220kV變電站裝設110kV并聯電容器成套裝置的研究

李小龍，劉新剛

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

220kV變電站裝設110kV并聯電容器成套裝置的研究

李小龍，劉新剛

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

隨著電網的發展，電網無功補償不免存在匱乏的情況，但是受到區域電網網架、電壓等級以及容量的限制，部分特殊變電站內無法在常規電壓等級裝設電容器組來補償容性無功，需在高電壓等級安裝大容量電容器組來保證網架的穩定。本文結合實際項目，經過對系統網架的分析、計算后實現了一批在220kV變電站裝設110kV高壓并聯電容器成套裝置的實際項目，為今后高壓并聯電容器組的推廣、應用打下了良好的基礎。

無功補償裝置；高壓并聯電容器；成套裝置；吉爾吉斯南部電網。

1　概述

并聯電容器裝置的作用主要是向電網提供容性無功從而減少電網的有功損耗和提高電網電壓。隨著交流系統容量的擴大，電壓等級的提高和輸電距離的增加，無功補償技術和補償設備也有很快的發展，高電壓等級無功補償裝置開始推廣應用。國外110kV無功補償技術應用起步早，運行經驗豐富，所帶來社會經濟效益顯著。在國內，目前僅有幾座特高壓系統1000kV變電站的第三繞組裝有110kV并聯電容器。在220kV變電站110kV側配置高壓并聯電容器成套裝置的情況，國內只有“唐山市220kV遷安變電站”一例。

本文結合吉爾吉斯斯坦南部電網改善項目實際工程，展開110kV高壓并聯電容器組成套裝置的方式、方法研究，實現220kV變電站110kV側裝設高壓并聯電容器組成套裝置的應用。

2　系統計算，確定方案

吉爾吉斯國家南部電網整體設備較為落后，隨著負荷增長迅猛，需對電網整體網架進行改造，其110kV已成為電網220kV變電站主要負荷側，系統電壓支撐、穩定的要求相應提高。吉爾吉斯斯坦電網負荷主要以農業負荷和居民用電負荷為主，工業負荷相對較少，電網最大負荷出現在冬季，主要是因為冬季采暖。吉爾吉斯電網2008年～2010年逐月最大負荷情況見表1；吉爾吉斯斯坦南部電網2008年～2010年220kV變電站最低電壓情況見圖1。

表1　2008年～2010年吉爾吉斯南部電網逐月最大負荷情況 (單位：MW)

圖1　吉爾吉斯斯坦南部電網220kV變電站最低電壓情況圖

從圖1可以看出，吉爾吉斯南部電網中220kV阿萊變電站和220kV艾古利塔什變電站電壓明顯偏低于正常值110kV，艾古利塔什變電站最低電壓僅為95kV。此外，吉爾吉斯斯坦南部電網2008年～2010年220kV變電站最大負荷情況見圖2。

圖2　吉爾吉斯斯坦南部電網220kV變電站最大負荷情況圖

從圖2可以看出，吉爾吉斯南部電網中的220kV變電站負荷呈現出冬天大，夏天小的特點，尤其以烏茲洛瓦亞220kV變電站和十月220kV變電站最為明顯，這主要是冬季電采暖負荷明顯增加原因導致。另外，從表1吉爾吉斯南部電網2008年～2010年的負荷變化狀態來看，南部電網中的負荷增長率較為緩慢，這是因為南部區域負荷主要以農灌和居民用電為主，工業用電相對較少。

采用中國電科院《電力系統分析綜合程序》，選擇吉爾吉斯斯坦電網與烏茲別克斯坦220kV聯網方式下的冬大方式，以及吉爾吉斯斯坦電網與烏茲別克斯坦220kV斷開方式下的冬大和夏小三種典型方式進行潮流計算。通過潮流計算，南部電網中的各220kV變電站無功補償見表2，從表2中看出吉爾吉斯南部電網中各220kV變電站需要的無功補償在40 Mvar至120 Mvar之間。

表2　南部電網中各220kV變電站容性無功補償(單位：Mvar)

3　裝設110成套裝置的必要性

目前吉爾吉斯斯坦南部電網無功補償裝置僅使用在110kV變電站變壓器第三圈(10kV電壓等級側)，采用這種無功補償方式存在以下較突出的問題：

(1)110kV變電站變壓器第三圈沒有出線負荷或出線負荷小，造成系統雖然缺無功，但由于變壓器第三圈電壓過低，10kV電容器組無法有效補償110kV側所需無功容量，從而造成區域層面電壓質量不合格和無功潮流不平衡問題。

(2)不能滿足國標GB50227—2008《并聯電容器裝置設計規范》規定：“高壓并聯電容器裝置宜裝設在變壓器主要負荷側。”的要求，同時在變壓器第三圈(10kV側)配置并聯電容器，受限于額定電流的限制，并聯電容器組單組容量不能過大。

(3)在變壓器第三圈存在出線的情況下，由于變壓器中壓側與低壓側間穿越阻抗較大，第三圈的無功容量很難補償到中壓側。同時，系統無功潮流穿越變壓器，增大了變壓器負載率，增加了變壓器損耗。

根據對吉爾吉斯斯坦南部電網不同補償方式投資比較，在四座樞紐220kV變電站的110kV側集中裝設較大容量無功補償設備，比整體在南部電網中所有需裝設無功補償設備的110kV及以上變電站低壓側裝設無功補償設備投資低，運行可靠。

因此，為解決上述問題，最可行的方案就是在以上4個220kV變電站110kV電壓側裝設110kV高壓并聯電容器成套裝置，以滿足項目需求。

4　成套裝置參數確定

4.1額定電壓的選擇

根據國家電網公司《高壓并聯電容器裝置技術標準》，電容器和電容器元件的工頻穩態過電壓和相應的運行時間應符合表3的規定。

表3　電容器和電容器元件的工頻穩態過電壓和運行時間

計及串聯電抗器的影響，電容器組額定線電壓UCN按式(1)確定：

式中：USN為電容器長期工頻電壓； α為串聯電抗器電抗率。

根據以上規定及公式，考慮電容器長期工頻電壓為額定電壓的1.05倍，則長期運行電壓取115.5kV，計及串聯電抗器的影響，電容器額度線電壓UCN如下：α為6%時，UCN為122.87kV；α為12%時，UCN為131.25kV。

4.2額定容量的選擇

以吉爾吉斯斯坦南部電網改造工程為例，根據系統運行要求，需保證系統在最高運行電壓126kV先裝置輸出到系統的無功容量QSN不大于40 Mvar。并聯電容器額定容量的選取應歸算至長期運行電壓下的容量，并考慮串聯電抗器的無功損耗，電容器組的額定容量QCN按下式確定：

根據上式，可知，電容器組的額定容量QCN如下：α為6%時，QCN為35.76 Mvar；α為12%時，QCN為38.19 Mvar。

4.3算例分析

通過對系統數據計算和仿真實驗，以烏茲洛瓦亞220kV變電站為例，110kV主要負荷側宜配置容量為3×40 Mvar110kV高壓并聯電容器成套裝置。為保證110kV高壓并聯電容器成套裝置安全運行，并考慮無功補償容量輸出問題，電容器成套裝置相電壓宜選擇為78kV，單臺電容器額定電壓宜選擇為6.5～6.6kV，配套串聯電抗器考慮系統諧波問題宜選擇6%和12%兩種電抗率。按規范取值計算后確定高壓并聯電容器成套裝置參數如下：

(1) 型號：TBB110-40000/556AQW。

(2) 最高工作電壓：126kV。

(3) 裝置額定電壓：110kV。

(4) 裝置額定容量：40032kVa。

(5) 額定電抗率：6、12%兩種。

(6) 額定電容：8.026，7.063μF。

(7) 裝置接線方式：單星雙橋，每相電容器串并聯數：2并12串。

(8) 電容器內部故障保護方式：雙橋差不平衡電流保護。

由于110kV高壓并聯電容器裝設在110kV母線，可根據變電站110kV母線的接線形式選擇電氣主接線。本文中提到的烏茲洛瓦亞220kV變電站110kV側位雙母線接線，因此根據以上高壓并聯電容器成套裝置參數，確定一組110kV高壓并聯電容器組電氣接線見圖3。

圖3　一組110kV高壓并聯電容器組電氣接線圖

5　布置方案

根據烏茲洛瓦亞220kV變電站110kV配電裝置區情況，因站區位置限制，110kV母線僅能向東南方向擴建4個間隔，間隔寬度9 m，因此設計3組電容器組并排布置見圖4。在經過校驗安全距離后確定了電容器組圍欄尺寸：長15.5 m×寬13.5 m×高1.8 m，進線方向為圍欄寬方向，構架式裝置的電容器按層布置。

6　結論

通過本次吉爾吉斯斯坦南部電網整體網架改造中對220kV變電站裝設110kV高壓并聯電容器組裝置的研究與應用，不僅提高了吉爾吉斯斯坦南部電網的運行水平和技術水平，更為系統網架提供了更加強有力的無功支撐，有效減少系統無功潮流流動，而且為在國內外推廣110kV高壓并聯電容器組提供了寶貴的經驗。

[1] 戈東方．電力工程電氣設計手冊(電氣一次部分)[M]．北京：中國電力出版社，1996．

[2] 電力工業部電力規劃設計總院．電力系統設計手冊[M]．北京：中國電力出版社，1998．

圖4　110kV高壓并聯電容器組布置圖

[3] 藍毓俊．現代城市電網規劃設計與建設改造[M]．北京：中國電力出版社，2004．

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[5] Ronan E R，Sudhoff S D，Glover S F，etal．A power electronic-based distribution transformer[J]．IEEE Trans on Power Delivery，2002，17(2)．

[6] 吳祎瓊，等．1000kV變電站主變110kV側并聯電容器裝置的參數選擇[J]．電網技術，2009，33(10)．

The Research and Application of Installation of 110kV Capacitor Bank Equipment at 220kV Substation

LI Xiao-long, LIU Xin-gang
(China Energy Engineering Group Xinjiang Electric Power Design Institute Co.,Ltd, Urumqi 830002, China)

With the development of the grid, the presence of reactive power compensation inevitable scarcity situation,but by the regional grid grid, limiting the voltage level and capacity within some special substation capacitor bank can not be installed in a conventional voltage level to compensate for capacitive power, need to install large-capacity capacitor bank at a high voltage level to ensure the stability of the grid. In this paper, the actual project, after analysis of the grid system, the realization of a number of computing in the installation of 110kV Substation 220kV high voltage shunt capacitor sets the device practical projects for the future promotion of high voltage shunt capacitor banks, the application has laid a good foundation.

reactive power compensation device; high voltage shunt capacitor; complete sets of epuipment; the Kyrgyz southern grid.

TM63

B

1671-9913(2016)05-0067-05

2016-04-28

李小龍(1982- )，男，烏魯木齊人，工程師，主要從事輸變電電氣設計及研究工作。