淺析變電站系統(tǒng)阻抗對站內(nèi)無功補(bǔ)償?shù)挠绊?/h1>
2018-03-29 07:19:49秦正斌
機(jī)電信息 2018年9期
秦正斌
（湖南送變電勘察設(shè)計咨詢有限公司，湖南長沙410114）
0 引言
隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷加強(qiáng)，各級變電站系統(tǒng)阻抗總體上呈減小趨勢，而變電站系統(tǒng)阻抗直接影響站內(nèi)電氣設(shè)備的參數(shù)的選擇，直接關(guān)系到電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性和建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。變電站內(nèi)合理的無功補(bǔ)償，不僅能保證電壓質(zhì)量，提高設(shè)備的供電能力，降低電網(wǎng)中的功率損失和電能損失，而且可以提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，因而具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，分析系統(tǒng)阻抗對變電站內(nèi)無功補(bǔ)償?shù)挠绊?，對于保障電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運行具有實際意義。
1 系統(tǒng)阻抗對站內(nèi)無功補(bǔ)償總量的影響
目前，220 kV及以下電壓等級的變電站中，根據(jù)需要配置無功補(bǔ)償設(shè)備，其容量可按主變?nèi)萘康?.10～0.30確定；330 kV及以上電壓等級的變電站，無功補(bǔ)償容量可按主變壓器容量的0.10～0.20配置或經(jīng)計算確定。無功補(bǔ)償總?cè)萘康拇_定主要考慮滿足調(diào)相調(diào)壓計算的最低容量需求，還需用補(bǔ)償主變滿載時的無功損耗作為校驗。
系統(tǒng)阻抗大小直接決定變電站各電壓等級短路水平，繼而影響變電站內(nèi)主變壓器、限流電抗器等消耗無功的電氣設(shè)備選擇，具體影響較為明顯，可由以下算例分析說明。
如圖1所示，某市一商業(yè)區(qū)規(guī)劃建設(shè)220 kV變電站A，主要供帶城市核心城區(qū)的商業(yè)負(fù)荷，同時作為城區(qū)110 kV站點電源支撐點，其推薦接入系統(tǒng)方式為采用雙回220 kV架空線路從220 kV變電站A出線至500 kV變電站B，變電站采用220 kV/110 kV/10 kV三個電壓等級出線。
圖1 變電站接線示意圖
2025年，A站220 kV母線側(cè)系統(tǒng)正序、零序阻抗分別為0.013 264、0.016 827；中低壓側(cè)正序和零序均為無窮大。選用常規(guī)變壓器時，阻抗電壓為：U12=14%，U13=23%，U23=8%，遠(yuǎn)期正常運行時低壓側(cè)10 kV短路電流高達(dá)85.73 kA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有10 kV斷路器設(shè)備的開斷能力，需通過選擇高阻抗變壓器或主變低壓10 kV出線回路增加限流電抗器限制短路電流?？紤]變電站A為戶內(nèi)GIS布置型式，限流電抗器戶內(nèi)布置占地較大，綜合經(jīng)濟(jì)性較差，變電站A變壓器最終選用高阻抗變壓器，阻抗電壓為：U12=14%，U13=64%，U23=49%。
設(shè)定變電站A單臺主變滿載時110 kV側(cè)、10 kV側(cè)分別供帶負(fù)荷為160 MVA、80 MVA，假定各側(cè)功率因數(shù)均為0.95，電力系統(tǒng)綜合分析程序PSASP7.0計算無功損耗為：
（1）選用高阻抗變壓器，阻抗電壓為U12=14%，U13=64%，U23=49%時，單臺主變滿載無功損耗約為55 Mvar。
（2）若變電站A系統(tǒng)短路阻抗相對較小，可選用常規(guī)變壓器，阻抗電壓為U12=14%，U13=23%，U23=8%時，單臺主變滿載無功損耗約為40 Mvar。
根據(jù)算例計算結(jié)果，高阻抗變壓器滿載無功損耗明顯高于常規(guī)變壓器，直接增加了變電站無功補(bǔ)償校驗的總?cè)萘俊Ｓ缮纤憷究傻贸鼋Y(jié)論，在變電站中低壓側(cè)外部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相同的情況下，若變電站高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗偏大，可選擇常規(guī)設(shè)備，主變無功損耗相對較少；系統(tǒng)阻抗偏小時，主變選擇高阻抗變壓器（或者選擇低壓側(cè)串聯(lián)限流電抗器），變電站無功損耗相對較多。變電站總的無功補(bǔ)償容量也就相應(yīng)需要進(jìn)行調(diào)整。
2 系統(tǒng)阻抗對站內(nèi)單組無功裝置容量的影響
在實際的無功補(bǔ)償過程中，低壓側(cè)電容或電抗的選擇是一個十分重要的問題，如果選擇的容量過小，則起不到很好的補(bǔ)償作用；若容量選擇過大，存在過補(bǔ)償問題。無功補(bǔ)償設(shè)備的配置應(yīng)按照“全面規(guī)劃、合理布局、分級補(bǔ)償、就地補(bǔ)償”的原則，要把降損和電壓控制、集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，以就地平衡為主，最大限度體現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)、技術(shù)效益。
系統(tǒng)阻抗對單組無功裝置容量的影響主要受限于變電站總體無功的配置和建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性（盡量減少組數(shù)），單組容量的配置影響主要涉及諧波水平和電壓波動兩個指標(biāo)，其中對諧波水平的影響主要由下文式（1）體現(xiàn)，對電壓波動的影響由式（2）體現(xiàn)。
式中，Qcx為發(fā)生n次諧波諧振的無功容量（Mvar）；SD為無功裝置安裝處母線短路容量（MVA）；n為諧波次數(shù)，即諧波頻率與電網(wǎng)基波頻率之比；K為電抗率。
由式（1）知，針對確定的電抗率和諧波頻率，變電站諧振容量直接與短路容量正相關(guān)，即與變電站系統(tǒng)短路阻抗成反比。
式中，ΔU%為無功裝置安裝處母線電壓波動率；SD為無功裝置安裝處母線短路容量（MVA）；Q為投切單組無功裝置的容量（Mvar）。
從式（2）可以看出，母線的電壓波動率與投切電容的容量成正比，與母線三相短路容量成反比。根據(jù)Q/GDW 212—2008《電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》要求，投切最大單組無功補(bǔ)償設(shè)備時所在母線電壓波動不宜超過2.5%，變電站內(nèi)電容器單組容量不宜過大。由此，部分系統(tǒng)短路阻抗較小、短路容量較大的變電站單組無功補(bǔ)償裝置容量可適當(dāng)放大；反之亦然，系統(tǒng)短路阻抗較大的變電站，單組無功補(bǔ)償裝置容量需減小。
3 結(jié)論
本文通過對220 kV變電站無功補(bǔ)償?shù)挠嬎惴治?，并參照相關(guān)技術(shù)原則，通過擬定的主變無功損耗計算，有針對性地對系統(tǒng)短路阻抗對變電站無功補(bǔ)償?shù)挠绊戇M(jìn)行了定性的分析，可以得出以下一般性結(jié)論：
（1）系統(tǒng)短路阻抗大小直接關(guān)系到變電站內(nèi)主變壓器等消耗無功的電氣設(shè)備選擇，既而影響站內(nèi)無功補(bǔ)償總?cè)萘康呐渲茫唧w表現(xiàn)在各側(cè)供帶負(fù)荷一定情況下，高阻抗變壓器滿載時無功損耗相對較高，站內(nèi)無功補(bǔ)償總量需求更高。
（2）站內(nèi)短路電流在合理范圍內(nèi)，且滿足母線電壓波動要求時，站內(nèi)單組無功裝置的容量與系統(tǒng)阻抗大小成反比。
（3）在確定諧波次數(shù)和無功補(bǔ)償裝置電抗率的情況下，發(fā)生諧振的無功補(bǔ)償容量與系統(tǒng)阻抗大小成反比，分組無功裝置的組合應(yīng)避開相應(yīng)的諧振容量。
本文不足之處在于未能深入結(jié)合各地電網(wǎng)實際情況、規(guī)程要求以及典型設(shè)備參數(shù)，定量分析系統(tǒng)阻抗與站內(nèi)無功補(bǔ)償配置的關(guān)系，適應(yīng)性相對廣泛而不夠清晰具體。
[1]電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計總院.電力系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.
[2]何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析[M].3版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.
[3]電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償配置技術(shù)原則：Q/GDW 212—2008[S].
[4]電能質(zhì)量 電壓波動和閃變：GB/T 12326—2008[S].
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1 系統(tǒng)阻抗對站內(nèi)無功補(bǔ)償總量的影響
目前，220 kV及以下電壓等級的變電站中，根據(jù)需要配置無功補(bǔ)償設(shè)備，其容量可按主變?nèi)萘康?.10～0.30確定；330 kV及以上電壓等級的變電站，無功補(bǔ)償容量可按主變壓器容量的0.10～0.20配置或經(jīng)計算確定。無功補(bǔ)償總?cè)萘康拇_定主要考慮滿足調(diào)相調(diào)壓計算的最低容量需求，還需用補(bǔ)償主變滿載時的無功損耗作為校驗。
系統(tǒng)阻抗大小直接決定變電站各電壓等級短路水平，繼而影響變電站內(nèi)主變壓器、限流電抗器等消耗無功的電氣設(shè)備選擇，具體影響較為明顯，可由以下算例分析說明。
如圖1所示，某市一商業(yè)區(qū)規(guī)劃建設(shè)220 kV變電站A，主要供帶城市核心城區(qū)的商業(yè)負(fù)荷，同時作為城區(qū)110 kV站點電源支撐點，其推薦接入系統(tǒng)方式為采用雙回220 kV架空線路從220 kV變電站A出線至500 kV變電站B，變電站采用220 kV/110 kV/10 kV三個電壓等級出線。
圖1 變電站接線示意圖
2025年，A站220 kV母線側(cè)系統(tǒng)正序、零序阻抗分別為0.013 264、0.016 827；中低壓側(cè)正序和零序均為無窮大。選用常規(guī)變壓器時，阻抗電壓為：U12=14%，U13=23%，U23=8%，遠(yuǎn)期正常運行時低壓側(cè)10 kV短路電流高達(dá)85.73 kA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有10 kV斷路器設(shè)備的開斷能力，需通過選擇高阻抗變壓器或主變低壓10 kV出線回路增加限流電抗器限制短路電流?？紤]變電站A為戶內(nèi)GIS布置型式，限流電抗器戶內(nèi)布置占地較大，綜合經(jīng)濟(jì)性較差，變電站A變壓器最終選用高阻抗變壓器，阻抗電壓為：U12=14%，U13=64%，U23=49%。
設(shè)定變電站A單臺主變滿載時110 kV側(cè)、10 kV側(cè)分別供帶負(fù)荷為160 MVA、80 MVA，假定各側(cè)功率因數(shù)均為0.95，電力系統(tǒng)綜合分析程序PSASP7.0計算無功損耗為：
（1）選用高阻抗變壓器，阻抗電壓為U12=14%，U13=64%，U23=49%時，單臺主變滿載無功損耗約為55 Mvar。
（2）若變電站A系統(tǒng)短路阻抗相對較小，可選用常規(guī)變壓器，阻抗電壓為U12=14%，U13=23%，U23=8%時，單臺主變滿載無功損耗約為40 Mvar。
根據(jù)算例計算結(jié)果，高阻抗變壓器滿載無功損耗明顯高于常規(guī)變壓器，直接增加了變電站無功補(bǔ)償校驗的總?cè)萘俊Ｓ缮纤憷究傻贸鼋Y(jié)論，在變電站中低壓側(cè)外部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相同的情況下，若變電站高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗偏大，可選擇常規(guī)設(shè)備，主變無功損耗相對較少；系統(tǒng)阻抗偏小時，主變選擇高阻抗變壓器（或者選擇低壓側(cè)串聯(lián)限流電抗器），變電站無功損耗相對較多。變電站總的無功補(bǔ)償容量也就相應(yīng)需要進(jìn)行調(diào)整。
2 系統(tǒng)阻抗對站內(nèi)單組無功裝置容量的影響
在實際的無功補(bǔ)償過程中，低壓側(cè)電容或電抗的選擇是一個十分重要的問題，如果選擇的容量過小，則起不到很好的補(bǔ)償作用；若容量選擇過大，存在過補(bǔ)償問題。無功補(bǔ)償設(shè)備的配置應(yīng)按照“全面規(guī)劃、合理布局、分級補(bǔ)償、就地補(bǔ)償”的原則，要把降損和電壓控制、集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，以就地平衡為主，最大限度體現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)、技術(shù)效益。
系統(tǒng)阻抗對單組無功裝置容量的影響主要受限于變電站總體無功的配置和建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性（盡量減少組數(shù)），單組容量的配置影響主要涉及諧波水平和電壓波動兩個指標(biāo)，其中對諧波水平的影響主要由下文式（1）體現(xiàn)，對電壓波動的影響由式（2）體現(xiàn)。
式中，Qcx為發(fā)生n次諧波諧振的無功容量（Mvar）；SD為無功裝置安裝處母線短路容量（MVA）；n為諧波次數(shù)，即諧波頻率與電網(wǎng)基波頻率之比；K為電抗率。
由式（1）知，針對確定的電抗率和諧波頻率，變電站諧振容量直接與短路容量正相關(guān)，即與變電站系統(tǒng)短路阻抗成反比。
式中，ΔU%為無功裝置安裝處母線電壓波動率；SD為無功裝置安裝處母線短路容量（MVA）；Q為投切單組無功裝置的容量（Mvar）。
從式（2）可以看出，母線的電壓波動率與投切電容的容量成正比，與母線三相短路容量成反比。根據(jù)Q/GDW 212—2008《電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》要求，投切最大單組無功補(bǔ)償設(shè)備時所在母線電壓波動不宜超過2.5%，變電站內(nèi)電容器單組容量不宜過大。由此，部分系統(tǒng)短路阻抗較小、短路容量較大的變電站單組無功補(bǔ)償裝置容量可適當(dāng)放大；反之亦然，系統(tǒng)短路阻抗較大的變電站，單組無功補(bǔ)償裝置容量需減小。
3 結(jié)論
本文通過對220 kV變電站無功補(bǔ)償?shù)挠嬎惴治?，并參照相關(guān)技術(shù)原則，通過擬定的主變無功損耗計算，有針對性地對系統(tǒng)短路阻抗對變電站無功補(bǔ)償?shù)挠绊戇M(jìn)行了定性的分析，可以得出以下一般性結(jié)論：
（1）系統(tǒng)短路阻抗大小直接關(guān)系到變電站內(nèi)主變壓器等消耗無功的電氣設(shè)備選擇，既而影響站內(nèi)無功補(bǔ)償總?cè)萘康呐渲茫唧w表現(xiàn)在各側(cè)供帶負(fù)荷一定情況下，高阻抗變壓器滿載時無功損耗相對較高，站內(nèi)無功補(bǔ)償總量需求更高。
（2）站內(nèi)短路電流在合理范圍內(nèi)，且滿足母線電壓波動要求時，站內(nèi)單組無功裝置的容量與系統(tǒng)阻抗大小成反比。
（3）在確定諧波次數(shù)和無功補(bǔ)償裝置電抗率的情況下，發(fā)生諧振的無功補(bǔ)償容量與系統(tǒng)阻抗大小成反比，分組無功裝置的組合應(yīng)避開相應(yīng)的諧振容量。
本文不足之處在于未能深入結(jié)合各地電網(wǎng)實際情況、規(guī)程要求以及典型設(shè)備參數(shù)，定量分析系統(tǒng)阻抗與站內(nèi)無功補(bǔ)償配置的關(guān)系，適應(yīng)性相對廣泛而不夠清晰具體。
[1]電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計總院.電力系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.
[2]何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析[M].3版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.
[3]電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償配置技術(shù)原則：Q/GDW 212—2008[S].
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