变电站无功补偿及高压并联电容补偿装置设计

变电站无功补偿及高压并联电容补偿装置设计
2020-05-20 新用户796...
修改
一、电力系统的无功功率平衡
1.1、无功功率
电网中的电力负荷如电动机、变压器等都是靠电磁能量的变换而工作的，大部分属于感性负荷，建立磁场时要吸收无功，磁场消失时要交出无功。

在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。

电力设备电磁能量的交换伴随着吸收和放出无功。

每交换一次，无功都要在整个电力系统中传输，这不仅要造成很多电能损失，而且往往在无功来回转换中会引起电压变化，因此设计时，应注意保持无功功率平衡。

变电站装设并联电容器是改善电压质量和降低电能损耗的有效措施。

在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。

1.2、功率因数
电网中的电气设备如电动机、变压器属于既有电阻又有电感的电感性负载，电感性负载的电压与电流的相量间存在相位差，相位角的余弦值即为功率因数cosφ，它是有功功率与视在功率的比值，即cosφ=P/S。

1.3、无功功率补偿的目的
电网中的无功功率负荷主要有异步电动机、变压器，还有一部分输电线路。

而无功电源主要有发电机、静电电容器、同步调相机、静止补偿器。

无功功率的产生基本不消耗能源，但是无功功率沿电力网传输却要引起有功功率损耗和电压损耗。

合理配置无功功率补偿容量，以改变电力网无功潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户端的电压质量。

在做电网网架规划时，根据各水平年各负荷点的有功负荷量及可靠性要求确定了变电容量的分配、线路回路数及导线截面和接线方式等等。

但是，这样还不能保证各用户端的电压达到国家和地区规定的要求。

因为做电网网架规划时是以最大负荷为依据，而实际运行时，负荷是变化的，功率因数也是变化的，通过线路的有功、无功功率都与规划计算时大不相同，因此，导致某些负荷点的电压“越限”(过高或过低)。

为了使越限的电压恢复正常，必须采取有效措施—无功补偿。

所谓无功补偿，就是吸收或供给适度的无功功率，使通过线路的无功潮流最小。

变电站安装投运无功补偿装置，有利降损节能，
改善电能质量，提高输变电设备有功出力，使有限的电能发挥更大的效益。

1.4、无功补偿配置的基本原则
设置补偿装置时，应由系统专业根据电网电压、系统稳定性、有功分配、无功平衡、调相调压，以及限制谐波电压、潜供电流、暂时过电压等因素，提出补偿装置的设置地点、种类形式、容量和电压等级。

设计要从安装地点的自然环境条件，装置的接线方式、布置形式、控制保护方式，设备的技术条件，以及避免或限制补偿装置引起的操作过电压和谐振过电压等角度出发，予以配合。

1）、电力系统配置的无功补偿装置应能保证在系统有功负荷高峰和负荷低谷运行方式下，分（电压）层和分（供电）区的无功平衡。

分（电压）层无功平衡的重点是220kV及以上电压等级层面的无功平衡，分（供电）区就地平衡的重点是110kV及以下配电系统的无功平衡。

无功补偿配置应根据电网情况，从整体上考虑无功补偿装置在各电压等级变电站、10kV及以下配电网和用户侧配置比例的协调关系，实施分散就地补偿与变电站集中补偿相结合，电网补偿与用户补偿相结合，高压补偿与低压补偿相结合，满足降损和调压的需要。

2）、各级电网应避免通过输电线路远距离输送无功电力。

500（330）kV电压等级系统与下一级系统之间不应有大量的无功电力交换。

500（330）kV 电压等级超高压输电线路的充电功率应按照就地补偿的原则采用高、低压并联电抗器基本予以补偿。

3）、受端系统应有足够的无功备用容量。

当受端系统存在电压稳定问题时，应通过技术经济比较，考虑在受端系统的枢纽变电站配置动态无功补偿装置。

4）、各电压等级的变电站应结合电网规划和电源建设，经过计算分析，合理配置适当规模、类型的无功补偿装置；配置的无功补偿装置应不引起系统谐波明显放大，并应避免大量的无功电力穿越变压器。

35kV～220kV变电站，所配置的无功补偿装置，在主变最大负荷时其高压侧功率因数应不低于
0.95，在低谷负荷时功率因数不应高于0.95，不低于0.92。

5）、各电压等级变电站无功补偿装置的分组容量选择，应根据计算确定，最大单组无功补偿装置投切引起所在母线电压变化不宜超过电压额定值的2.5%。

6）、对于大量采用10kV～220kV电缆线路的城市电网，在新建110kV及以上电压等级的变电站时，应根据电缆进、出线情况在相关变电站分散配置适当容量的感性无功补偿装置。

6）、各电压等级变电站、发电厂内应配备相应的双向有功功率和无功功率（或功率因数）、双向有功电能和无功电能、无功补偿装置运行状态及有载
调压变压器分接位置等量值的采集与计量装置。

7）、为了保证系统具有足够的事故备用无功容量和调压能力，并入电网的
发电机组应具备满负荷时功率因数在0.85（滞相）～0.97（进相）运行的能力，新建机组应满足进相0.95运行的能力。

发电机自带厂用电时，进相能
力应不低于0.97。

接入220kV～750kV电压等级的发电厂，为平衡送出线路
的充电功率，在电厂侧可以考虑安装一定容量的并联电抗器。

8）、无功补偿装置宜采用自动控制方式。

9）、风电场应配置足够的无功补偿装置，以满足接入电网点处无功平衡及
电能质量的相关技术标准要求，必要时应配置动态无功补偿装置。

10）、电力用户应根据其负荷性质采用适当的无功补偿方式和容量，在任何
情况下，不应向电网倒送无功电力，保证在电网负荷高峰时不从电网吸收大
量无功电力，同时保证电能质量满足相关技术标准要求（即只能欠补偿不能
过补偿的原则，防止无功倒流，实际补偿容量必须小于理论计算值）。

11）、无功补偿装置的额定电压应与变压器对应侧的额定电压相匹配。

选择
电容器的额定电压时应考虑串联电抗率的影响。

二、补偿装置的分类与功能
补偿装置可以分为两大类：串联补偿装置和并联补偿装置。

补偿装置都是设置于变、配电站、换流站或开关站中，大部分连接在这些站的母线上，也有的补偿装置是并联或串联在线路上
2.1、串联电容补偿装置(简称串补装置)
串联在输电线路中, 由电容器组及其保护、控制等辅助设备组成的装置,简称串补装置或串补, 主要有固定串联电容器补偿装置(简称固定串补) 和晶闸管控制串联电容器补偿装置(简称可控串补)。

电容串联，容量减少（串联后总容量的计算，参照电阻的并联方法），耐压增加。

串联电容：串联个数越多，电容量越小，但耐压增大。

（1）、串补装置的安装位置
1 )、在110kV及以下的电网中, 当线路没有分支线时,串补装置均装设在线路末端的变电所;当线路上有多个负荷分支线时, 将串补装置设在线路总压降为一半的附近变电所中。

2 )、在220kV及以上电网中, 一般将串补装置与线路中间的开关站或变电所合建在一起; 当无中间开关站或变电所时,才将串补装置设置在末端变电所中。

（2）、串联电容器串接在线路中，其作用如下：
1）、提高线路末端电压。

串接在线路中的电容器，利用其容抗xc补偿线路的感抗xl，使线路的电压降落减少，从而提高线路末端（受电端）的电压。

2）、降低受电端电压波动。

当线路受电端接有变化很大的冲击负荷（如电弧炉、铁路牵引站等）时，串联电容器能消除电压的剧烈波动。

这是因为串联电容器在线路中对电压降落的补偿作用是随通过电容器的负荷而变化的，具有随负荷的变化而瞬时调节的性能，能自动维持负荷端（受电端）的电压值。

3）、提高线路输电能力。

由于线路串入了电容器的补偿电抗xc，线路的电压降落和功率损耗减少，相应地提高了线路的输送容量。

4）、改善了系统潮流分布。

在闭合网络中的某些线路上串接一些电容器，部分地改变了线路电抗，使电流按指定的线路流动，以达到功率经济分布的目的。

5）、提高系统的稳定性。

线路串入电容器后，提高了线路的输电能力，这本身就提高了系统的静稳定。

当线路故障被部分切除时（如双回路被切除一回、但回路单相接地切除一相），系统等效电抗急剧增加，此时，将串联电容器进行强行补偿，即短时强行改变电容器串、并联数量，临时增加容抗xc，使系统总的等效电抗减少，提高了输送的极限功率，从而提高系统的动稳定。

2.2、并联电抗补偿装置
由并联电容器和相应的一次及二次配套设备组成, 并联连接于三相交流电力系统中, 能完成独立投运的一套设备。

电容器并联时，相当于电极的面积加大，电容量也就加大了。

并联时的总容量为各电容量之和. 并联电容：并联个数越多，电容量越大，但耐压不变。

（1）、并联电抗补偿装置的安装位置
并联电容补偿装置是直接连接或者通过变压器并接于需要补偿无功的变(配)电站、换流站的母线上。

并联电容器装置宜装设在变压器的主要负荷侧。

当不具备条件时,可装设在三绕组变压器的低压侧。

当配电站中无高压负荷时,不宜在高压侧装设并联电容器装置。

低压并联电容器装置的安装地点和装设容量,应根据分最补偿和就地平衡的原则设置,并不得向电网倒送无功。

（2）、并联电容器的作用
并联电容器并联在系统的母线上，类似于系统母线上的一个容性负荷，它吸收系统的容性无功功率，这就相当于并联电容器向系统发出感性无功。

因此，并联电容器能向系统提供感性无功功率，系统运行的功率因数，提高受电端母线的电压水平，同时，它减少了线路上感性无功的输送，减少了电压和功率损耗，因而提高了线路的输电能力。

（3）、并联电容器无功补偿方式
无功补偿应遵循“全面规划,合理布局,分级补偿,就地平衡”的总原则。

因此按电容器安装的位置不同,通常有三种补偿方式:
1)、集中补偿
电容器组集中装设在用户或变电站的母线上,用来提高整个变电站的功率因数,使该变电所的供电范围内无功功率基本平衡。

可减少高压线路的无功损耗,而且能够提高本变电站的供电电压质量。

2)、分组补偿
将电容器组分别装设在功率因数较低的终端变配电站高压或低压母线上,也称为分散补偿。

这种方式具有与集中补偿相同的优点,仅无功补偿容量和范围相对小些。

但是分组补偿的效果比较明显,采用得也较普遍。

3)、就地补偿
将电容器或电容器组装设在异步电动机或感性用电设备附近,就地进行无功补偿,也称为单独补偿或个别补偿方式。

这种方式既能提高为用电设备供电回路的功率因数,又能改善用电设备的电压质量,对中、小型设备十分适用。

设计中应将三种补偿方式统筹考虑,合理布局,选配合适的补偿容量,可取得较好的补偿效果。

三、各电压等级变电站的变电站的无功补偿
3.1、330kV及以上电压等级变电站的无功补偿
3.1.1、330kV及以上电压等级变电站容性无功补偿的主要作用是补偿主变压器无功损耗以及输电线路输送容量较大时电网的无功缺额。

容性无功补偿容量应按照主变压器容量的10%～20%配置，或经过计算后确定。

3.1..2、330kV及以上电压等级变电站内配置的电容器单组容量最大值，在满足最大单组无功补偿装置投切引起所在母线电压变化不宜超过电压额定值的2.5%要求的情况下，按表一确定。

表一330kV及以上电压等级变电站内配置电容器单组容量最大值
单位：Mvar
主变高压侧电压等级补偿侧电压等级
10kV35kV66kV
330kV1028-
500kV-6060/80
750kV--120
注：对于500kV变压器，补偿侧电压为66kV，当主变容量为750MVA及以下时，配置的电容器单组最大值为60Mvar，当主变容量为1000MVA及以上时，配置的电容器单组最大值为80Mvar。

3.1.3、330kV及以上电压等级高压并联电抗器（包括中性点小电抗）的主要作用是限制工频过电压和降低潜供电流、恢复电压以及平衡超高压输电线路的充电功率，高压并联电抗器的容量应根据上述要求确定。

主变压器低压侧并联电抗器组的作用主要是补偿超高压输电线路的剩余充电功率，其容量应根据电网结构和运行的需要而确定。

3.1.4、局部地区330kV及以上电压等级短线路较多时，应根据无功就地平衡原则和电网结构特点，经计算分析，在适当地点装设母线高压并联电抗器，进行无功补偿。

以无功补偿为主的母线高压并联电抗器应装设断路器。

3.1.5、330kV及以上电压等级变电站安装有两台及以上变压器时，每台变压器配置的无功补偿容量宜基本一致。

3.2、220kV变电站的无功补偿
3.2.1、220kV变电站的容性无功补偿以补偿主变压器无功损耗为主，适当补偿部分线路及兼顾负荷侧的无功损耗。

容性无功补偿容量应按下列情况选取，并满足在主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数不低于0.95。

3.2.1.1、满足下列条件之一时，容性无功补偿装置应按主变压器容量的15%～25%配置。

1）、220kV枢纽站。

2）、中压侧或低压侧出线带有电力用户负荷的220kV变电站。

3 ）、变比为220/66（35）kV的双绕组变压器。

4 )、220kV高阻抗变压器。

3.2.1.2、满足下列条件之一时，容性无功补偿装置应按主变压器容量的10%～15%配置。

1）、低压侧出线不带电力用户负荷的220kV终端站。

2）、统调发电厂并网点的220kV变电站。

3）、220kV电压等级进出线以电缆为主的220kV变电站。

4）、当3.2.1.1、3.2.1.2中的情况同时出现时，以3.2.1.1为准。

3.2.2、对进、出线以电缆为主的220kV变电站，可根据电缆长度配置相应的感性无功补偿装置。

每一台变压器的感性无功补偿装置容量不宜大于主变压器容量的20%，或经过技术经济比较后确定。

3.2.3、220kV变电站容性无功补偿装置的单组容量，在满足
4.5条要求的情况下，接于66kV电压等级时不宜大于20 Mvar，接于35kV电压等级时不宜大于12 Mvar，接于10kV电压等级时不宜大于8 Mvar。

3.3.4、220kV变电站安装有两台及以上变压器时，每台变压器配置的无功补偿容量宜基本一致。

3.2.5、220kV三绕组降压变压器三侧额定电压可按如下比例选取。

1）、一般情况下，高、中、低压侧的额定电压比宜选1/1.05/1.05。

2）、当供电距离长、供电负荷重时，高、中、低压侧的额定电压比可选1/1.05/1.1。

3）、当低压侧不带负荷或仅带有站用变等轻载负荷时，高、中、低压侧的额定电压比可选1/1.05/1。

3.3、35～110kV变电站的无功补偿
3.3.1、35～110kV变电站的容性无功补偿装置以补偿变压器无功损耗为主，适当兼顾负荷侧的无功补偿。

容性无功补偿容量应按下列情况选取，并满足35kV ～110kV主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数不低于0.95。

3.3.1.1、当35～110kV变电站内配置了滤波电容器时，按主变压器容量的20%～30%配置。

3.3.1.2、当35～110kV变电站为电源接入点时，按主变压器容量的15％～20％配置。

3.3.1.3、其它情况下，按主变压器容量的15%～30%配置。

地区无功缺额较少或距离电源点较近的变电站，取较低值;地区无功缺额较多或距离电源点较远的变电站，取较高值。

3.3.2、110（66）kV变电站的单台主变压器容量为40MVA及以上时，每台主变压器配置不少于两组的容性无功补偿装置。

当在主变压器的同一电压等级侧配置两组容性无功补偿装置时，其容量宜按无功容量的1/3和2/3进行配置；当主变压器中、低压侧均配有容性无功补偿装置时，每组容性无功补偿装置的容量宜一致。

3.3.3、在满足最大单组无功补偿装置投切引起所在母线电压变化不宜超过电压额定值的2.5%要求的情况下，110（66）kV变电站容性无功补偿装置的单组容量不应大于6Mvar，35kV变电站容性无功补偿装置的单组容量不应大于3Mvar。

单组容量的选择还应考虑变电站负荷较小时无功补偿的需要。

3.4、10kV及其它电压等级配电网的无功补偿
3.4.1、配电网的无功补偿以配电变压器低压侧集中补偿为主，以高压补偿为辅。

应合理选择配电变压器的变比以避免电压过高电容器无法投入运行。

3.4.2、配电变压器的无功补偿装置容量可按变压器最大负载率为75％，负荷自然功率因数为0.85考虑，补偿到变压器最大负荷时其高压侧功率因数不低于0.95，或按照变压器容量的20％～40％进行配置。

3.4.3、在供电距离远、功率因数低的10kV架空线路上可适当安装电容器，其容量（包括用户）一般按线路上配电变压器总容量的7％～10％配置（或经计算确定），但不应在低谷负荷时向系统倒送无功。

3.4.4、配电变压器的电容器组应装设以电压为约束条件，根据无功功率（或无功电流）进行分组自动投切的控制装置。

3.5、风电场的无功补偿
3.5.1、风电场的电压控制
3.5.1.1、当风电场并网点的电压偏差在-10～+10%之间时，风电场应能正常运行。

3.5.1.2、风电场变电站高压侧母线电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%，一般应控制在额定电压的-3%～7%。

3.5.2、风电场的无功补偿配置
3.5.2.1、风电场的无功补偿分为两个部分，即风机自身的无功补偿和用于补偿变压器及风电送出线路无功补偿的风电场内集中无功补偿。

风电场的无功补偿装置容量总和不小于风电装机容量的30%～50%。

3.5.2.2、风电场内集中无功补偿的容量不低于风电场无功补偿装置容量总和的40～60％，或经计算分析得出。

3.5.2.3、风电场应有一定比例的以适应风力变化过程中的动态补偿装置。

3.5.2.4、对风电场高压送出通道的线路无功补偿，应兼顾容性感性双向补偿和远近规模结合的原则。

并分别考虑线路最大和最小传输功率的情况。

3.5.2.5、最大单组无功补偿装置投切引起所在母线电压变化不宜超过电压额定值的2.5%。

3.5.3、风电场电压无功电压的控制原则
3.5.3.1、风电场无功补偿装置宜采用自动控制方式。

3.5.3.2、在风电机组发电时，风电场升压变电站高压侧不应从系统吸收无功功率。

3.6、光伏电站的无功补偿
3.6.1、无功电源
（1）、光伏发电站的无功电源包括光伏并网逆变器及光伏发电站无功补偿装置。

（2）、光伏发电站安装的并网逆变器应满足额定有功出力下功率因数在超前0.95一滞后0.95的范围内动态可调，并应满足在图1所示矩形框内动态可调。

（3）、光伏发电站要充分利用并网逆变器的无功容量及其调节能力；当逆变器的无功容量不能满足系统电压调节需要时，应在光伏发电站集中加装适当容量的无功补偿装置，必要时加装动态无功补偿装置。

3.6.2、无功容量配置
（1）光伏发电站的无功容量应按照分（电压）层和分（电）区基本平衡的原则进行配置，并满足检修备用要求。

（2）通过10kV-35kV电压等级并网的光伏发电站功率因数应能在超前0.98-滞后0.98范围内连续可调，有特殊要求时，可做适当调整以稳定电压水平。

（3）对于通过110(66)kV及以上电压等级并网的光伏发电站，无功容量配置应满足下列要求：
a)、容性无功容量能够补偿光伏发电站满发时站内汇集线路、主变压器的感性无功及光伏发电站送出线路的一半感性无功之和；
b)、感性无功容量能够补偿光伏发电站自身的容性充电无功功率及光伏发电站送出线路的一半充电无功功率之和。

（4）、对于通过220kV（或330kV）光伏发电汇集系统升压至500kV（或750kV）电压等级接人电网的光伏发电站群中的光伏发电站，无功容量配置宜满足下列要求：
a)、容性无功容量能够补偿光伏发电站满发时汇集线路、主变压器的感性无功及光伏发电站送出线路的全部感性无功之和；
b)、感性无功容量能够补偿光伏发电站自身的容性充电无功功率及光伏发电站送出线路的全部充电无功功率之和。

（5）、光伏发电站配置的无功装置类型及其容量范围应结合光伏发电站实际接人情况，通过光伏发电站接人电力系统无功电压专题研究来确定。

3.7、电力用户的无功补偿
3.7.1、电力用户应根据其负荷特点，合理配置无功补偿装置，宜采用自动投切，并达到以下要求。

3.7.1.1、100kVA及以上高压供电的电力用户，在用户高峰负荷时变压器高压侧功率因数不宜低于0.95。

3.7.1.2、其他电力用户，功率因数不宜低于0.90。

对于特殊非线性、冲击性负荷用户如冶金、电铁等，用户应进行电能质量综合治理，使电能质量达到相关技术标准要求。

四、高压并联电容器组的设计
变电站站的高压并联电容器装置构成主要由高压并联电容器组及相应的一次和
二次配套设备组成；配套设备一般应包括开关电器、串联电抗器、放电线圈、避雷器、电容器故障保护器件及继电保护装置。

4.1、高压并联电容器组设计的总原则
根据GB50227-2017《并联电容器装置设计规范》，并联电容器装置接入电网的设计,应按全面规划、合理布局、分层分区补偿、就地平衡的原则确定最优补偿容量和分布方式。

并联电容器装置的设计,应根据安装地点的电网条件、补偿要求、环境状况、运行检修要求和实践经验,确定补偿容量、接线方式、配套设备、保护与控制方式、布置及安装方式。

无功电源的安排，应在电力系统有功规划的基础上，进行无功规划。

原则上应使无功就地分区分层基本平衡，按地区补偿无功负荷，就地补偿降压变压器的无功损耗，并应能随负荷(电压)变化进行调整，避免经长距离线路或多级变压器传送无功功率，以减少由于无功功率传送引起电网的有功损耗。

4.2、高压并联电容器组的电气接线
4.2.1、《35kV～220kV变电站无功补偿装置设计技术规定DL/T 5242-2010》规定：
（1）、无功补偿装置的额定电压应与其接入系统的各种运行方式下的运行电压相配合, 符合安全经济原则。

（2）、无功补偿装置的接线方式应根据补偿性质、设备特点和分组数等条件确定,并应满足安全可靠、节约投资、运行维护方便和有利于分期扩建、改建等要求。

（3）、无功补偿装置宜采用直接接入母线的接线方式。

当该母线上有供电线路,经技术经济比较合理时,可设置无功补偿装置专用母线的按线方式。

（4）、无功补偿装置的接线方式应满足下列要求:
1）、任一组无功补偿装置故障不应导数主变压器切除。

2）、无功补偿装置应装设总断路器或分组断路器,装设总断路器时各组无功补偿装置可装设负荷开关、断路器或其他开关电器。

（5）、多台主变压器的无功补偿装置之间不宜装设相互切换的设施。

4.2.2《330kV～750kV变电站无功补偿装置设计技术规定DL/T 5014-2010》规定：
（1）、无功补偿装置的额定电压应与其接入系统的各种运行方式下的运行电压相配合。

（2）、高压并联电抗器接入系统的电压等级一般为330kV、500kV、750kV,接入主变压器三次侧的无功补偿装置的电压宜选用35kV或66kV级。