(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

為了電網(wǎng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對于具有電壓調(diào)節(jié)能力的發(fā)電廠，電力系統(tǒng)都規(guī)定了嚴(yán)格的電壓運(yùn)行曲線，以便整個系統(tǒng)在傳遞有功時維持無功平衡，確保各處電壓平穩(wěn)。在電力系統(tǒng)中，電壓的穩(wěn)定運(yùn)行，由系統(tǒng)中無功的大小與性質(zhì)決定。本文結(jié)合亭子口水利樞紐電站實(shí)際情況，簡要分析水電站的無功電壓運(yùn)行以及存在的一些問題。

1 基本情況

亭子口水利樞紐位于四川省蒼溪縣境內(nèi)，是嘉陵江上唯一的控制性水利樞紐工程，具有防洪、發(fā)電等綜合功能。水庫總庫容40.69億m3，樞紐電站裝機(jī)4×275MW，通過500kV輸電線路接入四川電網(wǎng)達(dá)州變電站，線路全長195km。

電力設(shè)備大多是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作，一般純電感或純電容電路沒有能量消耗，能量僅在負(fù)荷與電源之間往復(fù)交換，在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變的磁場和電場。電感性設(shè)備吸收感性無功，電流矢量滯后電壓矢量；電容性設(shè)備吸收容性無功，電流矢量超前電壓矢量。通常情況下，整個電力系統(tǒng)感性和容性無功要基本一致，以便維持系統(tǒng)各點(diǎn)的規(guī)定電壓。

2 影響無功電壓的主要設(shè)備

發(fā)電機(jī)、主變壓器和輸電線路是水電站的主要設(shè)備，其它電力設(shè)施相對容量很小負(fù)載很輕，對系統(tǒng)無功和電壓影響不大，分析中可忽略。由于電力系統(tǒng)是以三相交流系統(tǒng)為主體，三相參數(shù)相同，為便于簡化計(jì)算，都用單相等值電路代替，下面先簡要敘述幾個主要設(shè)備的基本特性。

2.1 水輪發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，同時也是無功和電壓調(diào)節(jié)的最主要設(shè)備。發(fā)電機(jī)定子繞組電阻相對于電抗很小，通常可以將其略去，其等值電路見圖1，電勢簡化矢量見圖2。根據(jù)圖1可知，電勢簡化平衡方程式和發(fā)電機(jī)電勢等式可分別表示為：

Uf=E0-jIfXf

E0=4.44WfΦm

式中： Uf——發(fā)電機(jī)端電壓；

E0——發(fā)電機(jī)空載電勢；

If——發(fā)電機(jī)定子電流；

Xf——發(fā)電機(jī)同步電抗；

W——發(fā)電機(jī)繞組匝數(shù)；

f——發(fā)電機(jī)頻率；

Φm——發(fā)電機(jī)磁通。

圖1 發(fā)電機(jī)等值電路圖

圖2 發(fā)電機(jī)電勢簡化矢量圖

由平衡方程式和圖2可知，發(fā)電機(jī)E0不變，負(fù)載電流If的大小或性質(zhì)的變化，必引起Uf的變化。當(dāng)功率因數(shù)cosφ和If大小變化時，要保證Uf不變的唯一措施為相應(yīng)的改變E0的大小。已知E0與Φm成正比，改變Φm就可使E0發(fā)生相應(yīng)的變化。Φm是反映發(fā)電機(jī)中磁場強(qiáng)度的參數(shù)，主要由勵磁電流IL產(chǎn)生的主磁場和定子電流If產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場決定，因此可通過調(diào)整IL改變Φm，達(dá)到增減E0，最終維持Uf不變。圖2中φ的正負(fù)，即電流If滯后或超前Uf，反映發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)發(fā)出或吸收感性無功，就是我們平時說的遲相與進(jìn)相運(yùn)行。

總體來說，當(dāng)負(fù)載變化時，由于定子線圈中的負(fù)荷電流產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子磁場共同形成合成磁場，由于負(fù)荷電流變化的大小和性質(zhì)的不同，電樞反應(yīng)磁場對轉(zhuǎn)子磁場有增強(qiáng)(進(jìn)相時)或削弱(遲相時)的作用，根據(jù)不同變化調(diào)節(jié)勵磁電流，以便維持Φm，保持機(jī)端電壓不變。空載時，機(jī)端電壓取決于轉(zhuǎn)子磁場的大小，勵磁電流越大，轉(zhuǎn)子磁場越強(qiáng)，同樣轉(zhuǎn)速下定子線圈中的感應(yīng)電動勢越高。

2.2 主變壓器

水電站主變壓器的作用是把電能由較低電壓變化為較高電壓，在長距離輸送中減少能量損耗，提高傳送效率。主變壓器為感性設(shè)備，等值電路如圖3。

圖3 主變壓器等值電路圖

電阻RT代表變壓器銅損，銅損隨變壓器負(fù)荷的變化而增減；電導(dǎo)GT是用來表示鐵心有功損耗的；電抗XT消耗無功產(chǎn)生電壓降；電納BT代表變壓器的勵磁功率，只和變壓器電壓有關(guān)。根據(jù)圖3可知，主變壓器正常工作時，負(fù)荷變化會影響變壓器無功損耗，損耗公式為：

△Q=Q0+Qk(Sjs/Se)2

式中： Sjs——變壓器計(jì)算負(fù)荷；

Se——變壓器額定容量；

Q0——變壓器空載無功損耗(Ik%Se/100)，不隨負(fù)載變化；

Qk——變壓器短路無功損耗(Uk%Se/100)；

Ik%——變壓器空載電流占額定電流的百分?jǐn)?shù)；

Uk%——變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分?jǐn)?shù)。

Qk(Sjs/Se)2隨變壓器計(jì)算負(fù)荷Sjs增減，無功損耗隨之變化。

2.3 輸電線路

超高壓長距離輸電線路等值電路見圖4。

圖4 超高壓長輸線路等值電路

電阻R反映線路有功功率損失效應(yīng)；電導(dǎo)G反映絕緣介質(zhì)泄漏電流等產(chǎn)生的有功損耗；電抗X代表線路的自感和互感，消耗感性無功，隨負(fù)荷大小變化；電納B反映帶電導(dǎo)線周圍電場效應(yīng)的電容，消耗的容性無功不隨負(fù)荷變化。

線路容性無功基本不隨輸送負(fù)荷變化，當(dāng)線路輸送有功功率達(dá)到某個值時，線路消耗的感性無功正好與容性無功平衡，此時輸送的功率稱為自然功率。當(dāng)線路輸送自然功率時，由于線路對地電容產(chǎn)生的無功與線路電抗消耗的無功相等，因此送端和受端的功率因數(shù)一致。電網(wǎng)負(fù)荷是隨用電情況經(jīng)常變化的，同一條線路，在重負(fù)荷下可呈現(xiàn)感性，輕負(fù)荷時則可呈容性。輸送的負(fù)荷功率小于自然功率時，因?yàn)樨?fù)荷性質(zhì)一般均為感性，它自然可將線路多余無功吸收掉；若輸電線路距離較長而負(fù)荷又較小時，負(fù)荷的感性無功不能平衡電容產(chǎn)生的無功，則線路容性無功對功率因數(shù)的影響就凸顯出來。

3 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行分析

水輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，源源不斷地向電力系統(tǒng)輸送有功，同時向系統(tǒng)傳送或吸納無功。在這種運(yùn)行方式下，水電站主要通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功，控制電壓維持在合格范圍內(nèi)。

發(fā)電站主變是消耗感性無功的主要設(shè)備，亭子口主變參數(shù)為額定容量Se=310MVA，Ik%=0.07，Uk%=14.54，經(jīng)計(jì)算，

Q0=Ik%Se/100=0.217MVar

Qk=Uk%Se/100=45.1MVar

由變壓器無功消耗△Q的計(jì)算公式可知，在空載和滿載區(qū)間，消耗的感性無功為0.217MVar～45.1MVar，負(fù)載越大，損耗的無功越多。

亭子口水電站輸電線路長達(dá)195km，線電壓為550kV，其線路參數(shù)見表1。

表1 亭子口輸電線路參數(shù)測試數(shù)據(jù)

參數(shù)名稱每相實(shí)測值每公里實(shí)測值電抗X1(Ω)54 14760 2776電容C1(μf)2 71090 0139

由線路等值電路圖4可知，線路電納B反映線路電容消耗的容性無功，粗略計(jì)算單相線路容性無功得：

=85.8(MVar)

假設(shè)負(fù)載為純阻性，那么線路感抗要消耗同樣的感性無功，才能維持無功平衡，保持線路首尾電壓穩(wěn)定，由此求得電流：

=1219(A)

這個電流差不多是亭子口水電站滿載運(yùn)行的電流，可見超高壓長途輸電線路電容效應(yīng)是非常明顯的。由于電網(wǎng)負(fù)載一般呈感性，所以超高壓線路的容性無功很大部分由電網(wǎng)感性無功平衡。

由以上主變壓器和線路的無功情況分析可知，主變壓器為感性，輸電線路呈容性，這兩者都不能自動調(diào)節(jié)無功。用電系統(tǒng)通常是感性的，對于發(fā)電站來說，一般只能利用發(fā)電機(jī)來提供或消納無功，從而達(dá)到主變、線路、用電系統(tǒng)無功平衡，維持電壓穩(wěn)定。通常情況下，用電負(fù)荷是變化的，當(dāng)系統(tǒng)感性負(fù)荷大于容性，整個系統(tǒng)電壓就要下降，此時增加發(fā)電機(jī)勵磁電流，發(fā)電機(jī)發(fā)出感性無功，電壓上升；同理，系統(tǒng)呈容性時，電壓上升，減小發(fā)電機(jī)勵磁電流，發(fā)電機(jī)吸收感性無功，電壓下降。

用電負(fù)荷隨不同時段變化，對于水電站來說，很多時候送出負(fù)荷很小，有些時候甚至為零。我們知道，亭子口輸電線路容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于感抗，較小負(fù)荷時主變消耗的感性無功也很小，這時只能依靠發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，吸收無功。特別是有功為零時，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，由于沒有任何有功輸出，不產(chǎn)生任何經(jīng)濟(jì)效益，還白白消耗一定的水能資源。同時，此種工況運(yùn)行穩(wěn)定性差，對機(jī)組設(shè)備長期安全穩(wěn)定運(yùn)行有較大影響。

4 倒送電運(yùn)行模式

如果發(fā)電機(jī)不進(jìn)相運(yùn)行調(diào)壓，電網(wǎng)通過輸電線路和主變倒送電給發(fā)電站，通常水電站廠用電很小。由前述分析，4臺主變壓器輕載運(yùn)行吸收的感性無功很小，差不多就幾MVar而已，而輸電線路容性無功卻很大，此時容升效應(yīng)非常明顯，勢必造成水電站電壓很高，會造成設(shè)備絕緣加速老化，易發(fā)生放電擊穿等現(xiàn)象，也會違反電網(wǎng)系統(tǒng)對電壓運(yùn)行曲線的規(guī)定。

在亭子口水電站，一般不推薦倒送電模式，只在倒閘或事故情況下短時運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況，如果全站零功率運(yùn)行時間較多，也可以考慮在線路末端加裝一定容量的電抗器等措施，來補(bǔ)償無功，以便平衡線路電容的影響，保障倒送電時電壓不會超高，從而減少發(fā)電機(jī)組純進(jìn)相運(yùn)行。由于電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的需要，亭子口輸電線路計(jì)劃將接入其它變電站，線路長度屆時會減少大半，線路參數(shù)也有較大改變，亭子口的無功電壓運(yùn)行會有新的變化。

5 結(jié)語

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，超特高壓輸電線路越來越多，加上水電站一般都位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，輸電線路普遍較長，線路的容升效應(yīng)將對電站的無功電壓產(chǎn)生前所未有的影響。由于異常電壓升高對電力設(shè)備的絕緣有很大的破壞損壞，因此在水電站設(shè)計(jì)、改造以及運(yùn)行維護(hù)等方面，都要充分考慮這種因素，利用各種有效辦法維持無功電壓的穩(wěn)定。

〔1〕劉天琪，邱曉燕.電力系統(tǒng)分析理論.北京：科學(xué)出版社，2011.

〔2〕辜承林.電機(jī)學(xué).武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

〔3〕張植保.變壓器原理與應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.