淺析變電站系統阻抗對站內無功補償的影響

秦正斌

（湖南送變電勘察設計咨詢有限公司，湖南長沙410114）

0 引言

隨著電力系統的不斷發展，電力網絡結構不斷加強，各級變電站系統阻抗總體上呈減小趨勢，而變電站系統阻抗直接影響站內電氣設備的參數的選擇，直接關系到電網運行的安全穩定性和建設的經濟性。變電站內合理的無功補償，不僅能保證電壓質量，提高設備的供電能力，降低電網中的功率損失和電能損失，而且可以提高電力系統運行的穩定性和安全性，因而具有較好的經濟效益。因此，分析系統阻抗對變電站內無功補償的影響，對于保障電網安全、經濟運行具有實際意義。

1 系統阻抗對站內無功補償總量的影響

目前，220 kV及以下電壓等級的變電站中，根據需要配置無功補償設備，其容量可按主變容量的0.10～0.30確定；330 kV及以上電壓等級的變電站，無功補償容量可按主變壓器容量的0.10～0.20配置或經計算確定。無功補償總容量的確定主要考慮滿足調相調壓計算的最低容量需求，還需用補償主變滿載時的無功損耗作為校驗。

系統阻抗大小直接決定變電站各電壓等級短路水平，繼而影響變電站內主變壓器、限流電抗器等消耗無功的電氣設備選擇，具體影響較為明顯，可由以下算例分析說明。

如圖1所示，某市一商業區規劃建設220 kV變電站A，主要供帶城市核心城區的商業負荷，同時作為城區110 kV站點電源支撐點，其推薦接入系統方式為采用雙回220 kV架空線路從220 kV變電站A出線至500 kV變電站B，變電站采用220 kV/110 kV/10 kV三個電壓等級出線。

圖1 變電站接線示意圖

2025年，A站220 kV母線側系統正序、零序阻抗分別為0.013 264、0.016 827；中低壓側正序和零序均為無窮大。選用常規變壓器時，阻抗電壓為：U12=14%，U13=23%，U23=8%，遠期正常運行時低壓側10 kV短路電流高達85.73 kA，遠遠超過現有10 kV斷路器設備的開斷能力，需通過選擇高阻抗變壓器或主變低壓10 kV出線回路增加限流電抗器限制短路電流。考慮變電站A為戶內GIS布置型式，限流電抗器戶內布置占地較大，綜合經濟性較差，變電站A變壓器最終選用高阻抗變壓器，阻抗電壓為：U12=14%，U13=64%，U23=49%。

設定變電站A單臺主變滿載時110 kV側、10 kV側分別供帶負荷為160 MVA、80 MVA，假定各側功率因數均為0.95，電力系統綜合分析程序PSASP7.0計算無功損耗為：

（1）選用高阻抗變壓器，阻抗電壓為U12=14%，U13=64%，U23=49%時，單臺主變滿載無功損耗約為55 Mvar。

（2）若變電站A系統短路阻抗相對較小，可選用常規變壓器，阻抗電壓為U12=14%，U13=23%，U23=8%時，單臺主變滿載無功損耗約為40 Mvar。

根據算例計算結果，高阻抗變壓器滿載無功損耗明顯高于常規變壓器，直接增加了變電站無功補償校驗的總容量。由上算例基本可得出結論，在變電站中低壓側外部電網結構相同的情況下，若變電站高壓側系統阻抗偏大，可選擇常規設備，主變無功損耗相對較少；系統阻抗偏小時，主變選擇高阻抗變壓器（或者選擇低壓側串聯限流電抗器），變電站無功損耗相對較多。變電站總的無功補償容量也就相應需要進行調整。

2 系統阻抗對站內單組無功裝置容量的影響

在實際的無功補償過程中，低壓側電容或電抗的選擇是一個十分重要的問題，如果選擇的容量過小，則起不到很好的補償作用；若容量選擇過大，存在過補償問題。無功補償設備的配置應按照“全面規劃、合理布局、分級補償、就地補償”的原則，要把降損和電壓控制、集中補償與分散補償相結合，以就地平衡為主，最大限度體現無功補償的經濟、技術效益。

系統阻抗對單組無功裝置容量的影響主要受限于變電站總體無功的配置和建設的經濟性（盡量減少組數），單組容量的配置影響主要涉及諧波水平和電壓波動兩個指標，其中對諧波水平的影響主要由下文式（1）體現，對電壓波動的影響由式（2）體現。

式中，Qcx為發生n次諧波諧振的無功容量（Mvar）；SD為無功裝置安裝處母線短路容量（MVA）；n為諧波次數，即諧波頻率與電網基波頻率之比；K為電抗率。

由式（1）知，針對確定的電抗率和諧波頻率，變電站諧振容量直接與短路容量正相關，即與變電站系統短路阻抗成反比。

式中，ΔU%為無功裝置安裝處母線電壓波動率；SD為無功裝置安裝處母線短路容量（MVA）；Q為投切單組無功裝置的容量（Mvar）。

從式（2）可以看出，母線的電壓波動率與投切電容的容量成正比，與母線三相短路容量成反比。根據Q/GDW 212—2008《電力系統無功補償配置技術原則》要求，投切最大單組無功補償設備時所在母線電壓波動不宜超過2.5%，變電站內電容器單組容量不宜過大。由此，部分系統短路阻抗較小、短路容量較大的變電站單組無功補償裝置容量可適當放大；反之亦然，系統短路阻抗較大的變電站，單組無功補償裝置容量需減小。

3 結論

本文通過對220 kV變電站無功補償的計算分析，并參照相關技術原則，通過擬定的主變無功損耗計算，有針對性地對系統短路阻抗對變電站無功補償的影響進行了定性的分析，可以得出以下一般性結論：

（1）系統短路阻抗大小直接關系到變電站內主變壓器等消耗無功的電氣設備選擇，既而影響站內無功補償總容量的配置，具體表現在各側供帶負荷一定情況下，高阻抗變壓器滿載時無功損耗相對較高，站內無功補償總量需求更高。

（2）站內短路電流在合理范圍內，且滿足母線電壓波動要求時，站內單組無功裝置的容量與系統阻抗大小成反比。

（3）在確定諧波次數和無功補償裝置電抗率的情況下，發生諧振的無功補償容量與系統阻抗大小成反比，分組無功裝置的組合應避開相應的諧振容量。

本文不足之處在于未能深入結合各地電網實際情況、規程要求以及典型設備參數，定量分析系統阻抗與站內無功補償配置的關系，適應性相對廣泛而不夠清晰具體。

[1]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.

[2]何仰贊，溫增銀.電力系統分析[M].3版.武漢：華中科技大學出版社，2010.

[3]電力系統無功補償配置技術原則：Q/GDW 212—2008[S].

[4]電能質量 電壓波動和閃變：GB/T 12326—2008[S].