以提高用户装设感性无功补偿装置的积极性。

5    结论

电力电缆使用至今已有百余年历史，在电网安全可靠运行中，电缆容升效应是较普遍的一类现象。长电缆线路的容升效应会在低负荷时段造成35 kV开关站母线电压、线路末端用户电压偏高，影响电压合格率。本文建立了长距离输电线路等值电路模型，通过对郊谈3490和泸伯3446电缆容升效应的数据复核，验证了理论计算的正确性与有效性。针对理论计算产生的误差，可解释为：

（1）公式中电缆参数为参考文献中获取，若能实际测量到市北电网35 kV电缆的电容和电抗数据，模型会更加精准;

（2）上文所建模型为空载无损电缆线路，在凌晨负荷低谷时较为精准，在白日负荷高峰时有一定误差;

（3）SCADA传输的母线电压数据可能与实测值有误差。

本文对电缆容升效应作出了理论分析和数据复核，研究结论为电力系统电缆线路过电压的防治提供了参考。

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收稿日期：2020-05-12

作者简介：毛伟（1980—），男，上海人，助理工程师，正值调度员，主要从事电力规划与调度工作。