110kV变电站电容器组优化配置的研究

110kV变电站电容器组优化配置的研究

1.研究背景

目前，电力系统中110kV变电站普遍采用在10kV低压侧加装并联电容器组以满足电网对无功功率的需求，一方面是出于节约无功补偿装置的造价考虑，另一方面是认为35kV侧负荷的无功应按照分层分区平衡的原则，由下一级变电站来补偿。但随着负荷的增长，仅在低压侧加装无功补偿装置的做法已经不能满足变压器高压侧对功率因数的要求。

在当前国家节能降耗的大政方针下，如何节省主变的无功损耗也是亟待解决的问题。经过理论研究，发现无功补偿装置在中压侧可使主变节省约1/3的无功损耗，并能使电网更加安全、稳定、经济的运行。

2.研究内容

研究找出110kV三绕组变压器中、低压侧不同负荷情况下无功补偿的最优配置方案，并制定省公司系统110kV变电站无功补偿装置配置原则和方案。

研究的主要内容有：对目前河北南网110kV变电站电容器组配置情况进行调研，对110kV变电站35kV侧加装电容器组对变压器损耗及电网经济效益的影响进行研究，提出适合河北南网电力系统110kV变电站电容器组配置的建议。

2.1 电容器容量的选择

一般来说，目前新建110kV变电站在初建时都会依据110kV变电站典型设计，按照主变压器容量的10%～30%确定电容器的安装容量。但是，对已投运的变电站，由于所带负荷性质清楚，谐波电压、潜供电流、暂时过电压等因素都已明确，电网电压、系统短路容量、有功、无功情况十分清楚，此时如果存在无功缺额就应根据变电站的实际情况考虑增加无功补偿装置。

无功负荷变化的频率、幅值和速率以及安装点母线谐波电压畸变率是选用调相机、并联电容补偿装置和静补偿装置的基本判据。对于无功变化频率为每天数次，或变化的幅值较大时，可选用并联补偿装置或静补偿装置，反之，采用调相机。

对于110kV变电站来说，由于供电部门在产权分界点对于用户无功负荷变化的频率、幅值和速率以及安装点母线谐波电压畸变率都有一定的要求，在110kV变电站装设的主要是电容器补偿装置。

2.2 谐波影响分析

2.2.1 并联电容器和谐波的相互影响

电力谐波是一种电网环境污染，它不仅会使电力设备产生谐波损耗、引起设备过热、产生系统过电压、引起继电保护和自动装置误动，而且会使无功补偿装置的运行工况进一步恶化。电容器对谐波电流有放大作用，不仅危害电容器本身，而且还会危害电网及其他设备的安全运行。

为了限制合闸涌流及防止谐波放大，往往需要在电容器组中串联一定电抗率的电抗器，若其参数选择不当，电容器组会对系统的某此谐波电流起放大作用，从而造成运行环境污染。同时，谐波电流又会造成电容器过热、局部放电增加以致最终损坏。因此，合理配置电容器容量、正确选择电抗器、避免电路参数匹配发生串联、并联谐振，才能保证电容器、电抗器和整个电网的安全运行。

2.2.2 等值电路分析

电力系统谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源，其主要特征是外阻抗发生变化时电流值不变。

现辛店站等值电路如下图所示：

图1 辛店站等值电路

考虑谐波源时，等值电路为：

图2 考虑谐波源时的等值电路

图中，Xi表示归算到110kV侧的i次绕组的等值电抗;Xs表示系统基波短路阻抗;Xc2表示35kV侧加装电容器组的基波容抗;XL2表示35kV侧加装串联电抗器的基波电抗;Xc3表示10kV侧加装电容器组的基波容抗;XL3表示35kV侧加装串联电抗器的基波电抗;Ih2表示35kV侧的第n次谐波电流源;Ih3表示10kV侧的第n次谐波电流源。

由于10kV侧和35kV侧均有谐波注入，所以在分析谐波影响时，利用叠加原理，分别计算各个谐波电流源的影响。

以35kV侧谐波源为例，等值电路图如下图所示：

图3 35kV侧为谐波源时的等值电路图

其中，n为谐波次数;

Xs2为等效阻抗，且：

谐波电流和并联谐波阻抗为：

（1）

∴

（2）

由（1）得，谐波电压放大率：

其中，K为电抗率，且。

当（2）谐波阻抗分子为0时，即从谐波源看入得阻抗为0，表示电容器装置与电网在第n次谐波发生串联谐振，可得35kV侧电容支路的串联谐振点，

当（2）谐波阻抗分母为0时，即从谐波源看入得阻抗为，表示电容器装置与电网在第n次谐波发生并联谐振，并可推出电容器装置的谐振容量为：

即：

得：

∴

同理，对于10kV侧的谐振源，可求出其对应电容支路的谐振点：

等值电路为：

图4 10kV侧为谐波源时的等值电路图

式中：Xs3为等效阻抗。

串联谐振点为：

10kV侧电容器装置的谐振容量为：

2.3 变压器损耗

变压器是电力工业的主要设备之一，在输送电能的同时也消耗电能。变压器损耗包括有功损耗和无功损耗两部分。

变压器在传输功率过程中其自身要产生的有功功率损耗，包括空载损耗和负载损耗。空载损耗是与负载大小无关的固定损耗，通常容量越大的变压器，其空载损耗越大;负载损耗与负荷大小有关，是与负载电流成平方关系的损耗。

变压器的变压过程需要建立磁场，是借助于电磁感应完成的，因此变压器是一个感性的无功负载;所以，在传输电能的过程中，不可避免的要产生无功损耗。在变压器传输功率的过程中，变压器自身的无功功率消耗远大于有功功率损耗。

2.4 经济性分析

由于电力系统中阻抗的存在，电能在转换、输送、分配过程中不可避免地伴随着大量的损耗产生，设法降低网络损耗也是电力系统的重要目标。

目前省公司装设容性无功补偿装置的406座110kV变电站中，有近3/4的变电站采用三绕组变压器，而大部分三绕组变压器的主要负荷侧为中压侧。但目前只有12座110kV变电站在中压侧装有电容器，其余95%以上均只在低压侧装设电容器，无形中损耗了大量的电能。

对目前河北南网110kV变电站电容器组配置情况进行调研的基础上，提出了在35kV中压侧加装补偿电容器组来提高变压器高压侧功率因数的设想，并从理论上分析了在35kV中压侧加装补偿电容器组的可行性，以及加装电容器组后，对变压器损耗以及电网的经济效益进行了研究，从而提出了适合于河北南网电力系统110kV变电站电容器组优化配置的建议。

3.研究结论

研究对具备条件的变电站进行改造，主变中压侧配置无功补偿，必将节省大量的有功和无功损耗，降低线损，待项目成果全面实施后年节省线损费用预计可达1000万元以上;同时，将对110kV变电站无功补偿的配置起到指导作用。总之，110kV变电站电容器组优化配置的研究，得到110kV三绕组变压器中、低压侧不同负荷情况下无功补偿的最优配置方案，给公司系统带来了巨大的经济效益和社会效益。