220kV變電站無(wú)功補(bǔ)償容量配置分析

任維銀

摘要： 國(guó)家電網(wǎng)在建設(shè)220kV變電站的過(guò)程中，通過(guò)把握無(wú)功功率的一些特點(diǎn)，解決系統(tǒng)穩(wěn)定性的一些問(wèn)題。電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償將會(huì)與電壓質(zhì)量有著密切的關(guān)聯(lián)。電力系統(tǒng)的無(wú)功電源在任何時(shí)期都不能違反分層和分壓的基本策略。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，能夠靈活變通的使用。全局無(wú)功優(yōu)化在實(shí)際中很難直接實(shí)現(xiàn)。為使局部無(wú)功優(yōu)化達(dá)到理想效果，提出了一種220kV變電站無(wú)功補(bǔ)償電源容量的實(shí)用計(jì)算方法。將主變壓器、預(yù)測(cè)負(fù)荷和線路的無(wú)功損耗之和作為補(bǔ)償容量，給出了相應(yīng)的求解公式，并確定了分組容量。

Abstract： In the process of constructing 220kV substation， the national grid can solve some problems of system stability by grasping some characteristics of reactive power. The reactive power compensation of the power system will be closely related to the voltage quality. Power system reactive power can not violate the basic strategy of stratification and partial pressure at any time. In the adjustment process， it can be used flexibly. Global reactive power optimization is difficult to achieve directly in practice. In order to achieve the desired effect of local reactive power optimization， a practical calculation method of 220kV substation reactive power compensation power capacity is proposed. The sum of the reactive losses of the main transformer， the predicted load and the line is taken as the compensation capacity， and the corresponding solution formula is given and the packet capacity is determined.

關(guān)鍵詞： 220kV；變電站；無(wú)功補(bǔ)償

Key words： 220kV；substation；reactive power compensation

中圖分類號(hào)：TM411+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）01-0144-02

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，國(guó)民對(duì)用電量的需求越來(lái)越大，對(duì)于無(wú)功需求也相應(yīng)增長(zhǎng)，所以我國(guó)的配電系統(tǒng)呈現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)狀。基于此，相關(guān)工作人員如何針對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行合理、高效的無(wú)功補(bǔ)償是當(dāng)下保證配電網(wǎng)進(jìn)行安全運(yùn)行的前提條件，這與國(guó)民能否獲得高效、安全的用電有極大的關(guān)系。

1 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置與方式

1.1 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置分為主變無(wú)功補(bǔ)償裝置和配變無(wú)功補(bǔ)償裝置。此外，并聯(lián)電容器組是配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置中的一個(gè)重要組成部分，其接線有多種，有三角形、星形、有雙三角形和雙星形之分。在配電網(wǎng)中的功能室產(chǎn)生無(wú)功，這就在工作中的平衡體系中彌補(bǔ)了無(wú)功的缺額，在實(shí)際運(yùn)用中保持了無(wú)功的就地平衡，避免了長(zhǎng)遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸。配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常可以分為分散式的配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置、密集型的配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置兩種，以上就是配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置的情況。

1.2 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償方式 在電網(wǎng)使用的過(guò)程中，在變電站的變壓器低壓方向存在著電容器的無(wú)功補(bǔ)償，也存在少數(shù)情況電容器的無(wú)功補(bǔ)償安裝在高壓母線上。在某些特定情況下，如果無(wú)功補(bǔ)償容量在某一點(diǎn)獲得增加，將會(huì)造成從該點(diǎn)的電源點(diǎn)所接的串聯(lián)電路和無(wú)功潮流都將會(huì)變小。這樣來(lái)達(dá)到我們減少損耗電能的目的，提高用電效率的質(zhì)量。①變電站集中補(bǔ)償。變電站集中補(bǔ)償是在配電網(wǎng)中進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅绞剑侵冈谧冸娬驹?0kV的母線側(cè)面進(jìn)行集中的補(bǔ)償方式，主要進(jìn)行補(bǔ)償主變的無(wú)功損耗。變電站集中補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器。②配變低壓集中補(bǔ)償。在我國(guó)當(dāng)前的壓配電網(wǎng)中，配變低壓集中補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ切袠I(yè)內(nèi)最常用的一種補(bǔ)償措施，也是公認(rèn)的最適合現(xiàn)實(shí)的補(bǔ)償措施。配變低壓集中補(bǔ)償在配變的380V中進(jìn)行電路的集中補(bǔ)償，它采用的容器主要是并聯(lián)電容器。其中，它憑借安全、高效的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)無(wú)功的就地平衡。③線路桿上補(bǔ)償。在我國(guó)，線路桿上補(bǔ)償由于易受環(huán)境、氣候、工作量大的一系列的限制，它的適應(yīng)能力很差，所以在實(shí)際情況中采用的并不是很多。在實(shí)際施工中，它主要針對(duì)線路桿塔進(jìn)行電容器的安裝，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹＂苡脩艚K端分散補(bǔ)償。用戶終端分散補(bǔ)償由于安裝時(shí)的方便靈活，在實(shí)際施工的過(guò)程中一般用于工業(yè)負(fù)荷用戶。用戶終端分散補(bǔ)償是對(duì)于用戶自然功率因數(shù)偏低等情況研發(fā)出來(lái)的，所以可以根據(jù)用戶設(shè)備的無(wú)功功率需求控制投切。

2 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置優(yōu)化原則

2.1 設(shè)定裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備配變的最小容量 在進(jìn)行配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，首先要做的就是設(shè)定裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備配變的最小容量，因?yàn)榕渥內(nèi)萘亢团渥児╇娏慷急容^大的時(shí)候，裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置就會(huì)有降損的空間；但是配變?nèi)萘亢团渥児╇娏慷急容^小時(shí)，縱使裝設(shè)了無(wú)功補(bǔ)償裝置，也沒(méi)有降損的空間，這就導(dǎo)致了投資方無(wú)法收回的結(jié)果。endprint

2.2 無(wú)功分級(jí)協(xié)調(diào) 在安裝無(wú)功補(bǔ)償配置的時(shí)候，相關(guān)的工作人員一定要從整體中考慮我國(guó)配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置配置，并且一定要根據(jù)各地區(qū)不同的電壓等級(jí)變電站、10kV及以下配電網(wǎng)、用戶側(cè)等方面，通過(guò)配電網(wǎng)無(wú)功配置情況的調(diào)查和研究，做出準(zhǔn)確的判斷和制定相應(yīng)的計(jì)劃。在文章中，筆者參考了三大地區(qū)的配電數(shù)據(jù)，主要由于各個(gè)地方不容性無(wú)功配置水平差異較大，導(dǎo)致功率因數(shù)差異較大[1]。在設(shè)置低壓網(wǎng)無(wú)功的就地平衡時(shí)，要避免中壓網(wǎng)甚至高壓網(wǎng)為低壓無(wú)功負(fù)荷提供無(wú)功補(bǔ)償，避免大量跨越電壓等級(jí)流動(dòng)，導(dǎo)致網(wǎng)損增加的情況出現(xiàn)。

2.3 劃分好無(wú)功管轄地區(qū) 在配電網(wǎng)中，無(wú)功管轄地區(qū)一定要參考、遵守就地平衡的首要原則。“就地平衡”在實(shí)際施工中，首先要?jiǎng)澐帧肮芾淼牡貐^(qū)”。一旦確定了無(wú)功補(bǔ)償?shù)摹肮芾淼貐^(qū)”，就相當(dāng)于確定了無(wú)功補(bǔ)償?shù)牡貐^(qū)和每個(gè)地區(qū)上無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的管轄范圍，只有這樣，才能做到各管理單位和相關(guān)工作人員在實(shí)際施工中分級(jí)管理、各司其職的高效工作模式。在我國(guó)，100千瓦等以上用電的部門功率因數(shù)不能低于0.85以下，而一些農(nóng)業(yè)上的用電功率因數(shù)要求在0.85以上，這要求著劃分好無(wú)功管轄地區(qū)。

現(xiàn)下，配電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化在實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的電力系統(tǒng)中占有重要的作用。對(duì)配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償配置原則進(jìn)行分析與探討有利于達(dá)到配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)安全可靠運(yùn)行的目的。

3 無(wú)功補(bǔ)償電源容量模型與算法

無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算方法有很多種，主要是對(duì)用戶的要求功率進(jìn)行補(bǔ)償。大多數(shù)情況下，10千伏用戶要求功率因數(shù)達(dá)到1.0。但是由于我國(guó)目前的狀況限制了補(bǔ)償?shù)姆绞剑€不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)某潭取＞唧w情況是，當(dāng)變電站以最大負(fù)荷方式下工作時(shí)，變電站需要用戶完全不需要系統(tǒng)提供的無(wú)功。當(dāng)不是處在最大負(fù)荷方式下工作時(shí)，這時(shí)用戶應(yīng)該合理的調(diào)整補(bǔ)償容量，不給系統(tǒng)輸送無(wú)用功。如果按照經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)脑瓌t來(lái)計(jì)算，用戶需要高科技的設(shè)備以及高水平的操作手段，同時(shí)也要付出許多資金。可以看到我國(guó)變電站運(yùn)行的管理方式和設(shè)備都沒(méi)達(dá)到理想狀態(tài)，所以無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的操作不能太頻繁，也不能滿足用戶無(wú)功自平衡的基本要求，這些任務(wù)給電業(yè)部門帶來(lái)了巨大的壓力。

根據(jù)我國(guó)相關(guān)法律規(guī)定，當(dāng)?shù)靥幵谟秒姼叻迤诘臅r(shí)段。用戶的功率因數(shù)應(yīng)該達(dá)到以下要求，一些用于生產(chǎn)的工業(yè)部門和高壓供電應(yīng)該配備調(diào)整電壓的裝置。功率因數(shù)低于0.9以下都視為不合格。其他100千瓦等以上用電的部門功率因數(shù)不能低于0.85以下，而一些農(nóng)業(yè)上的用電功率因數(shù)要求在0.85以上。

當(dāng)前投入使用中的大多數(shù)電力系統(tǒng)和用電用戶中，都按照功率因數(shù)為0.9作為補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式和經(jīng)濟(jì)原則比較起來(lái)，電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償容量，則更占有優(yōu)勢(shì)。

3.1 計(jì)算條件 首先應(yīng)該確定是哪種類型，才能具有針對(duì)性的選擇計(jì)算公式正確的計(jì)算，要考慮無(wú)功負(fù)荷的幾大因素。他們分別是頻率、幅值和速率。然后在確定無(wú)功變化的頻率為每天達(dá)到的次數(shù)。如果幅值較大的話，應(yīng)該把并聯(lián)電容器作為首要選擇。第一，10伏的負(fù)荷功率因數(shù)應(yīng)該以0.9去計(jì)算。第二，按照國(guó)家相關(guān)的一些規(guī)定，當(dāng)用戶處在用電高峰期的時(shí)段，220千伏變電站主變變高公因數(shù)應(yīng)該高于0.98。110千伏變電站應(yīng)該高于0.95。但不是處在用電高峰期的時(shí)段，功率因數(shù)應(yīng)該按照0.95以下計(jì)算。

不同位置之間的電壓數(shù)值，也存在很明顯的差別。由于受到許多原因的限制，主變變壓側(cè)額定電流如果超過(guò)4000安培的話，將會(huì)出現(xiàn)損壞。所以主變低壓側(cè)最大的負(fù)荷容量為某一個(gè)值，當(dāng)超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，將會(huì)對(duì)供電造成損害。當(dāng)負(fù)載率是最大或者最小的時(shí)候，都有獨(dú)立的數(shù)值予以對(duì)應(yīng)，在計(jì)算的時(shí)候一定要找準(zhǔn)數(shù)值去計(jì)算。變電站與電容器并聯(lián)的補(bǔ)償有以下兩點(diǎn)原因：第一，將主變的無(wú)功損害進(jìn)行補(bǔ)償；第二，一些無(wú)用功主要補(bǔ)償在不同電壓處在不同位置的無(wú)功缺額。

本著系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償容量充裕的原則，本文將220 kV變電站所需無(wú)功補(bǔ)償電源容量定位為對(duì)主變壓器、負(fù)荷側(cè)和線路消耗的無(wú)功損耗的全額補(bǔ)償，即

？駐Q=？駐QT+？駐QC+？駐QL（1）

式中，ΔQT為主變壓器無(wú)功損耗；ΔQC為負(fù)荷的無(wú)功損耗；ΔQL為線路的無(wú)功損耗。

3.2 主變壓器無(wú)功損耗計(jì)算

主變壓器無(wú)功損耗計(jì)算公式為

式中，I0（%）為變壓器空載電流百分比（%）；Ud（%）為需要進(jìn)行補(bǔ)償?shù)淖儔浩饕粋?cè)的阻抗電壓百分比（%）；Im為母線裝設(shè)補(bǔ)償裝置后，通過(guò)變壓器需要補(bǔ)償一側(cè)的最大負(fù)荷電流值，kA；In為變壓器需要補(bǔ)償一側(cè)的額定電流值，kA；Se為變壓器需要補(bǔ)償一側(cè)的額定容量，MV·A。

根據(jù)上述公式，在主變壓器型式確定的情況下，變壓器無(wú)功損耗與主變壓器各側(cè)實(shí)際通過(guò)的功率有關(guān)，即與主變壓器負(fù)荷率、中低側(cè)負(fù)荷分布等有關(guān)[2]。

3.3 負(fù)荷無(wú)功損耗計(jì)算

負(fù)荷側(cè)的無(wú)功損耗計(jì)算公式為

？駐QC=Qjs（tan？漬1-tan？漬2）（3）

式中，Qjs為計(jì)算有功負(fù)荷；？漬1為補(bǔ)償前的功率因數(shù)角；？漬2為補(bǔ)償后的功率因數(shù)角。

3.4 無(wú)功缺額的計(jì)算方法 當(dāng)主變?yōu)槌休d最大負(fù)荷的情況時(shí)，220千伏變電站的變高功率因數(shù)應(yīng)該按照0.98進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)變高功率因數(shù)可以把110千伏和10千伏區(qū)別開(kāi)來(lái)。他們分別是0.95和0.9。當(dāng)主變承載最小負(fù)荷的情況時(shí)。220千伏變電站的220千伏側(cè)和110千伏側(cè)的功率因數(shù)就相同了，都是按照0.95計(jì)算。而10伏一側(cè)的功率因數(shù)依然按照原來(lái)的進(jìn)行計(jì)算。

3.5 如何選擇分組容量 分組容量的選擇要按照以下幾個(gè)要求。第一，所有安裝的補(bǔ)償設(shè)施要引起母線電壓的變動(dòng)值，這個(gè)值一定不能超過(guò)額定電壓的2.5%。對(duì)負(fù)荷調(diào)壓變壓器連接的電容器，電壓出現(xiàn)的變動(dòng)值不能超過(guò)某一額定的數(shù)值。第二，為了減輕成本的壓力，盡量增大組件的容量，以便減少分組的數(shù)量。

4 電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x和作用

從近幾年來(lái)的發(fā)展形勢(shì)上看，人們與電力系統(tǒng)的關(guān)系變得更加密切，這給如何合理科學(xué)用電提出了挑戰(zhàn)，導(dǎo)致現(xiàn)如今用電方面出現(xiàn)一些問(wèn)題。無(wú)功功率的出現(xiàn)，將人們的用電水平帶入到了一個(gè)新的臺(tái)階，標(biāo)志著用電系統(tǒng)取得了重大的突破。通過(guò)對(duì)無(wú)功功率的使用，改變了從前用電系統(tǒng)不平衡的局面，而且無(wú)功功率補(bǔ)償可以把一些不平衡的系統(tǒng)糾正過(guò)來(lái)，為工業(yè)用電和人們生活用電保駕護(hù)航。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了一種220kV變電站無(wú)功補(bǔ)償電源容量的實(shí)用計(jì)算方法，即將變壓器無(wú)功損耗、負(fù)荷側(cè)及線路的無(wú)功損耗之和作為補(bǔ)償容量。這種方法解決了全局優(yōu)化中存在的節(jié)點(diǎn)過(guò)多、變量過(guò)多、數(shù)據(jù)龐大以及難以求解的問(wèn)題。下一步的研究重點(diǎn)將是在局部無(wú)功優(yōu)化過(guò)程中建立經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)模型，在滿足電壓和功率因數(shù)合格的約束條件下求取最優(yōu)配置。

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