110kV变电站无功补偿装置设计浅析
110kV变电站无功补偿装置设计浅析
110kV变电站无功补偿装置设计浅析
110kV变电站无功补偿装置设计的重要性
电网系统用电设备产生的无功功率需要与系统中的无功负荷与无功损耗相平衡，为了保证负荷集中地区供电电压稳定，在变电站设置合理的无功补偿装置是必要的。设置无功补偿装置，既可以稳定电网功率因素，减少供电变电和输送环节产生的损耗；同时，还可以稳定电网和用户端使用电源的电压，提高供电质量。如果不设置无功补偿装置，将导致供电系统电压不稳定、谐波增大等多种危害。
无功补偿的设计要点
根据《电力系统电压和无功电力技术导则》相关要求，在进行无功补偿装置设计时必须遵循以下设计原则：
- 按照全面规划、分层分区补偿等原则，合理确定补偿容量和分布配置方式。
- 首先要了解系统的非线性设备总容量Q与系统设备总容量P的比例关系来决定采取哪种形式无功补偿。
- 将110kV母线功率因素作为原则计算补偿容量，110kV变电站使用的无功补偿容量必须按照主变容量的20%左右进行配置，而且将变电器高压部分的因数控制在0.95以上，低谷负荷功率因数不能高于0.95。
无功补偿装置设计选型
无功补偿装置的种类很多，目前电力网中通常采用以下三种无功补偿形式：
- 在变电站低电压侧中设置并联电容器进行集中补偿；
- 在馈出线的用户端开闭所内装置并联电容器进行分组补偿；
- 在用户端感性负载部位装置并联电容器进行就地补偿。
集中补偿与分组补偿两种类型的容量小、运用率较高，能补偿变电器及并联配电线路中的无功功率等优点。根据《电力系统电压和无功电力技术导则》相关要求，110kV变电站无功补偿装置一般选用并联电容器组进行集中补偿。
无功补偿装置的容量确定
- 变电站安装的最大容性无功量确定
根据《电力系统电压和无功电力技术导则》及南方电网相关标准规范要求，通常情况下，对于直接供电的公用变电所，安装的最大容性无功量应等于装置所在的母线负荷按照提高功率因数所需补偿的最大容性无功量和主变压器所需补偿的最大容性无功量（即变压器的无功损耗）之和，表示方式如公式（1）所示：
Q=Q1+Q2（1）
Q：代表变电站安装的最大容性无功量；
Q1：代表负荷所需补偿的最大容性无功量；
Q2：代表主变压器所需补偿的最大容性无功量。
负荷所需补偿的最大容性无功量计算如公式（2）所示：
Q1=P(｜tgφ1｜+｜tgφ2｜)
（2）
P:代表母线的最大有功负荷；
φ1：代表补偿前最大功率因数角；
Φ2：代表补偿后最小功率因数角。
主变压器所需补偿的最大容性无功量计算如公式（3）所示：
Q2=［Ud％(Im／Id)2+Io％］*Se
（3）
Ud：代表需要进行补偿的变压器一侧的阻抗电压百分值；
Im：代表母线装设补偿装置后，通过变压器需要补偿一侧的最大负荷电流值(A)；
Id：代表变压器需要补偿一侧的额定电流值(A)；
Io：代表变压器空载电流百分值；
Se：代表变压器需要补偿一侧的额定容量(kVA)。
- 计算结果校核及分析
以下以广东潮州110kV新联站（2*40MVA)为例来计算及检验无功补偿容量。
表1-1
110kV新联站无功平衡表（单位：MVA、Mvar）
序号 | 项目 | 轻载（30%SN） | 重载（90%SN） |
|---|---|---|---|
一 | 主变负荷 | 24 | 72 |
二 | 无功负荷 | 9.27 | 31.701 |
110kV负荷消耗无功 | 6.00 | 17.99 | |
10kV负荷消耗无功 | 2.09 | 6.28 | |
主变励磁无功损耗 | 0.40 | 0.40 | |
主变漏抗无功损耗 | 0.78 | 7.04 | |
三 | 无功电源 | 0.92 | 0.92 |
1110kV线路充电功率 | 0.45 | 0.45 | |
35kV线路充电功率 | 0.00 | 0.00 | |
10kV线路充电功率 | 0.47 | 0.47 | |
四 | 无功缺额 | 8.35 | 30.78 |
五 | 站内无补偿设备时主变110kV侧功率因素 | 0.9375 | 0.9040 |
六 | 目标功率因素 | ≤0.95 | ≥0.95 |
七 | 需补偿无功功率 | -0.86 | -13.28 |
参考上表的无功平衡结果，110kV新联站在轻载和重载情况下，需要补充无功容量分别为0.86Mvar和13.28Mvar。结合南网《一级采购物资品类优化规格型号清单》，建议每台主变低压侧配置（2×5010）kvar的并联电容器组，不配置低压电抗器补偿。
无功补偿装置配置方案及接线方式
- 无功补偿装置配置方案
当Q<20％P时，无功补偿可以采用纯电容的标准型；当2O％P；当Q>50％P时，无功补偿一般采用滤波型。将无功补偿装置安装在主要负荷侧，无功补偿采用断路器投切的并联电容器装置。常用的并联电容器按其结构不同，分为框架式和集合式，无功补偿主要采用框架式电容器组，即10kV框架式并联电容器成套装置，包含电抗器、隔离开关、避雷器、放电线圈、铁构件及保护网。
- 电抗器的选择
在进行电抗器选择时，应先预测谐波含量来选择电抗率K。当仅需要限制合闸涌时，宜选用电抗率为0.1～l％的阻尼电抗器。抑制5次及以上谐波电压放大，宜选用电抗率为4．5～5％的电抗器；当电网3次谐波含量较大、其余谐波含量较小时，采用电抗率为12％的电抗器。电抗器采用后置方式布置，户内框架式电容器组配置铁芯电抗器．户外框架式电容器组配置空芯电抗器。用于投切电容器装置的断路器一般选用C2级真空断路器，断路器应具备频繁操作的性能；分、合闸时触头弹跳不应大于限定值，开断时不应出现重击穿；应能承受电容器的关合涌流和工频短路电流以及电容器高频涌流的联合作用。用于并联电容器装置操作过电压保护的避雷器，应采用无间隙金属氧化物避雷器。
- 无功补偿装置接线方式
通常情况下，并联电容补偿装置的接线方式包括两种类型，第一类为星型，第二类为三角形，星型可进一步分为单星和双星。目前,在我国的变电站中，大都采用单星形接线方式。
- 并联电容器组保护方式
在变电站的运行过程中，并联电容组的保护包括五个途径：第一，熔丝保护，当系统因故障而出现较大电压或电流时，熔丝会因此而断开，进而完成对整个系统的保护。第二，过电流保护。第三，不平衡电压保护，这是我国变电站最常用的保护方式，在电容器出现故障时，系统中电容组的三相电容会表现出明显的不平衡，以此来完成对系统的保护。第四，不平衡电流保护。第五，低电压保护。
结束语
综上所述，在110kV变电站无功补偿电容器组配置中，应该通过对无功补偿装置电容量、电抗率等内容的计算，判断设计是否科学，是否能够确保电网系统的稳定运行，而且，为了进一步提升变电站的稳定性，应该对变电站作进一步的改进，以完善变电站的无功补偿电容器组配置，减少变电站的电能损耗，进而不断提升变电站的运行效率。
参考文献：
[1]贾会龙.无功补