220kV變電站限流電抗器對(duì)無功補(bǔ)償和短路計(jì)算的影響分析

220kV變電站限流電抗器對(duì)無功補(bǔ)償和短路計(jì)算的影響分析文章指出了目前工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)短路計(jì)算、變電站無功補(bǔ)償?shù)牟缓侠碇?，遵照?guī)程規(guī)范并結(jié)合廣州地區(qū)變電站的實(shí)際，重新進(jìn)行了校核計(jì)算，計(jì)算思路、方法和建議可為實(shí)際工程提供技術(shù)參考。標(biāo)簽：主變，限流電抗器，短路計(jì)算，無功補(bǔ)償計(jì)算0前言變電站短路計(jì)算和無功補(bǔ)償計(jì)算是工程設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要電氣計(jì)算，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)電網(wǎng)主要設(shè)備如變壓器、線路等的阻抗問題已有充分認(rèn)識(shí)，而對(duì)變低短路電流限制裝置卻因?yàn)閷?duì)變電設(shè)計(jì)不甚了解而忽略，造成短路概念模糊和變電站無功計(jì)算不合理。本文根據(jù)變電站內(nèi)實(shí)際設(shè)計(jì)，對(duì)這兩大計(jì)算進(jìn)行了重新梳理計(jì)算，短路計(jì)算采用標(biāo)幺值方法，對(duì)比了限抗器安裝前后的10kV母線短路電流水平；無功補(bǔ)償采用的是有名值方法，計(jì)算結(jié)果說明以往不考慮限抗器無功損耗的做法是不合理的；此外計(jì)算過程還涉及了阻抗的歸算問題，幫助厘清有關(guān)概念。本文可供系統(tǒng)及相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)人員提供技術(shù)參考。1變電站主要設(shè)備參數(shù)1.1主變參數(shù)近年來隨著負(fù)荷增長(zhǎng)和短路電流增大，廣州地區(qū)新建的220kV變電站一般選用240MVA容量的高阻抗變壓器。這種變壓器的容量比為240/240/80MVA；電壓比為220±8x1.5%/115/10.5kV；阻抗電壓Uk1-2%=14、Uk1-3%=35、Uk2-3%=21；Uk1%=14、Uk2%=0、Uk3%=21；空載電流：I0%=0.5。1.2限抗參數(shù)為控制10kV側(cè)短路電流，在主變變低側(cè)串聯(lián)有短路電流限流裝置，近年來大多裝設(shè)的是XKK-10-4000-10電抗器，其主要參數(shù)是UN=10kV，IN=4kA，Xr%=10。根據(jù)電抗器阻抗有名值計(jì)算公式，得Xr=Xr%xUN/（寸3IN）=0.144Q。2限流電抗器對(duì)短路電流的影響若系統(tǒng)無特殊要求，一般來說廣州地區(qū)的220kV變電站一般為主變并列運(yùn)行方式，并且是高中壓側(cè)母線并列，但低壓側(cè)仍是分列運(yùn)行。本文短路電流計(jì)算采用標(biāo)幺值算法。圖1是普遍的一種變電站接線模型，假定n為并列主變臺(tái)數(shù)，中低壓母線均無電源接入，電網(wǎng)短路電流來源于220kV系統(tǒng)側(cè)。此外由于高壓電網(wǎng)中R<<X，計(jì)算時(shí)忽略R的影響。由于這種主變的阻抗X2*=0,因此變電站10kV母線短路時(shí)的等值阻抗圖可以簡(jiǎn)化為圖2所示結(jié)構(gòu)。圖1和圖2的電抗值全部為同一基準(zhǔn)容量下的標(biāo)幺值。廣州電網(wǎng)為南方電網(wǎng)的受端系統(tǒng)，可以假設(shè)220kV系統(tǒng)電源為無窮大，系統(tǒng)等效阻抗標(biāo)幺值為X220*，那么未加裝限流電抗器時(shí)10kV母線短路電流標(biāo)幺值計(jì)算公式為：加裝限流電抗器后：本文假定220kV系統(tǒng)短路電流分別取50kA（上限值）和20kA（較低值），變電站并列運(yùn)行主變臺(tái)數(shù)n最大為4,變電站主要設(shè)備參數(shù)值同前文。計(jì)算基準(zhǔn)容量SB=100MVA，基準(zhǔn)電壓U220B=230kV，U10B=10.5kV，基準(zhǔn)電流I220B=0.251kA，I10B=5.5kA，基準(zhǔn)阻抗X220B=529Q。以I220=50kA，n=2為例，各元件在基準(zhǔn)容量下的阻抗標(biāo)幺值為：由于以上變壓器阻抗已歸算至基準(zhǔn)容量下、主變一次側(cè)，因此有必要將限抗器阻抗也相應(yīng)進(jìn)行歸算，限抗器阻抗歸算至220kV側(cè)Xr220=Xr10x（U220/U10）2=0.144x（220/10）2=69.696Q，基準(zhǔn)容量對(duì)應(yīng)標(biāo)幺值Xr*=由表1計(jì)算可知，未加裝限抗情況下，主變分列I10為34.7-36.5kA，并列運(yùn)行情況下更超過42kA，且隨著n的增大而增大，大大超過廣州220kV變電站10kV斷路器31.5kA的開斷容量，因此，有必要在主變低壓側(cè)裝設(shè)限流電抗器。10kV側(cè)裝設(shè)了限流電抗器后，對(duì)10kV短路電流降低效果明顯，主變不同運(yùn)行方式下約為19?23kA，均在變電站10kV斷路器的開斷容量范圍內(nèi)。考慮到出站至用戶側(cè)的饋線尚有一定長(zhǎng)度，且10kV饋線阻抗較大，對(duì)短路電流的衰減作用較為顯著，因此，加裝限抗后基本能將10kV電網(wǎng)短路水平控制在20kA以內(nèi)，符合廣州電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)原則的要求。圖1為不考慮變電站中壓、低壓側(cè)有電源接入的情況，若電網(wǎng)中還有地方電源，則實(shí)際短路水平還要大于表1結(jié)果。盡管隨著小火電的退運(yùn)，目前廣州電網(wǎng)內(nèi)的10kV電源已不多見，但隨著國(guó)家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)支持和政策傾斜，預(yù)計(jì)氣電、光伏等類型的分布式電源接入會(huì)增多，此類電源會(huì)帶來短路電流的增大，需注意采取限制短路電流措施，如引導(dǎo)分散接入或增大限抗的阻值，避免增大10kV電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。3限流電抗器對(duì)無功補(bǔ)償計(jì)算的影響3.1計(jì)算條件1）功率因數(shù)：根據(jù)《廣州電力系統(tǒng)主網(wǎng)調(diào)度規(guī)程》要求，要求高峰負(fù)荷時(shí)220kV側(cè)＞0.98,110kV側(cè)＞0.95,10kV側(cè)＞0.9；低谷負(fù)荷時(shí)220kV側(cè)＜0.95,110kV側(cè)＜0.95，10kV側(cè)＜0.9。2） 假定變電站220kV和110kV進(jìn)出線路全部為架空線路，計(jì)算忽略線路的充電功率。3） 主變規(guī)模及負(fù)載率：3臺(tái)，最大負(fù)載率取75%。4） 高中壓側(cè)的負(fù)荷分配：廣州地區(qū)變電站10kV配電裝置的最大通流容量一般為72MVA，考慮到需滿足主變N-1要求，每臺(tái)主變負(fù)載容量一般控制在45MVA以內(nèi)。本例按每臺(tái)主變10kV側(cè)負(fù)載為45MVA，其余135MVA負(fù)載接在110kV側(cè)進(jìn)行計(jì)算。3.2計(jì)算分析為說明問題且簡(jiǎn)化起見，本文僅對(duì)負(fù)荷較高時(shí)變電站無功補(bǔ)償進(jìn)行計(jì)算，忽略電壓降落和電阻的影響。計(jì)算采用有名值算法。根據(jù)計(jì)算條件和要求，圖3所示的主變變高側(cè)流入S1為180MVA，功率因數(shù)為0.98下的無功流入Q1為35.8Mvar；盡管變壓器繞組無功損耗AQT遠(yuǎn)大于有功損耗APT而不能忽略，但由于電網(wǎng)中通過的有功遠(yuǎn)大于無功，根據(jù)計(jì)算公式可知Q值不大的變化對(duì)S值影響較小，因此工程計(jì)算中可近似認(rèn)為S1=S2+S3,因此變低側(cè)若負(fù)載容量為45MVA，繞組無功損耗遠(yuǎn)低于負(fù)載，可以近似認(rèn)為10kV母線處的負(fù)載S3-45MVA，同理S2-135MVA，計(jì)算出對(duì)應(yīng)電網(wǎng)要求的功率因數(shù)下的無功輸出Q分別為19.6Mvar和42.15Mvar。為實(shí)現(xiàn)變電站無功流入和輸出的自平衡，無功差額Q2+Q3-Q1=25.95Mvar需依靠容性無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償。此外，變壓器和限流電抗器也會(huì)造成無功損耗。根據(jù)三繞組變壓器無功損耗計(jì)算公式變電站無功補(bǔ)償目的是補(bǔ)償無功流入與輸出的差額以及無功網(wǎng)損，合計(jì)應(yīng)補(bǔ)償?shù)臒o功容量應(yīng)為QC=AQT+AQXR+（Q2+Q3-Q1）=50.7Mvar，則建議每臺(tái)主變配置不少于6組電容器組。以往工程設(shè)計(jì)中系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員因?qū)ψ冸娫O(shè)計(jì)缺乏了解而未考慮補(bǔ)償限抗的無功損耗，由本例計(jì)算可知，限抗的阻抗值是主變變低繞組的1.65倍，其無功損耗與變壓器變低、勵(lì)磁繞組無功損耗之和相當(dāng)，忽略限抗無功損耗的做法是不合理的。因此，建議變電站無功補(bǔ)償計(jì)算增加對(duì)限抗無功損耗的考慮和計(jì)算。4結(jié)束語本文對(duì)變電站分別進(jìn)行了無功補(bǔ)償和短路電流的校核計(jì)算，結(jié)果表明：1）廣州地區(qū)的新建220kV變電站，主變一般為高中并列，變低獨(dú)立運(yùn)行模式。主變是否并列運(yùn)行以及并列主變的臺(tái)數(shù)會(huì)影響10kV側(cè)短路電流水平大?。粸閷?0kV電網(wǎng)短路電流控制在20kA左右，無論主變分裂或并列運(yùn)行，以及10kV側(cè)有無電源接入均需在變電站變低加裝限制短路電流的電抗器。有分布式電源接入的電網(wǎng)，應(yīng)盡量分散接入或提高變電站10kV限抗器的阻抗值以減少對(duì)10kV電網(wǎng)的影響。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意預(yù)留串抗或分裂電抗器的位置。2）由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)變低配電設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)模糊，在變電站無功補(bǔ)償時(shí)往往未考慮限流電抗器的影響。限流電抗器串聯(lián)于變低繞組