福建電網220 kV 變電站無功配置方案研究

丁秀香

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

電力系統的無功補償與無功平衡，能保證電網穩定、安全、可靠運行［1］。針對福建省內變電站存在電容器利用率低的問題，通過研究220 kV 變電站無功配置原則，提出福建省內220 kV 變電站可研設計階段無功補償計算方法，然后結合福建省內220 kV 變電站電容器投運情況，分析造成電容器組利用率低原因，進一步通過案例分析驗證了所提無功配置方法是正確、合理的，最后提出適用于福建地區的無功配置建議。

1 無功配置原則

福建地區220 kV 輸變電可研設計無功配置主要依據《電力系統電壓和無功電力技術導則》［2］《國家電網公司電力系統無功補償配置技術原則》［3］《電力系統設計手冊》［4］《35 kV～220 kV 變電站無功補償裝置設計技術規定》［5］等規程規范、手冊，以及220 kV 國網典設方案、設備參數等開展，考慮主要原則如下：

1.1 容性無功配置

（1）220 kV 變電站的容性無功補償設備以補償主變壓器無功損耗為主，并適當補償部分線路的無功損耗。補償容量可按照主變壓器容量的10～25%配置，并滿足220 kV 主變壓器最大負荷時，其高壓側功率因數不低于0.95。

（2）35 kV～220 kV 變電站無功補償裝置，在主變最大負荷時其高壓側功率因數應不低于0.95，在低谷負荷時功率因數不應高于0.95，不低于0.92。

（3）10 kV 電容器單組容量參照《國家電網公司110 kV～500 kV 變電站通用設備典型規范》［6］，一般選擇8 Mvar。

1.2 感性無功配置

（1）220 kV 變電站的感性無功補償主要作用是補償負荷低谷時變電站進出線的剩余充電功率及兼顧吸收部分中小電源剩余的無功電力。

（2）10 kV 電抗器單組容量參考文獻［6］，一般選擇10 Mvar或6 Mvar。

2 無功補償計算方法

變電站無功補償計算包含無功電源和無功負荷，其中無功電源包含線路充電功率，無功負荷包含主變損耗及負荷補償，具體說明如下：

（1）線路充電功率。220 kV 線路充電功率本站補一半（若對側不考慮新增低壓電抗補償本電纜線路，則本站需考慮此電纜線路的100%充電功率）；對側110 kV 變電站由于系統容量小，110 kV 電纜線路盈余無功一般考慮在220 kV 變電站集中平衡。電纜線路充電功率計算如式（1）～（2）。

式中：QXL表示電纜線路充電功率，Mvar；QXL0表示電纜線路單位充電功率，Mvar/km；l 表示電纜線路長度，km；C0表示單位電容，pF/m；Uav表示平均電壓，kV。

（2）主變無功損耗。遠景高峰負荷取實際預測的遠景負荷，本期取主變的70%～90%；低谷負荷取本期主變的30%或取高峰方式的30%～60%（與變電站所屬位置及供電負荷性質有關）。中低壓側負荷分配一般取0.8∶0.2，或結合變電站所屬供電公司意見，適當調整比例。

式（3）～（6）中，QZB表示主變無功損耗，Mvar；Sn表示主變額定容量，MVA；U1%、U2%、U3%表示主變高、中、低三側短路阻抗；S1m、S2m、S3m分別表示主變高、中、低三側負荷，MVA；Uk1-2%、Uk1-3%、Uk2-3%表示主變高-中、高-低、中-低側短路阻抗。

（3）負荷補償。10 kV 側負荷功率因數按0.90～0.95（與地區配電網的纜化水平有關）考慮，110 kV 側負荷功率因數取0.95。

式中：QFH表示負荷補償功率，Mvar；Δtanφ 表示無功補償系數。

3 電容器組利用率低原因分析

圖1 為2020 年福建省內220 kV 變電站運行時間少于2 h電容器的變電站座數占地區變電站總座數之比圖。由圖1 可知，福州、龍巖以及寧德地區電容器年運行小時少于2 h 的變電站占比最大（40%～65%），莆田、泉州、廈門以及三明占比次之（20%～40%），漳州及南平占比最小（5%～20%）。這與福建地區負荷及電源分布的特性有關，省內主要負荷集中于福州、廈門及泉州等地區，220 kV 及以上大型電源主要分布于福州、寧德及莆田等北部區域，110 kV 及以下水電主要分布于寧德、三明、南平等區域。

圖1 福建各地市電容器利用情況對比圖

綜上，造成福建地區220 kV 變電站電容器組利用率低原因如下：

（1）主變實際負載率未達到設計預計值。實際運行中因負荷發展受限，實際最高負載率小于50%。由于主變無功損耗與負載率平方成正比，負載率越低，無功損耗越小，因此造成實際主變無功損耗不如預期的一半，故導致電容器組利用率低。

（2）現狀出線電纜較長。實際建設中因城市規劃調整、架空走廊開辟受限，尤其是廈門、福州等市中心區域，電纜線路變長，線路充電功率抵消了主變無功損耗，故導致電容器組利用率低。

（3）周邊電廠及其線路遠距離輸送容性無功。實際運行中變電站周邊電廠可能未按運行要求進行無功管理，導致電廠及其線路遠距離向周邊變電站輸送容性無功，抵消了主變的無功損耗，故導致電容器利用率低。

（4）低壓側負荷功率因數較高。實際運行中負荷側電容器較長時間（尤其低谷）處于在運狀態，將提高低壓側功率因數，則容性無功需求必然降低，故導致電容器利用率低。

（5）供區110 kV 及以下水電較多。寧德、三明、南平等部分縣市110 kV 及以下水電資源豐富，大量電力注入220 kV變電站中低壓側，在本級就近消納，則變電站下網負荷減少，故導致電容器利用率低。

（6）電容器常年處于檢修狀態。實際運行中電容器因設備故障未能投運，導致故障電容器利用率低。

4 案例分析

4.1 工程概況

本節以某220 kV 變電站A 為例進行無功配置分析，輸入條件及參數如下：

主變規模：前期已建1×180 MVA，本期擴建1×180 MVA，遠景3×180 MVA。

主變參數：采用三相三繞組有載調壓變壓器，三側繞組容量比：100/100/50；額定電壓：220±8×1.25%/115/10.5 kV；阻抗值：Uk1-2=14%、Uk1-3=54%、Uk2-3=38%；空載電流：I0=0.39%。

220 kV 出線及電纜長度：前期2 回，1600 mm2/1.8 km；本期無新增。110 kV 出線及電纜長度：前期4 回，630 mm2/1.35 km；本期無新增。10 kV 出線及電纜長度：前期8 回，3×300 mm2/10 km；本期新增8 回，3×300 mm2/8 km。

4.2 理論驗證

表1 為變電站A 擴建后2 臺主變（2×180 MVA）無功平衡計算結果。由表1 可知，前期及本期2 臺主變配置64 Mvar 電容器，主變高壓側高峰及低谷負荷時的功率因數可以滿足文獻［3］的要求。由于變電站A 前期已配置4×8 Mvar 電容器，結合國網通用設計及通用設備，建議本期擴建后的1 臺180 MVA主變配置4 組8 Mvar 低壓電容器。

表1 前期及本期主變無功補償計算結果

4.3 仿真驗證

為驗證所提無功補償計算方法的正確性，在電力系統分析軟件BPA 中搭建變電站A 接入系統仿真模型，詳見圖2。根據《電力系統設計手冊》［4］要求，投切一組補償設備引起所接母線電壓的變動值不宜超過額定電壓的2.5%。

圖2 變電站A 接入電網正常運行潮流圖

表2 是變電站A 擴建后主變電容器分組投切時，各級母線電壓波動結果。由表2 可知，變電站A 擴建的主變10 kV 側投切4×8 Mvar 電容器后，各級母線電壓波動均在允許范圍內，驗證了該站無功補償配置方案是合理、可行的。

表2 電容器分組投切時母線電壓波動結果

4.4 工程實際運行結果

經調研，變電站A 擴建后主變4 組電容器2020 年累計運行時間小于2 h。結合前文分析可知，造成電容器利用率低的原因主要為：2020 年變電站A 最高負載僅約29%、110 kV 出線電纜總長12.5 km（充電功率較可研設計階段增加約6 Mvar）以及變電站A 就近消耗了發電廠發出的容性無功。

5 結論

通過研究220 kV 主變無功配置原則、計算方法，分析電容器組利用低的原因，結合福建負荷及電源分布特性，提出適用于福建電網的無功配置建議如下：

（1）針對已建站出線電纜較長、負載較輕（低于50%）及低壓側功率因數較高的現象，經無功平衡計算，確有需要的，建議適當退出1～2 組電容器組；但后續需密切跟蹤供區負荷發展情況，適時增加無功補償設備。

（2）對于新建站，可適當降低本期主變最高負載率進行無功配置，變電站投運后視供區負荷發展情況及時優化無功補償方案。考慮到負荷發展的不確定性，建議每臺主變無功規模仍按國網典設預留足夠位置。

（3）針對周邊電廠發出容性無功的情況，建議電網有關部門采取措施，使電廠按運行要求進行無功管理。

（4）部分電容器組雖然利用率低，但需作為檢修或故障方式下的備用，以增強電網調壓的靈活性。該工況下的無功補償設備是否退出運行，建議與電網公司有關部門充分溝通。