變壓器分接頭對電力系統無功分布的影響

張曉崢 于起媛 任建軍 王國泉

(國網北京平谷供電公司，中國 北京 101200）

0 引言

良好的電能質量是用電企業能夠正常生產運行的基礎。無功功率是影響電能質量尤其是電壓質量的關鍵因素，為保證良好的電壓質量和對負荷正常波動的適應性，首先必須保證用電系統無功功率的分層分區平衡，其次應該保證電壓無功的高度可控和優化，這也是降低網損，節約能源的重要手段。我國電網規定，無功電壓控制應該滿足《電力系統電壓和無功電力技術導則(試行)》(SD 325!89)的要求。為使電力系統安全可靠優質運行，電壓和無功的控制應滿足以下目標：

（1）所有運行設備的電壓應在可接受范圍內；

（2）輸送的無功功率應盡量小，以提高有功輸送能力，減小網損，防止突然甩負荷引起的過電壓；

（3）系統應保持一定的無功備用，以保證運行的穩定裕度。

無功補償的一般原則是在電壓滿足運行要求的前提下分層分區就地平衡，即盡量減少不同電壓等級之間的無功流動，盡量就地補償，以提高電壓質量和對負荷變化的適應性。對于企業用電系統，合理的無功補償直接影響到企業的經濟效益。

1 無功補償裝置的特點和應用要點

常用的無功補償和電壓控制技術有調節發電機出力，投切無功補償設備，調節變壓器分接頭、投退線路、轉移負荷、改變交直流功率分配等措施調節發電機出力和變壓器分接頭的手段適合用于大型用電企業中。

1.1 發電機調壓技術的特點

在所有無功電源設備中，發電機不需要額外投資，且調節快速、平滑，是最基本的無功電源設備。對于有自備電廠的企業，充分利用發電機的無功調節能力，可以減少其它無功設備的需求，節省投資。發電機有功輸出由原動機輸出容量確定，其功率限制由原動機功率極限和并列運行時的穩定性決定，發電機無功功率則由勵磁電流確定。正常運行時，發電機發出無功為正（滯相），無功功率限制由電樞電流或勵磁電流極限決定；當勵磁電流減小時，電樞端部的局部發熱極限和并列運行的穩定性成為限制條件。涉及并列運行的穩定性時，電廠需要與電網進行協調。

1.2 低壓無功補償設備調壓特點

無功補償包括并聯補償和串聯補償，也可以分為有源補償和無源補償。傳統的低壓無功補償設備主要包括并聯電容器組、并聯電抗器組和調相機等。投切并聯電容器組是提供無功和電壓支撐最成熟的方法。并聯電容器組的局限性主要是：并聯電容器產生的無功正比于電壓的平方，在系統低壓期間的無功輸出會快速下降，因此在一個大量使用并聯電容器補償的系統中，電壓調節能力反而變差。由于投切次數的限制，難以實現電壓的快速調節。并聯電抗器的特點和并聯電容器類似。

電容器補償方案可分為三種：高壓集中補償、低壓分組補償和低壓就地補償。其中就地補償效果最好，但涉及布點較多，可控性不佳，電容器安裝總量比其它兩種方式要大，電容器利用率低。高壓集中補償和低壓分組補償的電容器容量相對較小，利用率也高，且能補償變壓器自身的無功損耗，實際應用中應結合具體情況進行選擇。同步調相機又稱同步補償機，在過勵狀態時從電網汲取相位超前于電壓的電流，從而改善電網的功率因數。同步調相機的運行維護費用高，損耗也比較大，發熱嚴重，現在使用已經越來越少，一般僅用于為HVDC系統提供無功支撐，防止電壓的大幅度偏移。

1.3 變壓器分接頭調壓技術的特點

變壓器分接頭的調整方式有兩種：無載調整和有載調整。變壓器本身不是無功電源，但是它能夠改變無功在電網中的分布，影響范圍大，因此，用電企業需要與電網進行協調。將變壓器分接頭所在側稱為低壓側，電力系統側稱為高壓側。為了提高高壓側電壓或降低低壓側電壓，同時減少從高壓側注入低壓側的無功功率，可以下調分接頭；反之，為了提高低壓側電壓或降低高壓側電壓，同時增大從高壓側注入低壓側的無功功率，可以上調分接頭。當分接頭上調時，高壓側電壓如下降，可能導致系統無功損耗增加。為防止這種情況發生，分接頭的變化必須與投切電容器或電抗器相配合。如果擾動使得變壓器兩側電壓都下降，則應投入并聯無功設備，而不是調整變壓器分接頭。對于并聯無功補償較多或含有較多對電壓敏感負荷的電網，變壓器分接頭帶負荷自動調整往往有利于電壓穩定，對功率因數較高的負荷，效果尤其明顯。但是，在含有較多對電壓敏感負荷或缺少無功電源的電網中，這也是導致電壓不穩定的一個重要原因。因此，是否投入自動調整分接頭，需要進行具體分析。為保證用戶受電端電壓質量和降低線損，220kV及以下電網電壓的調整一般采用逆調壓方式。當發電廠、變電站的母線電壓超出允許偏差范圍時，首先應按無功分層分區就地平衡的原則，優先考慮在負荷側調整無功補償，其次是調節發電機的無功出力。若電壓質量仍不符合要求時，再選擇調整相應的有載調壓變壓器的分接頭。

2 理論分析

為了說明變壓器分接頭調整對變壓器電壓的影響,先分析變壓器的基本調壓特性。圖1(a)是兩個電壓等級網絡通過變壓器連接而成的等值網絡圖,圖1(b)是變壓器用阻抗表示的等值網絡圖。

圖1 通過變壓器連接的等值網絡

圖中各參數都用標么值表示，其中ZT為變壓器的短路阻抗，ZA，ZB分別為網絡A,B側的等值阻抗，k為變壓器變比的標么值，

由于變壓器的變比k總是接近于1,當k>1時,Z1≤0為容性,Z2≥0為感性;當k<1時,Z1≥0為感性,Z2≤0為容性。Z1和Z2的符號總是相反,相當于在變壓器的一側放置并聯電容器,另一側放置并聯電抗器。前者向系統送出感性無功,后者從系統吸收感性無功。改變變壓器變比k,實質上就是改變Z1和Z2的符號與大小,從而影響變壓器兩側系統無功潮流分布和變壓器兩側電壓。變壓器分接頭調整對兩側電壓的影響與其兩側系統的短路容量及負荷的無功電壓特性有關。一般而言,系統的短路容量越小,變壓器變比調整時電壓的變化越大;反之,短路容量越大,變壓器變比調整時電壓的變化越小。由于異步電動機在電力系統中占很大比重,因此電力系統綜合無功功率與電壓直接相關,隨電壓升高負荷消耗的無功功率相應增加,電壓降低時負荷消耗的無功功率則減少。另一方面,線路充電功率及投切容性、感性的無功補償設備隨電壓的平方呈正比變化,無功功率損耗隨電壓的平方呈反比變化,因此電壓上升結果的總趨勢是使電網上消耗的總無功功率減少。由于無功電壓這種非線性關系,很難用代數式來直接表示變壓器調整對主變各側電壓及無功分布的影響,一般通過定量的計算來分析。

3 結束語

電網無功電壓的優化調節是保證電網安全、優質、經濟運行的重要措施,在電網運行中,通過對變壓器分接頭的合理調整可使無功配置設備有效的發揮作用,對提高電網的無功電壓水平具有重要意義。為了做到在各種運行方式下、各種潮流變化下都能實現分層、分區、分散無功功率的平衡和電壓的優化運行,提高電網運行的可靠性,建議廣西電網500kV降壓變采用有載調壓方式,通過合理調整變壓器分接頭并配合其他無功電壓調節手段來保證電網的安全、優質、經濟運行,充分發揮廣西電網在南方電網中的電壓支撐作用。

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