220 kV 變電站電容器反復投退原因及改進電壓無功控制策略的應用

智 強

（內蒙古電力（集團）有限責任公司包頭供電局變電管理二處，內蒙古 包頭 014030）

0 引 言

電力系統電壓的穩定，是電能質量進行衡量的重要指標。近年來，電網開始對AVC無功電壓自動控制系統進行調試安裝。根據現有的運行情況來看，電壓自動控制系統的設計比較合理，能夠保障電力系統的電壓質量，同時提高了電力系統運行的安全性和穩定性，控制了輸電過程中的電能損耗。變電站運行過程中，主要利用并聯補償電容器實現對有載調壓變壓器的調節，從而實現變電站的無功補償。在實現電壓無功控制的過程中，需要綜合考慮諸多因素，其中包括合格電壓平衡的無功功率。在變電站工作過程中要盡量減少并聯補償電容器的退投次數，調節變壓器的分接頭。通過分析可知，電壓控制策略對電網的安全運行控制尤為重要。通過分析研究變電站中電容器組頻繁出現的退投現象，分析傳統系統中使用的九區圖，對存在的問題展開討論并尋找原因，提出改進的控制策略。

1 無功補償設計原則

對220 kV及以下變電站所配置無功補償裝置，按照國家有關規定，按就地平衡和分層分區的原則，系統執行無功補償需結合相關技術原則通過當地電網實現[1]。220 kV變電所母線正常運行時，允許的電壓偏差為額定電壓的-3%～+7%；如果發生事故，則允許電壓偏差為系統額定電壓的±10%。變電站無功補償設計過程中，應當堅持的基本原則是各電壓等級變電站無功補償裝置的分組容量選擇，應根據計算確定。最大單組無功補償裝置投切引起所在母線電壓變化不宜超過電壓額定值的2.5%，并滿足主變最大負荷時，功率因數不低于0.95。作為輸送有功負荷的設備，電纜線路是不能根據無功負荷變化而頻繁投切無功電源的。無功電源的容量調節越小，對220 kV電纜線路的功率充電（需根據和電網的電纜線路長度情況具體而定）利用就越多。應考慮裝設一定電抗器容量的線路，更好地調節和使用電纜產生的無功容量。35 kV和220 kV電纜線路敷設量隨著城市電網建設的需要逐漸增加，同樣截面的導體由于散熱條件不同、電纜允許長期通過的電流值不同，一般只占到架空線路的50%。因此，損耗小、充電功率多、負荷輕是電纜線路相對架空線路的運行特點。

2 220 kV變電站電容器反復投退的原因

目前，常用的AVC系統控制策略會綜合考慮電壓和無功功率因素，最常見的是九區圖，如圖1所示。0區電壓以及無功均可有效滿足要求，屬于理想狀態。如果偏離該區，則應當投切電容組，以實現無功調節，使系統能夠回到該區運行。

圖1 九區圖

運行在A點時，電壓合格，無功越上限，這時依據九區圖的控制策略應投電容器組。然而，此刻A點的電壓已接近電壓上限，投入電容器組可能會使A點電壓升高而進入1區運行。此刻若變壓器的有載調壓分接頭在最低檔位，系統將切除電容器組。當電容器組切除后，運行點有可能返回7區運行。電容器發生反復投退，也有可能是電容器安裝時螺栓沒有緊固到位，或者在運行過程中禁錮力下降，導致焊接工藝不良。部分電容器在場強設計上由于套管的質量和內熔絲的選型、折邊等內部制造問題，會造成電容器內部絕緣老化和耐受過電壓能力降低，最終發生反復投退[2]。需要注意，由于部分電網沖擊性負荷較大，晝夜負荷波動大，導致相應變電站的母線電壓發生了頻繁波動。在AVC控制下，無功補償設備開關和變壓器的載調，導致電容器發生頻繁投切。隨著變壓器載調壓的增加，電容器承受暫態的電壓次數不斷增加，引發了操作機構的缺陷和故障，使設備損壞率上升[3]，如圖2所示。

圖2 電容器操作機構

電容器開關設備對負荷供電的影響小，存在開關不到位問題。如果電容器的本體和放電線圈發生了銹蝕，則可能出現反復投切問題。

3 無功控制策略應用

對九區圖進行分析發現，在系統中變壓處于上限，應該降低檔位，這是符合控制策略要求的。如果在最低檔，則要切斷電容器。對于九區圖法，雖然原理相對簡單，但是無法綜合考慮電壓與無功之間的相互影響，處理不當就會導致電容器組和變壓器投切振蕩，且相關設備調節頻繁。針對這一現象，為了能夠克服九區圖算法的弊端與不足，建議采用十七區圖法，如圖3所示。

十七區圖是在九區圖基礎之上制定的，將四個易出現投切震蕩的區域（1、3以及5和7區）細化成三個區域，并將高壓側無功與母線電壓、無功和電壓上下限值對比，制定能夠有效控制電壓與無功的措施。十七區圖對九區圖控制策略中出現的問題進行了整改，在1到4區之間各自劃分出一個單獨的區域，測試靠近功率因素邊界和電壓區域，同時根據劃定的區域，制定相應的控制策略，以有效避免電壓震蕩情況的出現。通過十七區圖的策略控制，可以實現對AVC自動電壓控制系統進行定植的改進和調整。對于這一控制模式而言，只需進行一次調節即可實現整體調節目標，有效避免頻繁投切電容器組合調節分接頭，有利于優化調整變電站電壓無功。

調節設備包括串聯電容器和線路調壓器。此種方法對于電壓的影響包括了安裝點后面的配變，在考慮所有配變的電壓約束基礎上制定出調節策略，參考負荷預測的結果，對線路調壓器和串聯電容器進行自動調檔。此外，考慮第一級協調策略的配合，結合雙向調壓器的策略，兼顧潮流的流向。這部分策略可以分為無載調壓配變和有載調壓配變。由于自動調檔的次數受限，因此在針對無載調壓配變分接頭的檔次調節上，要有科學依據，進行全方位策略制定，根據配變電壓的歷史數據，結合季節性的負荷變化，對電壓的影響制定分接頭調節優化策略，指導運行人員定期調節無載配變的檔次，使電壓合格率達到最優。對于雙向調壓器的策略，要考慮潮流流向的問題，兼顧豐水期的高電壓治理，對線路串聯電容器進行柱上無共補償和自動投切，同時將動作次數平衡到所有設備上[4]。

圖3 十七區圖

4 結 論

通過實驗運行發現，電壓運行的合格率得到了顯著提升。在電容器運行中，避免了經常出現的震蕩現象。可見，十七區控制方法的使用明顯提高了電網電壓的合格率，在確保系統穩定運行效率的同時，進一步提高了企業的經濟效益。