李小龍，劉新剛

(中國能源建設(shè)集團新疆電力設(shè)計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

220kV變電站裝設(shè)110kV并聯(lián)電容器成套裝置的研究

李小龍，劉新剛

(中國能源建設(shè)集團新疆電力設(shè)計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)無功補償不免存在匱乏的情況，但是受到區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架、電壓等級以及容量的限制，部分特殊變電站內(nèi)無法在常規(guī)電壓等級裝設(shè)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(wǎng)架的穩(wěn)定。本文結(jié)合實際項目，經(jīng)過對系統(tǒng)網(wǎng)架的分析、計算后實現(xiàn)了一批在220kV變電站裝設(shè)110kV高壓并聯(lián)電容器成套裝置的實際項目，為今后高壓并聯(lián)電容器組的推廣、應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

無功補償裝置；高壓并聯(lián)電容器；成套裝置；吉爾吉斯南部電網(wǎng)。

1　概述

并聯(lián)電容器裝置的作用主要是向電網(wǎng)提供容性無功從而減少電網(wǎng)的有功損耗和提高電網(wǎng)電壓。隨著交流系統(tǒng)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(shù)和補償設(shè)備也有很快的發(fā)展，高電壓等級無功補償裝置開始推廣應(yīng)用。國外110kV無功補償技術(shù)應(yīng)用起步早，運行經(jīng)驗豐富，所帶來社會經(jīng)濟效益顯著。在國內(nèi)，目前僅有幾座特高壓系統(tǒng)1000kV變電站的第三繞組裝有110kV并聯(lián)電容器。在220kV變電站110kV側(cè)配置高壓并聯(lián)電容器成套裝置的情況，國內(nèi)只有“唐山市220kV遷安變電站”一例。

本文結(jié)合吉爾吉斯斯坦南部電網(wǎng)改善項目實際工程，展開110kV高壓并聯(lián)電容器組成套裝置的方式、方法研究，實現(xiàn)220kV變電站110kV側(cè)裝設(shè)高壓并聯(lián)電容器組成套裝置的應(yīng)用。

2　系統(tǒng)計算，確定方案

吉爾吉斯國家南部電網(wǎng)整體設(shè)備較為落后，隨著負荷增長迅猛，需對電網(wǎng)整體網(wǎng)架進行改造，其110kV已成為電網(wǎng)220kV變電站主要負荷側(cè)，系統(tǒng)電壓支撐、穩(wěn)定的要求相應(yīng)提高。吉爾吉斯斯坦電網(wǎng)負荷主要以農(nóng)業(yè)負荷和居民用電負荷為主，工業(yè)負荷相對較少，電網(wǎng)最大負荷出現(xiàn)在冬季，主要是因為冬季采暖。吉爾吉斯電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)逐月最大負荷情況 (單位：MW)

圖1　吉爾吉斯斯坦南部電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)中的220kV變電站負荷呈現(xiàn)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?qū)е?。另外，從?吉爾吉斯南部電網(wǎng)2008年～2010年的負荷變化狀態(tài)來看，南部電網(wǎng)中的負荷增長率較為緩慢，這是因為南部區(qū)域負荷主要以農(nóng)灌和居民用電為主，工業(yè)用電相對較少。

采用中國電科院《電力系統(tǒng)分析綜合程序》，選擇吉爾吉斯斯坦電網(wǎng)與烏茲別克斯坦220kV聯(lián)網(wǎng)方式下的冬大方式，以及吉爾吉斯斯坦電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)中各220kV變電站容性無功補償(單位：Mvar)

3　裝設(shè)110成套裝置的必要性

目前吉爾吉斯斯坦南部電網(wǎng)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(cè))，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(tǒng)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(cè)所需無功容量，從而造成區(qū)域?qū)用骐妷嘿|(zhì)量不合格和無功潮流不平衡問題。

(2)不能滿足國標(biāo)GB50227—2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：“高壓并聯(lián)電容器裝置宜裝設(shè)在變壓器主要負荷側(cè)?！钡囊?，同時在變壓器第三圈(10kV側(cè))配置并聯(lián)電容器，受限于額定電流的限制，并聯(lián)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(cè)與低壓側(cè)間穿越阻抗較大，第三圈的無功容量很難補償?shù)街袎簜?cè)。同時，系統(tǒng)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(jù)對吉爾吉斯斯坦南部電網(wǎng)不同補償方式投資比較，在四座樞紐220kV變電站的110kV側(cè)集中裝設(shè)較大容量無功補償設(shè)備，比整體在南部電網(wǎng)中所有需裝設(shè)無功補償設(shè)備的110kV及以上變電站低壓側(cè)裝設(shè)無功補償設(shè)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(cè)裝設(shè)110kV高壓并聯(lián)電容器成套裝置，以滿足項目需求。

4　成套裝置參數(shù)確定

4.1額定電壓的選擇

根據(jù)國家電網(wǎng)公司《高壓并聯(lián)電容器裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，電容器和電容器元件的工頻穩(wěn)態(tài)過電壓和相應(yīng)的運行時間應(yīng)符合表3的規(guī)定。

表3　電容器和電容器元件的工頻穩(wěn)態(tài)過電壓和運行時間

計及串聯(lián)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(lián)電抗器電抗率。

根據(jù)以上規(guī)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(lián)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(wǎng)改造工程為例，根據(jù)系統(tǒng)運行要求，需保證系統(tǒng)在最高運行電壓126kV先裝置輸出到系統(tǒng)的無功容量QSN不大于40 Mvar。并聯(lián)電容器額定容量的選取應(yīng)歸算至長期運行電壓下的容量，并考慮串聯(lián)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(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)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(cè)宜配置容量為3×40 Mvar110kV高壓并聯(lián)電容器成套裝置。為保證110kV高壓并聯(lián)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(lián)電抗器考慮系統(tǒng)諧波問題宜選擇6%和12%兩種電抗率。按規(guī)范取值計算后確定高壓并聯(lián)電容器成套裝置參數(shù)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(lián)數(shù)：2并12串。

(8) 電容器內(nèi)部故障保護方式：雙橋差不平衡電流保護。

由于110kV高壓并聯(lián)電容器裝設(shè)在110kV母線，可根據(jù)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(cè)位雙母線接線，因此根據(jù)以上高壓并聯(lián)電容器成套裝置參數(shù)，確定一組110kV高壓并聯(lián)電容器組電氣接線見圖3。

圖3　一組110kV高壓并聯(lián)電容器組電氣接線圖

5　布置方案

根據(jù)烏茲洛瓦亞220kV變電站110kV配電裝置區(qū)情況，因站區(qū)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(shè)計3組電容器組并排布置見圖4。在經(jīng)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(gòu)架式裝置的電容器按層布置。

6　結(jié)論

通過本次吉爾吉斯斯坦南部電網(wǎng)整體網(wǎng)架改造中對220kV變電站裝設(shè)110kV高壓并聯(lián)電容器組裝置的研究與應(yīng)用，不僅提高了吉爾吉斯斯坦南部電網(wǎng)的運行水平和技術(shù)水平，更為系統(tǒng)網(wǎng)架提供了更加強有力的無功支撐，有效減少系統(tǒng)無功潮流流動，而且為在國內(nèi)外推廣110kV高壓并聯(lián)電容器組提供了寶貴的經(jīng)驗。

[1] 戈東方．電力工程電氣設(shè)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(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計總院．電力系統(tǒng)設(shè)計手冊[M]．北京：中國電力出版社，1998．

圖4　110kV高壓并聯(lián)電容器組布置圖

[3] 藍毓?。F(xiàn)代城市電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與建設(shè)改造[M]．北京：中國電力出版社，2004．

[4] 宋森，等．并聯(lián)電容器裝置技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：中國電力出版社，2011．

[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(cè)并聯(lián)電容器裝置的參數(shù)選擇[J]．電網(wǎng)技術(shù)，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(shè)計及研究工作。