變電一次設(shè)計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)研究

吉 煜，馬亞楠

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司，江蘇 宿遷 223800

0 引言

隨著電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與改進(jìn)，電力資源的基本布局不斷優(yōu)化，保證了電力資源的合理分配。我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和電力工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。電力工業(yè)既是對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)安全發(fā)展的推動(dòng)力量，也是社會(huì)秩序、人民生活的根本保障。只有系統(tǒng)分析我國(guó)變電所一次設(shè)計(jì)和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀，剖析其中存在的漏洞，根據(jù)分析結(jié)果給出改善方法與對(duì)策，才能促進(jìn)我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，達(dá)到穩(wěn)定、安全發(fā)展的目標(biāo)。變電所作為我國(guó)供電系統(tǒng)中不可分割的重要環(huán)節(jié)，和我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展密不可分，是實(shí)現(xiàn)變電的重要環(huán)節(jié)[1]。文章主要研究變電所的一次設(shè)計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)，希望推進(jìn)電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

1 變電一次設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施

1.1 選擇合理的變電所位置

為了優(yōu)化變電一次設(shè)計(jì)，必須結(jié)合我國(guó)具體情況分析變電所的建設(shè)位置。建設(shè)變電所的基本原則是不影響周圍環(huán)境，同時(shí)提高設(shè)備的效率和使用壽命[2]。要合理地選擇變電所的地址，需要考慮資源和費(fèi)用的問(wèn)題，要使環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益相協(xié)調(diào)，保證變電所的使用壽命。首先，變電所的選址應(yīng)該考慮周圍的用電情況，選擇輸電輻射范圍最大的地區(qū)建設(shè)變電所，這樣可以減少輸電成本和電場(chǎng)的功率損失，從而降低電力資源傳輸過(guò)程的浪費(fèi)，提高電力資源利用率。另外，變電所選址時(shí)也需要考慮后續(xù)變電所的改建和擴(kuò)建，如果變電所對(duì)周圍環(huán)境的干擾超過(guò)允許范圍，需要對(duì)其進(jìn)行合理的改造，使其對(duì)周邊的影響最小化。

1.2 重視變電主接線的設(shè)計(jì)

在變電所的一次設(shè)計(jì)中，變電所不僅需要滿足基礎(chǔ)用電需求，而且也要最大限度地減少資源和時(shí)間成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。電能質(zhì)量與使用方式直接影響電能傳送的安全性、可靠性和電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。在設(shè)計(jì)主要電氣布線時(shí)，必須重視電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。變電所的主接線設(shè)計(jì)需充分考慮國(guó)內(nèi)的電力負(fù)荷，必須具備能夠承受最大輸入、輸出電壓和電流的回路，不會(huì)因?yàn)檫^(guò)載而導(dǎo)致傳輸出現(xiàn)問(wèn)題。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)主接線進(jìn)行調(diào)試，在運(yùn)行時(shí)搜集數(shù)據(jù)，并依據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，以免造成資源浪費(fèi)。有關(guān)部門要反復(fù)查看和維護(hù)變電所的主接線，以提高線路的使用壽命，以免發(fā)生任何問(wèn)題[3]。變電所主接線設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 變電所主接線設(shè)計(jì)圖

2 無(wú)功補(bǔ)償裝置

2.1 調(diào)相機(jī)

調(diào)相機(jī)是一種用于無(wú)功補(bǔ)償裝置的同步器，其工作原理與同步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行原理相似。在運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁可以自動(dòng)調(diào)整設(shè)備，使同步調(diào)制器根據(jù)設(shè)備發(fā)送的電壓來(lái)吸收或輸出無(wú)功功率，從而確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性。但調(diào)相機(jī)為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，其有功功率較大，同步相機(jī)容量較小，會(huì)導(dǎo)致調(diào)相機(jī)的單位容量上升。

2.2 電容

電容在無(wú)功補(bǔ)償中有著很重要的作用，其可以接受并傳遞容性功率，可以適應(yīng)感性負(fù)載電路和感性負(fù)載系統(tǒng)的需要，進(jìn)而達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。一般情況下，可以通過(guò)電容并聯(lián)提高容性負(fù)荷。在無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，使用電容可以減少經(jīng)濟(jì)投入，且裝配與調(diào)試工作相對(duì)簡(jiǎn)單、損失較少、效率較高。在目前的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，無(wú)功功率與節(jié)點(diǎn)電壓成正相關(guān)、與無(wú)功功率值成負(fù)相關(guān)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓下降、無(wú)功功率上升時(shí)，無(wú)功功率會(huì)減少，直接影響小功率設(shè)備的補(bǔ)償效率。無(wú)功補(bǔ)償電容的設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。其中，Qc為無(wú)功補(bǔ)償數(shù)值，QF為負(fù)載無(wú)功功率，QS為無(wú)功功率，QL為電抗器無(wú)功功率。

圖2 無(wú)功補(bǔ)償電容設(shè)計(jì)圖

2.3 無(wú)功補(bǔ)償用串聯(lián)電抗器

一般來(lái)說(shuō)，串聯(lián)電抗器主要用來(lái)限制短路電流，也有在濾波器中與電容器串聯(lián)或并聯(lián)用來(lái)限制電網(wǎng)中的高次諧波。無(wú)功補(bǔ)償用串聯(lián)電抗器按用途可以分為限流電抗器、濾波電抗器和抑制諧波電抗器[4]。

（1）限流電抗器。其可以降低電容器組的涌流倍數(shù)和涌流頻率，便于選擇配套設(shè)備和保護(hù)電容器。根據(jù)《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50227—95）要求應(yīng)將涌流限制在電容器額定電流的10 倍以下，為了不發(fā)生諧波放大（諧波牽引），要求串聯(lián)電抗器的伏安特性盡量為線性。

（2）串聯(lián)濾波電抗器。電抗器阻抗與電容器容抗全調(diào)諧后，組成某次諧波的交流濾波器。濾去某次高次諧波，而降低母線上該次諧波的電壓值，使線路上不存在高次諧波電流，提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

（3）抑制諧波的電抗器。使用該電抗器的先決條件是需要清楚電網(wǎng)的諧波情況，查清周圍用電戶有無(wú)大型整流設(shè)備、電弧、煉鋼等能產(chǎn)生諧波的設(shè)備，有無(wú)性能不好的高壓變壓器及高壓電機(jī)，盡可能實(shí)測(cè)一下電網(wǎng)諧波的實(shí)際量值，再根據(jù)實(shí)際諧波量來(lái)配置適當(dāng)?shù)碾娍蛊鳌?/p>

2.4 無(wú)功補(bǔ)償器

無(wú)功補(bǔ)償器在電子供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無(wú)功補(bǔ)償器在電力供電系統(tǒng)中處在一個(gè)不可缺少的非常重要的位置。無(wú)功補(bǔ)償器的主要組成部分有固定電容、可控交流電抗器、晶閘管投切電容、晶閘管投切電抗器。其中，晶閘管投切電抗器的無(wú)功補(bǔ)償機(jī)理主要是通過(guò)調(diào)整晶閘管的接觸角度，進(jìn)而調(diào)整等效電壓大小，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償輸出。然而，由于晶閘管在裝置的運(yùn)行中存在移位控制，當(dāng)發(fā)生并導(dǎo)通時(shí)，其內(nèi)部流體電流比維持電流少時(shí)才能斷開(kāi)晶閘管。因此，在每個(gè)半數(shù)的功率周期中，晶閘管只能進(jìn)行導(dǎo)通，這意味著晶閘管投切電抗器會(huì)存在延遲問(wèn)題，有一定的滯后性，從而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力產(chǎn)生一定影響。

2.5 靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器（SVG）

目前，各區(qū)域變電所一次設(shè)計(jì)中已廣泛應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，并制訂相應(yīng)的技術(shù)執(zhí)行目標(biāo)，來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的目標(biāo)。變電所采用的部件以變頻器為基礎(chǔ)，能夠適應(yīng)本地區(qū)用電客戶的用電要求，但是在長(zhǎng)期的應(yīng)用中，變電所會(huì)產(chǎn)生高次諧波傳動(dòng)，影響變電所的穩(wěn)定性，給變電所帶來(lái)安全隱患。在以往的設(shè)計(jì)中，利用集裝電容對(duì)諧波進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可以有效地抑制諧波的危害。不過(guò)，這些補(bǔ)償技術(shù)缺乏時(shí)效性，且不同的等級(jí)電容容量變化很大，變電所也無(wú)法實(shí)施精確的控制。目前，在電力行業(yè)中已廣泛應(yīng)用靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器（SVG）裝置，通過(guò)SVG 裝置調(diào)節(jié)電容容值，以達(dá)到對(duì)電容響應(yīng)的目的。

使用SVG 進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，對(duì)電力系統(tǒng)、電力設(shè)備等具有較大的積極影響。

（1）SVG 運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部線路能夠自動(dòng)改變交流電流的方向[5]。由于靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器是一種全控制裝置，其可以自由控制交流電壓的相位，也可以控制交流電壓的變化幅度與相位。

（2）靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器可以監(jiān)控功率自動(dòng)變換器；能通過(guò)調(diào)節(jié)交流電抗器中的輸出電流，實(shí)現(xiàn)功率自動(dòng)變換，并利用動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償[6]。

（3）當(dāng)使用了SVG 后，SVG 隨著負(fù)荷無(wú)功功率的變化，對(duì)無(wú)功功率做出補(bǔ)償，從而減少總線損失，提高電能的使用效率[7]。

（4）SVG 對(duì)諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，改善電力品質(zhì)。

（5）由于SVG 擁有極快的反應(yīng)速度和極高的穩(wěn)定性，對(duì)各種諧波傳動(dòng)均具有動(dòng)態(tài)監(jiān)控和補(bǔ)償功能，不會(huì)因?yàn)楣β蕝?shù)的變化而受到干擾。

3 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)建議與管理措施

電力企業(yè)要從理論上進(jìn)行分析，并根據(jù)變電所的實(shí)際情況，制定一套科學(xué)的管理規(guī)劃，提升設(shè)備的穩(wěn)定性，并根據(jù)不同的專業(yè)特征，從總體上改善變電所的穩(wěn)定性和可靠性。

（1）提高無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)計(jì)水平是提高無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)科學(xué)性的關(guān)鍵。要嚴(yán)格控制應(yīng)用于無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備，注重設(shè)備質(zhì)量，確保設(shè)備質(zhì)量能夠滿足電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)要求[8]。

（2）建立合理、科學(xué)的無(wú)功補(bǔ)償管理方案，合理劃分管理者的職責(zé)，保證各部門的工作人員能夠協(xié)調(diào)工作，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。公司要按照變電所的不同用途和建設(shè)規(guī)模，合理配置公司各個(gè)部門的任務(wù)，使公司的管理優(yōu)勢(shì)和效益得到最大程度的發(fā)揮，使變電所一次設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償特點(diǎn)和優(yōu)越性得到最大程度的實(shí)現(xiàn)，完善電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)。

（3）無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要在使用前對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。新系統(tǒng)的性能可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)預(yù)期，因此需要對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，預(yù)防安全事故的發(fā)生。同時(shí)，要注意保護(hù)新型無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的質(zhì)量和有效性，確保無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和安全性。

（4）電力企業(yè)各部門協(xié)調(diào)配合開(kāi)展無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)，嚴(yán)格把控各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。為確保無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)及時(shí)運(yùn)行，設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題和缺陷被盡快發(fā)現(xiàn)和糾正。在驗(yàn)收過(guò)程中，必須進(jìn)行多次試驗(yàn)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，提高無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)水平，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）要進(jìn)行合理的線路設(shè)計(jì)，增加電力傳輸效率，實(shí)現(xiàn)各地生產(chǎn)資源的高效利用，有效推進(jìn)社會(huì)進(jìn)步[9]。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了變電所一次設(shè)計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的有關(guān)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法。從一次設(shè)計(jì)開(kāi)始，重點(diǎn)介紹了無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的特點(diǎn)及設(shè)備的應(yīng)用流程，同時(shí)對(duì)于進(jìn)一步提高無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)計(jì)水平提出了一些建議。但是變電一次設(shè)計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)還需要進(jìn)一步發(fā)展，將各種新技術(shù)不斷應(yīng)用于變電所無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)中，不斷實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及智能化，滿足我國(guó)的能源需求，這樣會(huì)極大地促進(jìn)我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展。