1000 kV萬縣變電站可控高抗配置問題分析

雷 宇，肖 漢，黎 嵐

(西南電力設(shè)計(jì)院，成都市，610021)

0 引言

特高壓輸電線路的充電功率很大，每100 km的1000 kV線路的充電功率約達(dá)到530 Mvar[1-2]。為限制工頻過電壓，1000 kV線路安裝了大容量的高壓電抗器，這將導(dǎo)致線路廣義自然功率下降，輕載負(fù)荷運(yùn)行情況下線路的電壓偏高，或者重載負(fù)荷運(yùn)行情況下線路電壓偏低，為此，在變壓器的低壓側(cè)還需安裝低壓無功補(bǔ)償裝置。這樣一方面將增加無功補(bǔ)償設(shè)備的投資，另一方面由于受到變壓器低壓側(cè)繞組容量的限制，即使按最大可能配置低壓無功補(bǔ)償設(shè)備也無法適應(yīng)重載線路的無功需求[3]?？煽馗呖故墙鉀Q限制過電壓和無功調(diào)相調(diào)壓之間矛盾的有效有段之一[4]，其容量可根據(jù)線路輸送功率的大小實(shí)現(xiàn)平滑或者分級(jí)調(diào)節(jié)，在一定程度上抑制電壓在小負(fù)荷方式下過高或大負(fù)荷方式下過低，同時(shí)能在故障瞬間將容量調(diào)節(jié)至最大，限制故障引起的過電壓。但是如果全部采用可控高抗，不但成本很高，經(jīng)濟(jì)效益差，而且運(yùn)行中也沒有必要[3]。

本文結(jié)合雅安—南京北1000 kV交流特高壓工程的無功配置的研究成果，通過分析萬縣特高壓變電站容性無功補(bǔ)償容量不足的原因，就如何優(yōu)化可控高抗的配置提出解決思路。

1 雅安—南京北交流特高壓工程簡(jiǎn)介

為配合長(zhǎng)距離的西電東送，規(guī)劃于2012年建成雅安—南京北1000 kV交流特高壓輸變電工程，即從雅安途經(jīng)樂山、重慶、長(zhǎng)壽、萬縣、荊門、武漢、蕪湖、南京，至南京北雙回特高壓輸變電工程，線路全長(zhǎng)約2034 km。本期新建雅安、重慶、萬縣特高壓站，擴(kuò)建荊門、蕪湖、南京北特高壓站，新增變電容量18000 MVA，新建特高壓雙回線路6段。

遠(yuǎn)景年，隨著樂山、長(zhǎng)壽以及南京特高壓變電站的建設(shè)，雅安—重慶線路開斷∏接入樂山特高壓變電站，重慶—萬縣線路開斷∏接入長(zhǎng)壽特高壓變電站，蕪湖—南京北線路開斷∏接入南京特高壓變電站。

2 雅安—南京北全線高抗配置情況

從限制工頻過電壓和潛供電流、配置合理容量的低抗以及遠(yuǎn)期適應(yīng)性各個(gè)方面綜合比選分析，雅安—南京北全線高抗配置如表1所示。

從表1可以看出，除雅安—重慶、荊門—武漢西站址的高抗補(bǔ)償度低于70%外，其余線路的高抗補(bǔ)償度都高于70%，其中重慶—萬縣以及萬縣—荊門線路的高抗補(bǔ)償度均達(dá)到了81%。

表1 雅安—南京北全線高抗配置表Tab.1 Shunt reactor configuration of Yaan—Nanjingbei transmission line

3 萬縣變電站可控高抗需求情況

在特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)建成的初期，線路輸送功率較小，即使在高抗補(bǔ)償度較高時(shí)，線路無功也能平衡，但是隨著輸送容量的逐步增加，線路會(huì)吸收大量無功，系統(tǒng)運(yùn)行電壓下降。同時(shí)無功傳輸?shù)脑黾?，也?dǎo)致系統(tǒng)網(wǎng)損的增加，當(dāng)輸送容量達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，即使將變壓器的低壓電容全部投上，也不能滿足系統(tǒng)的無功需求[4-10]。從理論上來說，可控高抗可調(diào)節(jié)的容量應(yīng)該大于系統(tǒng)的無功缺額。

下面以雅安—南京北特高壓工程中1000 kV萬縣變電站的無功配置為例來說明關(guān)于可控高抗配置的問題。

3.1 計(jì)算的邊界條件

（1）主變通過容量。主變通過容量按1.4的容載比來考慮，即每臺(tái)3000 MVA的主變通過最大容量約為2100 MW。

主變N-1時(shí)，剩下的主變輸送容量按將正常時(shí)所有容量送出來考慮。

（2）線路傳輸?shù)挠泄β省＿h(yuǎn)景年的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參考2020年特高壓總體規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)，為校核最終規(guī)模，考慮到輸送容量的不確定性，正常方式的線路有功功率按1000 kV線路自然功率即每回線路5000 MW計(jì)算，N-1退出1回線路時(shí)按正常功率的2倍計(jì)算，即按照10 GW計(jì)算。

（3）低壓電容配置原則。低壓電容單組容量按210 Mvar考慮，每臺(tái)主變下最多能配置4組電容。

3.2 遠(yuǎn)景年萬縣變電站容性無功平衡計(jì)算

遠(yuǎn)景年與萬縣變電站相關(guān)線路的高抗配置設(shè)想如表2所示。

根據(jù)計(jì)算條件，對(duì)萬縣站遠(yuǎn)景的容性無功平衡進(jìn)行了計(jì)算，萬縣站需要的容性無功補(bǔ)償容量為主變的無功損耗以及線路的容性無功需求之和。計(jì)算分為正常方式和N-1校核方式。

表2 萬縣變電站遠(yuǎn)期高抗配置表Tab.2 Future shunt reactor configuration at Wanxian substation

（1）正常方式下萬縣特高壓變電站容性無功平衡計(jì)算。

主變無功損耗計(jì)算結(jié)果：主變?nèi)萘繛?×3000 MVA；最大變電功率為4×2100 MW；變壓器無功損耗為1176 Mvar。

正常方式下1000 kV出線無功需求計(jì)算情況如表3所示。

表3 正常方式下萬縣站1000 kV出線無功需求Tab.3 Reactive power demand of 1000 kV line at Wanxian substation（former case）

由表3計(jì)算可得，線路容性無功需求總和為3088 Mvar。

由此，萬縣站容性無功需求總值為4264 Mvar，需配置的低容為20×210 Mvar。

（2）N-1校核方式下萬縣特高壓變電站容性無功平衡計(jì)算。

主變無功損耗計(jì)算結(jié)果：主變?nèi)萘繛?×3000 MVA；最大變電功率為4×2100 MW；變壓器無功損耗為1176 Mvar。

N-1校核方式下1000 kV出線無功需求計(jì)算情況如表4所示。

由表4計(jì)算可得，線路容性無功需求總和為4902 Mvar。

由此，萬縣站容性無功需求總值為6078 Mvar，需配置的低容為29×210 Mvar。

根據(jù)計(jì)算，遠(yuǎn)景年由于萬縣特高壓站出線較多，正常方式下，為補(bǔ)償萬縣站主變和其1000 kV出線無功損耗的一半（另一半由對(duì)側(cè)變電站補(bǔ)償），需要的容性無功補(bǔ)償容量為4264 Mvar，如果低壓電容的容量按單臺(tái)210 Mvar考慮，則共需要20臺(tái)低壓電容器。如果按N-1退出萬縣—荊門1回線路的控制校核方式來計(jì)算，總共需要約6078 Mvar的容性無功補(bǔ)償，需要配置29臺(tái)低壓電容。而萬縣站4臺(tái)主變時(shí)，總共只能配置16組低容，即便將低容全部配滿，仍需要新增904 Mvar的容性補(bǔ)償容量（對(duì)應(yīng)于正常方式）和2718 Mvar的容性補(bǔ)償容量（對(duì)應(yīng)于N-1校核方式）。若采用可控高抗方案解決容性無功缺乏的問題，則可控高抗可調(diào)節(jié)容量應(yīng)大于2983 Mvar（考慮高抗實(shí)際出力與額定容量之間存在一個(gè)折算系數(shù)），而遠(yuǎn)景年萬縣站高抗配置總?cè)萘考s5400 Mvar，可控高抗可調(diào)節(jié)容量約占高抗配置總?cè)萘康?5%，單臺(tái)可控高抗的可控容量達(dá)到330 Mvar，給萬縣站的布置以及可控高抗的制造都帶來了困難。

表4 N-1校核方式萬縣站1000 kV出線無功需求Tab.4 Reactive power demand of 1000 kV line at Wanxian substation（N-1 case）

4 萬縣站容性無功補(bǔ)償設(shè)備不足的原因

造成遠(yuǎn)期萬縣特高壓變電站容性無功補(bǔ)償設(shè)備不足的原因如下：

（1）本期萬縣為開關(guān)站，重慶—萬縣—荊門線路總長(zhǎng)733 km，為了限制重慶—萬縣—荊門工頻過電壓和潛供電流，高抗補(bǔ)償度達(dá)到了81%，如表1所示。

（2）本期相關(guān)線路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，重慶—萬縣線路長(zhǎng)度為245 km，萬縣—荊門線路長(zhǎng)度為488 km，線路高抗容量主要配置在萬縣側(cè)，萬縣側(cè)配置高抗容量為2×600 Mvar和2×（2×600）Mvar。而遠(yuǎn)期萬縣變電站還將新建4回特高壓線路，分別至綿陽和陜南，線路都比較長(zhǎng)，高抗容量也很大。

（3）遠(yuǎn)期萬縣變電站為川電東送和陜電南送的樞紐變電站，進(jìn)出線路潮流很重，單回線路將達(dá)到特高壓線路自然功率，線路充電功率與線路損耗抵消，低壓電容器需補(bǔ)償線路高抗容量。如果某線路發(fā)生“N-1”，線路潮流增加1倍，則該線路無功損耗將增大4倍；如果該線路較長(zhǎng)，則需要新增較多低壓無功補(bǔ)償設(shè)備。

5 萬縣變電站可控高抗配置優(yōu)化的建議

5.1 降低初期高抗的補(bǔ)償度

由于特高壓電網(wǎng)投產(chǎn)初期線路較長(zhǎng)，充電功率較大，在滿足限制工頻過電壓和潛供電流的條件下，應(yīng)盡量選擇配置較小容量的高抗，所缺感性無功采用低抗來補(bǔ)償，從而緩和遠(yuǎn)期重載時(shí)調(diào)壓困難的問題，降低對(duì)可控高抗可調(diào)節(jié)容量的需求。萬縣變電站初期是開關(guān)站，過電壓?jiǎn)栴}十分突出，在確定高抗配置方案時(shí)，在滿足工頻過電壓和潛供電流要求（我國(guó)特高壓系統(tǒng)限制工頻過電壓需結(jié)合具體系統(tǒng)情況研究而定[7]）的基礎(chǔ)上，盡量選擇最低的高抗配置方案，本次萬縣站初期高抗配置方案是在多個(gè)配置方案中選擇的補(bǔ)償度相對(duì)最低的方案，但在工程實(shí)施前還需進(jìn)一步優(yōu)化。

5.2 調(diào)整遠(yuǎn)期高抗配置

根據(jù)規(guī)劃，重慶—萬縣線路將會(huì)在2015年左右開斷接入長(zhǎng)壽特高壓站，屆時(shí)可以將重慶—萬縣線路的萬縣側(cè)所裝2組600 Mvar高抗搬遷其中1組高抗至對(duì)側(cè)長(zhǎng)壽特高壓站，既能起到平衡每條線路無功分布的作用，同時(shí)也可以使萬縣變電站所需低抗容量從6078 Mvar減至5532 Mvar，需要配置的可控高抗的可控容量也從2983 Mvar降低為2172 Mvar，可控高抗可調(diào)節(jié)容量約占高抗配置總?cè)萘恳部蓮?5%降低為45%。如果將重慶—萬縣線路的萬縣側(cè)所裝2組600 Mvar高抗全部搬遷至長(zhǎng)壽特高壓站，則萬縣站需配置的可控高抗容量減至4985 Mvar，需要配置的可控高抗的可控容量降至1625 Mvar，可控高抗可調(diào)節(jié)容量約占高抗配置總?cè)萘康谋壤部山档蜑?9%。

5.3 優(yōu)化遠(yuǎn)期高抗配置

隨著綿陽—萬縣、萬縣—陜南線路的建成，以及長(zhǎng)壽、萬縣特高壓開關(guān)站擴(kuò)建成變電站之后，特高壓網(wǎng)絡(luò)的加強(qiáng)將使萬縣變電站相關(guān)特高壓線路過電壓和潛供電流水平大大降低，相應(yīng)線路的高抗補(bǔ)償度可以在一定程度上降低?？梢詫?duì)萬縣變電站相關(guān)線路配置高抗容量進(jìn)行優(yōu)化，如初期將高抗分組，并加裝隔離開關(guān)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)后，可以切除部分高抗容量，以達(dá)到降低可控高抗需要的可控容量。

6 結(jié)論

（1）特高壓線路充電功率大，投產(chǎn)初期為限制工頻過電壓和潛供電流所需投入的高抗容量較大，同時(shí)會(huì)造成線路潮流較重時(shí)的容性無功缺乏及調(diào)壓困難的問題?？煽馗呖故墙鉀Q限制過電壓和調(diào)相調(diào)壓矛盾的有效手段之一，但是由于制造條件的限制，可控高抗的可調(diào)節(jié)容量不可能做得太大，因此，有必要對(duì)可控高抗的配置進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

（2）對(duì)雅安—南京北1000 kV交流特高壓輸變電工程中萬縣變電站無功配置分析可以看出，由于萬縣變電站所連的1000 kV線路都較長(zhǎng)，初期高抗配置容量較大，遠(yuǎn)景年對(duì)可控高抗的可調(diào)節(jié)容量的需求達(dá)到了萬縣變電站出線側(cè)高抗總?cè)萘康?5%。

（3）在對(duì)萬縣變電站容性無功缺額進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出盡量降低初期高抗補(bǔ)償度，特別是長(zhǎng)度較短的線路（如低于200 km）過電壓?jiǎn)栴}不顯著，高抗配置度可適當(dāng)降低[3]，同時(shí)提出調(diào)整和優(yōu)化遠(yuǎn)期高抗配置的幾點(diǎn)建議以降低對(duì)可控高抗的可調(diào)節(jié)容量的需求，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]劉振亞.特高壓交流輸電技術(shù)研究成果專輯（2005年）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2]唐寅生，盛萬興，蔣凱.特高壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)和運(yùn)行方法研究[J].中國(guó)電力，2006，39（6）：22-25.

[3]廖湘凱，林富洪，隋佳音，等.一種改進(jìn)的特高壓輸電系統(tǒng)無功補(bǔ)償措施[J].中國(guó)電力教育，2008（S2）：140-143.

[4]周勤勇，郭強(qiáng)，卜廣全，等.可控電抗器在我國(guó)超/特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，27（7）：1-7.

[5]倪學(xué)鋒，林浩，盛國(guó)釗.1000 kV特高壓輸電系統(tǒng)無功補(bǔ)償若干問題[J].電力設(shè)備，2005，6（12）：28-30.

[6]鐘俊濤，安振，章海庭.超高壓可控并聯(lián)電抗器的研發(fā)及制造[J].電力設(shè)備，2006，7（12）：7-10.

[7]谷定燮，周沛洪.特高壓輸電系統(tǒng)過電壓、潛供電流和無功補(bǔ)償[J].高電壓技術(shù)，2005，31（11）：21-25.

[8]陳維賢，陳禾，魯鐵成，等.關(guān)于特高壓可控并聯(lián)電抗器[J].高電壓技術(shù)，2005，31（11）：26-27.

[9]孫昕，丁揚(yáng)，印永華，等.中國(guó)特高壓交流試驗(yàn)示范工程建設(shè)的基本原則[J].電力建設(shè)，2007，28（10）：12-16.

[10]印永華，郭強(qiáng)，張運(yùn)洲，等.特高壓同步電網(wǎng)構(gòu)建方案論證及安全性分析[J].電力建設(shè)，2007，28（2）：1-4.