變壓器阻抗的合理選擇和無功補償分組容量優化

樂瑤　駱曉鳴

摘 要：文章分析了不同目的下主變低壓側短路電流計算運行方式的不同選擇；分析了變壓器阻抗與無功補償裝置單組容量和總容量的關系。并以低壓側為10 kV的220 kV變電站為例，給出了變壓器阻抗選擇和低壓側無功補償分組容量選擇的計算方法。

關鍵詞：變壓器阻抗；無功補償；短路電流；分組容量

中圖分類號：TM769 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）30-0082-01

對于電力系統的變電站，主變壓器的阻抗選擇十分重要。從減少損耗而言，希望變壓器阻抗選擇盡可能小；從控制短路電流水平而言，變壓器阻抗又不能選得過小，短路電流的控制裕度是決定變壓器阻抗的重要因素。

變壓器低壓側的無功補償裝置主要作用是保證無功分層分區平衡，維持合理的電壓水平。低壓側無功補償裝置有多個分組，以便在負荷發生變化，需要變更補償容量時方便投切。無功補償裝置的分組投切與變壓器分接頭調節的合理配合能有效的控制系統的電壓水平，保證電壓偏差在合理范圍。

變壓器低壓無功補償裝置的分組投切與變電站負荷變化不同。變電站負荷變化為有功和無功的共同變化，且有功功率變化占比較大；另一方面，負荷變化一般是漸變的過程。而低壓無功補償裝置的分組投、切，功率變化是純無功，且投切速度取決于斷路器的合、分閘時間。因此無功補償裝置的自動分組投切對于系統而言，相當于無功沖擊負荷，勢必引起所接母線的電壓波動。電壓波動的大小取決于系統沖擊負荷的大小和系統的短路容量大小。對于變壓器低壓側而言，低壓側短路容量的大小很大程度上取決于變壓器的阻抗。

因此變壓器阻抗的選擇和無功補償裝置的分組容量是密切相關的，是需要綜合考慮的。

1 主變低壓側短路電流計算

為校驗低壓側電氣設備短路容量，需計算低壓側最大短路電流。應考慮變電站遠景規模，并按照最大運行方式。考慮3臺主變110 kV側并列運行。

由式（3）可知，短路容量越大（對應變壓器阻抗越小），可選用的無功補償裝置的單組容量也越大，對于相同的總容量，無功補償裝置分組數就越少，對應占地也越少，從而減少了整個變電站的占地，對資源的節約利用具有重要意義。

3 變壓器阻抗和無功補償總容量的關系

國家電網公司關于220 kV變電站的無功補償，要求220 kV變電站在主變最大負荷時，其一次側功率因數應不低于0.95，在低谷負荷時功率因數應不高于0.95。由上述規定可知，考核 220 kV變電站無功補償容量是否合適主要是看220 kV側功率因數。對于相同的有功功率，主要是在220 kV側的無功功率。

式中：QL為變電站中低壓側負荷無功總和，QC為低壓容性無功補償總容量，QT為變壓器總無功損耗。

變壓器阻抗越大，則對應無功損耗QT也越大，由式（4）可知為達到功率因數的要求，則需要的無功補償總容量QC越大。因此從無功補償總容量的控制而言，在滿足短路電流控制要求時，變壓器的阻抗應盡可能小。

4 工程算例

某220 kV變電站電壓等級為220/110/10 kV，遠景規模為3×180 MVA主變，初期1臺180 MVA主變。SB=100 MVA，UB=230 kV、115 kV、10.5 kV。X220最小值為0.00557，最大值為0.0100；X110最小值為0.2，最大值為0.3；10 kV短路電流要求控制在25 kA（沒有考慮裕度）以下，已知變壓器阻抗U12%=14（SB=180 MVA），求解合適的U13%，并選擇合適的無功補償裝置分組容量。

求解：對于變壓器，U12%+U23%≈U13%。則式（1）中：

X1≈U12%，X2≈0，X3≈（U13%-U12%）

對于10 kV短路電流，若留10%左右的裕度，即I10kV·max≤22.5 kA，則：

通過式（1）求得U13%≥53.09%。

通過式（2）求得I10kV·min=19.288 kA，對應SSC=350.78 MVA。

通過式（3）求得△Qi≤8.7695 Mvar。

對于10 kV短路電流，若留20%左右的裕度，即

I10kV·max≤20 kA，則：

通過式（1）求得U13%≥58.59%。

通過式（2）求得I10kV·min=17.42 kA，對應SSC=316.83 MVA。

通過式（3）求得△Qi≤7.92 Mvar。

對比目前標準化設計中的變壓器阻抗和無功補償裝置的序列，對于不同的短路電流裕度，變壓器阻抗和無功補償裝置的選擇如下。

若要求10 kV短路電流裕度不低于10%，該變電站阻抗選擇54%，無功補償分組容量選擇8 Mvar比較合適；經驗算對應的10 kV短路電流最大值為22.044 kA，投切一組無功補償裝置引起所在母線電壓變化為2.32%。

若要求10 kV短路電流裕度不低于20%，該變電站阻抗選擇64%，無功補償分組容量選擇6 Mvar比較合適；經驗算對應的10 kV短路電流最大值為18.03 kA，投切一組無功補償裝置引起所在母線電壓變化為2.08%。

5 結 論

①短路電流計算時，按照最大運行方式考慮短路電流的控制要求。但進行無功補償裝置分組容量選取時，需考慮變壓器正常運行小方式。

②變電站阻抗的選擇需考慮短路電流和無功補償兩個方面的因素。從短路電流控制角度，希望變壓器阻抗大；但從無功補償總容量和分組容量考慮，希望變壓器阻抗小。

③適當降低短路電流控制的裕度，可有效減小變壓器阻抗，增加無功補償分組容量。

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