淺析變電站系統(tǒng)阻抗對(duì)站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠绊?/h1>
2018-03-29 07:19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(jì)咨詢有限公司，湖南長(zhǎng)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(jí)變電站系統(tǒng)阻抗總體上呈減小趨勢(shì)，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(yùn)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(wú)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(yùn)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(duì)變電站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠绊?，?duì)于保障電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有實(shí)際意義。
1 系統(tǒng)阻抗對(duì)站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償總量的影響
目前，220 kV及以下電壓等級(jí)的變電站中，根據(jù)需要配置無(wú)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(jí)的變電站，無(wú)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(jì)算確定。無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘康拇_定主要考慮滿足調(diào)相調(diào)壓計(jì)算的最低容量需求，還需用補(bǔ)償主變滿載時(shí)的無(wú)功損耗作為校驗(yàn)。
系統(tǒng)阻抗大小直接決定變電站各電壓等級(jí)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(wú)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(shuō)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(shí)作為城區(qū)110 kV站點(diǎn)電源支撐點(diǎn)，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(gè)電壓等級(jí)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(wú)窮大。選用常規(guī)變壓器時(shí)，阻抗電壓為：U12=14%，U13=23%，U23=8%，遠(yuǎn)期正常運(yùn)行時(shí)低壓側(cè)10 kV短路電流高達(dá)85.73 kA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有10 kV斷路器設(shè)備的開(kāi)斷能力，需通過(guò)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(tái)主變滿載時(shí)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(jì)算無(wú)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(shí)，單臺(tái)主變滿載無(wú)功損耗約為55 Mvar。
（2）若變電站A系統(tǒng)短路阻抗相對(duì)較小，可選用常規(guī)變壓器，阻抗電壓為U12=14%，U13=23%，U23=8%時(shí)，單臺(tái)主變滿載無(wú)功損耗約為40 Mvar。
根據(jù)算例計(jì)算結(jié)果，高阻抗變壓器滿載無(wú)功損耗明顯高于常規(guī)變壓器，直接增加了變電站無(wú)功補(bǔ)償校驗(yàn)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(wú)功損耗相對(duì)較少；系統(tǒng)阻抗偏小時(shí)，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(wú)功損耗相對(duì)較多。變電站總的無(wú)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(duì)站內(nèi)單組無(wú)功裝置容量的影響
在實(shí)際的無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中，低壓側(cè)電容或電抗的選擇是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，如果選擇的容量過(guò)小，則起不到很好的補(bǔ)償作用；若容量選擇過(guò)大，存在過(guò)補(bǔ)償問(wèn)題。無(wú)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(jí)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(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)、技術(shù)效益。
系統(tǒng)阻抗對(duì)單組無(wú)功裝置容量的影響主要受限于變電站總體無(wú)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(dòng)兩個(gè)指標(biāo)，其中對(duì)諧波水平的影響主要由下文式（1）體現(xiàn)，對(duì)電壓波動(dòng)的影響由式（2）體現(xiàn)。
式中，Qcx為發(fā)生n次諧波諧振的無(wú)功容量（Mvar）；SD為無(wú)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(duì)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(wú)功裝置安裝處母線電壓波動(dòng)率；SD為無(wú)功裝置安裝處母線短路容量（MVA）；Q為投切單組無(wú)功裝置的容量（Mvar）。
從式（2）可以看出，母線的電壓波動(dòng)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(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》要求，投切最大單組無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)所在母線電壓波動(dòng)不宜超過(guò)2.5%，變電站內(nèi)電容器單組容量不宜過(guò)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置容量需減小。
3 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)220 kV變電站無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算分析，并參照相關(guān)技術(shù)原則，通過(guò)擬定的主變無(wú)功損耗計(jì)算，有針對(duì)性地對(duì)系統(tǒng)短路阻抗對(duì)變電站無(wú)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(wú)功的電氣設(shè)備選擇，既而影響站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘康呐渲?，具體表現(xiàn)在各側(cè)供帶負(fù)荷一定情況下，高阻抗變壓器滿載時(shí)無(wú)功損耗相對(duì)較高，站內(nèi)無(wú)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(dòng)要求時(shí)，站內(nèi)單組無(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置電抗率的情況下，發(fā)生諧振的無(wú)功補(bǔ)償容量與系統(tǒng)阻抗大小成反比，分組無(wú)功裝置的組合應(yīng)避開(kāi)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(shí)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(wú)功補(bǔ)償配置的關(guān)系，適應(yīng)性相對(duì)廣泛而不夠清晰具體。
[1]電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)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(wú)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(dòng)和閃變：GB/T 12326—2008[S].
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秦正斌
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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(jí)變電站系統(tǒng)阻抗總體上呈減小趨勢(shì)，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(yùn)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(wú)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(yùn)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(duì)變電站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠绊?，?duì)于保障電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有實(shí)際意義。
1 系統(tǒng)阻抗對(duì)站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償總量的影響
目前，220 kV及以下電壓等級(jí)的變電站中，根據(jù)需要配置無(wú)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(jí)的變電站，無(wú)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(jì)算確定。無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘康拇_定主要考慮滿足調(diào)相調(diào)壓計(jì)算的最低容量需求，還需用補(bǔ)償主變滿載時(shí)的無(wú)功損耗作為校驗(yàn)。
系統(tǒng)阻抗大小直接決定變電站各電壓等級(jí)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(wú)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(shuō)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(shí)作為城區(qū)110 kV站點(diǎn)電源支撐點(diǎn)，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(gè)電壓等級(jí)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(wú)窮大。選用常規(guī)變壓器時(shí)，阻抗電壓為：U12=14%，U13=23%，U23=8%，遠(yuǎn)期正常運(yùn)行時(shí)低壓側(cè)10 kV短路電流高達(dá)85.73 kA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有10 kV斷路器設(shè)備的開(kāi)斷能力，需通過(guò)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(tái)主變滿載時(shí)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(jì)算無(wú)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(shí)，單臺(tái)主變滿載無(wú)功損耗約為55 Mvar。
（2）若變電站A系統(tǒng)短路阻抗相對(duì)較小，可選用常規(guī)變壓器，阻抗電壓為U12=14%，U13=23%，U23=8%時(shí)，單臺(tái)主變滿載無(wú)功損耗約為40 Mvar。
根據(jù)算例計(jì)算結(jié)果，高阻抗變壓器滿載無(wú)功損耗明顯高于常規(guī)變壓器，直接增加了變電站無(wú)功補(bǔ)償校驗(yàn)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(wú)功損耗相對(duì)較少；系統(tǒng)阻抗偏小時(shí)，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(wú)功損耗相對(duì)較多。變電站總的無(wú)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(duì)站內(nèi)單組無(wú)功裝置容量的影響
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系統(tǒng)阻抗對(duì)單組無(wú)功裝置容量的影響主要受限于變電站總體無(wú)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(dòng)兩個(gè)指標(biāo)，其中對(duì)諧波水平的影響主要由下文式（1）體現(xiàn)，對(duì)電壓波動(dòng)的影響由式（2）體現(xiàn)。
式中，Qcx為發(fā)生n次諧波諧振的無(wú)功容量（Mvar）；SD為無(wú)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(duì)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(wú)功裝置安裝處母線電壓波動(dòng)率；SD為無(wú)功裝置安裝處母線短路容量（MVA）；Q為投切單組無(wú)功裝置的容量（Mvar）。
從式（2）可以看出，母線的電壓波動(dòng)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(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》要求，投切最大單組無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)所在母線電壓波動(dòng)不宜超過(guò)2.5%，變電站內(nèi)電容器單組容量不宜過(guò)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置容量需減小。
3 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)220 kV變電站無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算分析，并參照相關(guān)技術(shù)原則，通過(guò)擬定的主變無(wú)功損耗計(jì)算，有針對(duì)性地對(duì)系統(tǒng)短路阻抗對(duì)變電站無(wú)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(wú)功的電氣設(shè)備選擇，既而影響站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘康呐渲?，具體表現(xiàn)在各側(cè)供帶負(fù)荷一定情況下，高阻抗變壓器滿載時(shí)無(wú)功損耗相對(duì)較高，站內(nèi)無(wú)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(dòng)要求時(shí)，站內(nèi)單組無(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置電抗率的情況下，發(fā)生諧振的無(wú)功補(bǔ)償容量與系統(tǒng)阻抗大小成反比，分組無(wú)功裝置的組合應(yīng)避開(kāi)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(shí)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(wú)功補(bǔ)償配置的關(guān)系，適應(yīng)性相對(duì)廣泛而不夠清晰具體。
[1]電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)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(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則：Q/GDW 212—2008[S].
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