感性無功補(bǔ)償在超高壓電網(wǎng)的應(yīng)用分析

袁桂鳳

內(nèi)蒙古呼和浩特市金川開發(fā)區(qū)內(nèi)蒙古超高壓供電局，內(nèi)蒙古呼和浩特 010080

感性無功補(bǔ)償在超高壓電網(wǎng)的應(yīng)用分析

袁桂鳳

內(nèi)蒙古呼和浩特市金川開發(fā)區(qū)內(nèi)蒙古超高壓供電局，內(nèi)蒙古呼和浩特 010080

在500kV超高壓電網(wǎng)中，由于電壓等級(jí)高，輸電線路長(zhǎng)，其分布電容對(duì)無功功率平衡有較大的影響。無功功率的產(chǎn)生基本沒有損耗，而無功功率沿著電力網(wǎng)的傳輸卻會(huì)引起較大有功功率損耗和電壓損耗，故無功功率不宜長(zhǎng)距離輸送。所以，一般在500kV變電站在變電站裝設(shè)高、低壓并聯(lián)電抗器，來滿足無功功率的就地平衡，控制系統(tǒng)電壓，使其平衡在系統(tǒng)額定電壓運(yùn)行水平，以保證電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

超高壓電網(wǎng)；感性無功補(bǔ)償；電壓質(zhì)量

0 引言

在高壓配電網(wǎng)中，電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中需向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等容性無功補(bǔ)償設(shè)備以后，可以提供感性負(fù)載所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供、由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是容性無功補(bǔ)償。隨著超高壓電網(wǎng)的建立和發(fā)展，感性無功補(bǔ)償技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng)用。在超高壓系統(tǒng)中，除發(fā)電機(jī)是無功功率的電源外，輸電線路的電容也產(chǎn)生很大的容性功率。大量容性充電功率的存在，使超高壓電網(wǎng)產(chǎn)生諸多問題，這就必須通過加裝電抗器來進(jìn)行感性無功補(bǔ)償。

1 感性無功補(bǔ)償設(shè)備的配置及補(bǔ)償原則

超高壓電網(wǎng)中裝設(shè)并聯(lián)電抗器進(jìn)行感性無功補(bǔ)償，主要是用來吸收線路充電功率。并聯(lián)電抗器的主要作用是降低長(zhǎng)線路空載或者輕載時(shí)的線路末端升高的電壓。其大概機(jī)理是：長(zhǎng)線路空載或者輕載時(shí)，線路的對(duì)地電容和相間電容在線路上起到了主導(dǎo)作用，產(chǎn)生了容升效應(yīng)，從而使線路末端電壓升高。這里，講述一下對(duì)容升效應(yīng)的理解：電容在線路上，吸收容性無功，相當(dāng)于提供感性無功，以此和“電力系統(tǒng)缺感性無功時(shí)電壓下降，發(fā)電機(jī)發(fā)出感性無功以維持電壓平衡”的機(jī)理保持一致。而并聯(lián)電抗器來吸收這種情況下過剩的感性無功，達(dá)到降低電壓的作用。在內(nèi)蒙古500kV超高壓電網(wǎng)中并聯(lián)抗器主要裝設(shè)在35kV和500kV兩個(gè)電壓等級(jí)上，裝設(shè)于變電站主變壓器35kV側(cè)的電抗器組，通常叫低抗，一般用高壓開關(guān)進(jìn)行投切；裝設(shè)于500kV母線或線路上的高壓并聯(lián)電抗器，通常稱為高抗，母線高抗一般用開關(guān)進(jìn)行投切，而線路高抗則直接用刀閘連接在線路上，隨線路停送電。感性無功補(bǔ)償基本上按分層、分區(qū)和就地平衡原則考慮，并能隨負(fù)荷或電壓進(jìn)行調(diào)整，保證系統(tǒng)各500kV樞紐變電站的電壓在正常和事故后均能滿足規(guī)定的要求。在實(shí)際運(yùn)行中，在500kV變電站裝設(shè)的高壓并聯(lián)電抗器長(zhǎng)期投入，而裝設(shè)低壓并聯(lián)電抗器則隨系統(tǒng)需求進(jìn)行投切。

2 感性無功補(bǔ)償在電網(wǎng)中的作用

500kV高壓并聯(lián)電抗器和35kV低壓電抗器組雖然都是用來吸收充電功率，改善電壓質(zhì)量，但它們?cè)陔娋W(wǎng)中的作用卻是有區(qū)別的。

2.1 500kV高壓并聯(lián)電抗器在電網(wǎng)中的作用

1）削弱空載或輕載時(shí)長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)所引起的工頻電壓升高。

這種電壓升高是由于空載或輕載時(shí)，線路的電容電流在線路的電感上的壓降所引起的。它將使線路電壓高于電源電壓。當(dāng)愈嚴(yán)重，通常線路愈長(zhǎng)，則電容效應(yīng)愈大，工頻電壓升高也愈大。對(duì)超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路而言，空載或輕載時(shí)線路電容的充電功率是很大的，通常充電功率隨電壓的平方面急劇增加，巨大的充電功率除引起上述工頻電壓升高現(xiàn)象之外，還將增大線路的功率和電能損耗以及引起自勵(lì)磁，同期困難等問題。裝設(shè)并聯(lián)電抗器可以補(bǔ)償這部分充電功率。

2）改善沿線電壓分布和輕載線路中的無功分布并降低線損。

當(dāng)線路上傳輸?shù)墓β什坏扔谧匀还β蕰r(shí)，則沿線各點(diǎn)電壓將偏離額定值，有時(shí)甚至偏離較大，如依靠并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償，則可以仰低線路電壓得升高。

3）減少潛供電流，加速潛供電弧的熄滅，提高線路自動(dòng)重合閘的成功率。

所謂潛供電流，是指當(dāng)發(fā)生單相瞬時(shí)接地故障時(shí)，在故障相兩側(cè)斷開后，故障點(diǎn)處弧光中所存在的殘余電流。產(chǎn)生潛供電流的原因：故障相雖以被切斷電源，但由于非故障相仍帶電運(yùn)行，通過相間電容的影響，兩相對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行電容性供電；由于相間互感的影響，故障相上將被感應(yīng)出一個(gè)電勢(shì)，在此電勢(shì)的作用下通過故障點(diǎn)及相對(duì)地電容將形成一個(gè)環(huán)流，通常把上述兩部分電流的總和稱之為潛供電流。潛供電流的存在，使得系統(tǒng)發(fā)生單相瞬時(shí)接地短路處的潛供電弧不可能很快熄滅，將會(huì)影響單相自動(dòng)綜合閘的成功率。并聯(lián)電抗器的中性點(diǎn)經(jīng)小抗接地的方法來補(bǔ)償潛供電流，從而加快潛供電弧的熄滅。

綜合上述，高抗是超高壓變壓站里的重要設(shè)備，對(duì)超高壓電網(wǎng)的安全運(yùn)行起著重要作用。

2.2 35kV低壓電抗器組在電網(wǎng)中的作用

當(dāng)高抗裝設(shè)容量不足或裝設(shè)高抗有困難時(shí)，裝設(shè)低抗可以起補(bǔ)足作用。低抗通常分組裝設(shè)于超高壓變電站主變壓器的低壓側(cè)母線上，根據(jù)系統(tǒng)電壓需要進(jìn)行靈活投切，來滿足無功功率的就地平衡，使其平衡在系統(tǒng)額定電壓運(yùn)行水平。

3 感性補(bǔ)償在超高壓電網(wǎng)應(yīng)用中存在的一些問題

感性補(bǔ)償是利用高、低壓電抗器進(jìn)行的補(bǔ)償。電抗器的運(yùn)行條件非常苛刻，一旦帶電后即滿載運(yùn)行，不像變壓器，可以由空載、輕載，逐步過渡到滿載。而且，電抗器全年的運(yùn)行時(shí)間都比較長(zhǎng)，內(nèi)蒙古超高壓供電局所屬 500kV變電站里的高抗，除春、秋查外幾乎全年運(yùn)行，而低抗的年投運(yùn)時(shí)間也接近5 000h。高、低電壓抗器在設(shè)備制造、工程設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)備選型、參數(shù)確定、電氣接線、布置與安裝，以及保護(hù)、測(cè)量和控制方式諸多方面，有不少實(shí)際的問題值得注意。

1）高抗是油浸鐵心式結(jié)構(gòu)，主要由鐵心、線圈、絕緣油、油箱、瓷套管以及散熱器等組成。其電抗器工作原理主要是利用在額定電壓下線性的特點(diǎn)來吸收系統(tǒng)電容性無功。為獲得所需要的設(shè)計(jì)阻抗，使電抗器線圈能通過設(shè)計(jì)規(guī)定的電流來獲得設(shè)計(jì)容量，所以電抗器的采用有氣隙的鐵心。并聯(lián)電器的磁通主要有主磁通和漏磁通兩部分組成，而電抗器制造的最大技術(shù)難點(diǎn)在于對(duì)漏磁通的處理。在超高壓電網(wǎng)建設(shè)初期，電抗器運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)局部過熱，油樣含烴類超標(biāo)，部件被燒壞等事故，其原因均為漏磁通在部件中感應(yīng)產(chǎn)生渦流引起；有的高抗振動(dòng)和噪音過大，甚至到無法投運(yùn)的地步。近年來技術(shù)人員研究出了解決問題的各種措施，從內(nèi)蒙古超高壓供電局各個(gè)變電站高抗的運(yùn)行情況來看，質(zhì)量已經(jīng)提高；

2）并聯(lián)電抗器的無功功率取決于線路電壓。當(dāng)線路電壓為額定電壓時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電抗器無功功率為銘牌上的標(biāo)示的額定容量；當(dāng)線路電壓為最高電壓時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電抗器無功功率將高于額定容量，并與電壓的平方成正比；當(dāng)線路電壓低于額定電壓時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電抗器無功功率將低于額定容量；

3）正常時(shí)并聯(lián)電抗器鐵芯僅有一點(diǎn)接地。如果鐵芯出現(xiàn)兩點(diǎn)及多點(diǎn)接地時(shí)，則鐵芯與地之間通過兩點(diǎn)接地將產(chǎn)生環(huán)流，引起鐵芯過熱。所以，電抗器投運(yùn)前要通過解開原接地點(diǎn)后測(cè)量鐵芯是否還有接地現(xiàn)象的方法來判斷或消除兩點(diǎn)及多點(diǎn)接地；

4）電網(wǎng)中運(yùn)行的低抗有兩種產(chǎn)品：干式空心和油浸鐵心式。干式空心電抗器特具的無油結(jié)構(gòu)，杜絕了油浸電抗器漏油、易燃等缺點(diǎn)，保證了運(yùn)行安全；沒有鐵芯，不存在鐵磁飽和，電感值的線性度好；動(dòng)熱穩(wěn)定性好，能承受額定電抗率倒數(shù)倍額定電流的最大短時(shí)電流作用，而不產(chǎn)生任何熱的和機(jī)械的損傷；這些優(yōu)點(diǎn)使其在電網(wǎng)中應(yīng)用較普遍。目前內(nèi)蒙古超高壓供電局所屬變電站均使用干式空心低壓電抗器。但是，由于干式空心電抗器無鐵芯，空間存在強(qiáng)磁場(chǎng)，只要磁場(chǎng)范圍內(nèi)存在較大鐵磁物質(zhì)或閉環(huán)金屬體（如地網(wǎng)、構(gòu)架、金屬遮欄等）就會(huì)產(chǎn)生渦流，將造成金屬部件發(fā)熱，輕者造成電解損耗，重者即釀成事故。所以，要通過消除閉合的金屬環(huán)路，如遠(yuǎn)離金屬構(gòu)架，使用塑料圍欄等，來可解決這類問題，然而消除接地網(wǎng)及水泥構(gòu)件中的閉環(huán)回路比較困難。應(yīng)在安裝之前，核查安裝點(diǎn)是否存在閉環(huán)的接地網(wǎng)或含金屬閉環(huán)的水泥構(gòu)件。

總之，感性補(bǔ)償在超高壓電網(wǎng)應(yīng)用中的問題可以歸結(jié)為兩個(gè)方面：一是設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的各種異常和故障；二是工程安裝設(shè)計(jì)問題。應(yīng)通過設(shè)備優(yōu)化選型、嚴(yán)格驗(yàn)收、加強(qiáng)維護(hù)等來解決。

4 結(jié)論

電壓是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平取決于無功功率的平衡。保證用戶安全和產(chǎn)品質(zhì)量以及電氣設(shè)備的安全與使用壽命是無功補(bǔ)償與電壓調(diào)整的基本任務(wù)。

感性無功補(bǔ)償在超高壓電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，還需要更好地總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開展應(yīng)用技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理和運(yùn)行檢修方便。

[1]電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則.

[2]330～500kV變電所無功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定.

[3]付銀倉(cāng).關(guān)于戶外干式空心電抗器的設(shè)計(jì)[J].電力電容器與無功補(bǔ)償，2008(6).

TM723

A

1674-6708（2011）53-0118-02

袁桂鳳，助理工程師，主要從事500kv變電站運(yùn)行維護(hù)工作