220 kV高壓并聯(lián)電抗器在阿爾塔什水利樞紐工程上的應(yīng)用及探討

汪 棟

隨著新疆電網(wǎng)的快速發(fā)展，電壓等級(jí)逐步提高，輸送距離越來越長(zhǎng)，因此輸電線路對(duì)電網(wǎng)的充電效應(yīng)越來越明顯。當(dāng)電站送出線路末端輕載時(shí)，電網(wǎng)中的容性無功過剩將使線路末端電壓過高，影響用戶端電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定。根據(jù)阿爾塔什水利樞紐工程接入系統(tǒng)報(bào)告，為平衡阿爾塔什水電站送出線路自身的充電功率，本期工程需在阿爾塔什水電站220 kV母線加裝30 Mvar高壓并聯(lián)電抗器。

目前國(guó)內(nèi)330 kV及以上超高壓配電裝置的部分線路側(cè)，裝設(shè)有并聯(lián)電抗器；本電站高壓電抗器裝設(shè)在主電站內(nèi)220 kV母線上，是新疆乃至國(guó)內(nèi)比較少見的，本文就此對(duì)并聯(lián)電抗器的作用做具體分析。

1 工程概況

新疆阿爾塔什水利樞紐工程電站總裝機(jī)容量755 MW，位于喀什、克州、和田三地州中心區(qū)域，屬于喀克電網(wǎng)（又稱疆南電網(wǎng)）覆蓋范圍，其電力由南疆三地州電網(wǎng)（主要在莎車片區(qū)）消納。目前疆南電網(wǎng)供電面積覆蓋兩地州大部分地區(qū)的電網(wǎng)，已形成以750 kV電壓等級(jí)為支撐，以220 kV電壓等級(jí)電網(wǎng)為主網(wǎng)架，110 kV及以下電壓等級(jí)覆蓋的輸、配電網(wǎng)絡(luò)。

阿爾塔什水利樞紐工程具有22.51億m3水庫(kù)容量，阿爾塔什水電站建成后，基荷、腰荷和峰荷均可承擔(dān)。主電站裝機(jī)采用4臺(tái)175 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，年利用小時(shí)數(shù)2 540 h，多年平均有效發(fā)電量17.78億kW·h，發(fā)電機(jī)出口電壓為15.75 kV，每臺(tái)發(fā)電機(jī)與主變壓器采用單元接線，220 kV GIS采用雙母線接線，出線4回（其中2回至750莎車變，導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-2×400，每回長(zhǎng)約65 km；另2回出線1回至下游待建的鏨高水電站，1回備用）。生態(tài)電站裝機(jī)采用2臺(tái)27.5 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，年利用小時(shí)數(shù)7 418 h，多年平均有效發(fā)電量4.08億kW·h，發(fā)電機(jī)出口電壓為10.5 kV，每臺(tái)發(fā)電機(jī)與主變壓器采用單元接線，220 kV GIS采用單母線接線，以1回220 kV線路送至樞紐電站。

2 電站側(cè)裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器的必要性分析

根據(jù)《新疆電網(wǎng)2016年運(yùn)行方式》及《疆南電網(wǎng)2016年運(yùn)行方式》：疆南電網(wǎng)2016年底220 kV輸電線路總長(zhǎng)度為2 578 km，線路充電功率為364 Mvar，電抗器設(shè)備總?cè)萘繛?07.2 Mvar，電抗器補(bǔ)償度為57.0%。根據(jù)《新疆“十三五”主電網(wǎng)專項(xiàng)規(guī)劃》：2017—2020年，疆南電網(wǎng)預(yù)計(jì)新增220 kV線路長(zhǎng)度554 km，新增充電功率99 Mvar。疆南電網(wǎng)水電站機(jī)組通過進(jìn)相運(yùn)行可以平衡疆南電網(wǎng)盈余容性無功，使容性無功和感性無功基本平衡，滿足電網(wǎng)運(yùn)行要求。

對(duì)照表1可以看出，阿爾塔什水電站在每年大部分時(shí)間里電站出力較低，此時(shí)送出線路處于輕載狀態(tài)，線路電容產(chǎn)生的充電功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路電抗產(chǎn)生的感性無功，需采取措施來保持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。目前系統(tǒng)中可采取的措施主要有：（1）設(shè)置并聯(lián)電抗器；（2）調(diào)節(jié)變壓器分接頭位置；（3）停運(yùn)線路、主變；（4）利用發(fā)電機(jī)進(jìn)相吸收無功功率。

表1 2020年疆南電網(wǎng)阿爾塔什水電站出力過程表 MW

阿爾塔什水電站雙回送出線路容性充電功率為23.27 Mvar，阿爾塔什水電站機(jī)組均具有0.9的進(jìn)相能力，主電站單臺(tái)175 MW機(jī)組可進(jìn)相無功85 Mvar，生態(tài)電站單臺(tái)27.5 MW機(jī)組可進(jìn)相無功14 Mvar。阿爾塔什主電站機(jī)組自身的進(jìn)相能力可以平衡送出線路的產(chǎn)生的充電功率，保障阿爾塔什水電站送出線路不向主網(wǎng)輸送容性無功；在冬季最小運(yùn)行方式下，阿爾塔什水電站僅1臺(tái)27.5 MW機(jī)組出力，可能造成阿爾塔什水電站母線電壓較高，在此情況下可斷開阿爾塔什水電站1回送出線路，減小充電功率。因此，從理論上分析，阿爾塔什水電站送出線路充電功率依靠機(jī)組自身進(jìn)相能力可以基本平衡。

然而，發(fā)電機(jī)進(jìn)相是一種特殊運(yùn)行方式。在這種運(yùn)行方式下，運(yùn)行功角大，穩(wěn)定裕度小。從設(shè)備運(yùn)行角度來說，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行會(huì)引起以下問題：（1）靜態(tài)穩(wěn)定性降低；（2）發(fā)電機(jī)端部的漏磁比在正常情況下有所增加，使端部的金屬件發(fā)熱，局部溫度升高，同時(shí)端部震動(dòng)也增加。進(jìn)相深度越大，端部溫升越高；（3）廠用電電壓降低，不利于廠用設(shè)備的可靠運(yùn)行；（4）由于機(jī)端電壓降低，在輸出功率不變的情況下發(fā)電機(jī)定子電流增加，易造成過負(fù)荷。可見長(zhǎng)期保持發(fā)電機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行對(duì)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行是不利的。

電力調(diào)度部門認(rèn)為：通過電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率，操作繁瑣，要受電站制約；且為了保證送電系統(tǒng)的可靠性，調(diào)度部門對(duì)電站的運(yùn)行方式有限制要求，一般不允許斷開1回送電線路運(yùn)行。考慮到阿爾塔什電站在葉爾羌河下游河段梯級(jí)電站中的樞紐作用，所以，調(diào)度部門要求本電站高壓母線上設(shè)置高壓電抗器，不僅有利于疆南電網(wǎng)無功電壓調(diào)節(jié)，也對(duì)梯級(jí)電站機(jī)組的安全運(yùn)行起到了保障作用。

3 高壓并聯(lián)電抗器的功用

高壓并聯(lián)電抗器的功用，主要反映在以下幾個(gè)方面：

（1）削弱空載或輕負(fù)載線路中的電容效應(yīng)，降低工頻暫態(tài)過電壓，并進(jìn)而限制操作過電壓的幅值。目前電力系統(tǒng)中，線路充電功率是引起工頻過電壓的主要原因之一。在線路輸送功率較小時(shí)（特別是空載時(shí)），線路電容產(chǎn)生的充電功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路電抗產(chǎn)生的感性無功，這就造成了電網(wǎng)容性無功過剩而造成電壓升高；線路接入并聯(lián)電抗器后，由于電抗器的感性無功功率部分地補(bǔ)償了線路的容性無功功率，相當(dāng)于減小了線路的長(zhǎng)度，降低了工頻電壓升高。從線路首端看，在通常采用的欠補(bǔ)償情況下，線路首端輸入阻抗仍為容性，但數(shù)值增大，空載線路的電容電流減小，在同樣電源電抗的條件下，降低了線路首端的電壓升高。因此，并聯(lián)電抗器的接入可以同時(shí)降低線路首端和末端的工頻過電壓。由于操作過電壓的高頻振蕩分量是疊加在工頻電壓之上的，所以降低工頻電壓升高的大小能直接限制操作過電壓的幅值。

（2）改善沿線電壓分布和輕載線路中的無功分布，改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性及送電能力。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，依靠并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償，則可以抑制線路電壓的升高。

（3）有利于消除同步電機(jī)帶空載長(zhǎng)線時(shí)可能出現(xiàn)的自勵(lì)磁諧振現(xiàn)象。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載（遠(yuǎn)距離輸電線路空載或輕載運(yùn)行）時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓將會(huì)自發(fā)的建立，而不與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流相對(duì)應(yīng)（即發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁），此時(shí)系統(tǒng)電壓將會(huì)升高，通過在長(zhǎng)距離高壓輸電線路上接入并聯(lián)電抗器，可以改變線路上的發(fā)電機(jī)端點(diǎn)的出口阻抗，能有效地防止發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁。

4 高壓并聯(lián)電抗器配置

本電站根據(jù)電網(wǎng)接入系統(tǒng)要求，高壓并聯(lián)電抗器裝設(shè)在220 kV母線上，可供3回送至750莎車變的輸電線路共同使用。母線與高壓電抗器之間有斷路器，運(yùn)行比較靈活。在電站投運(yùn)初期，電站僅部分機(jī)組運(yùn)行時(shí)，線路輸送的負(fù)載比較輕，無功損耗小，高壓電抗器投入運(yùn)行可防止對(duì)側(cè)的變電站電壓過高。當(dāng)線路輸送的負(fù)載達(dá)到經(jīng)濟(jì)輸送容量時(shí)，線路的充電功率與線路的無功損失基本平衡，可以依靠母線和高壓電抗器之間的斷路器將高壓電抗器切掉，以滿足供電電壓在合理的范圍內(nèi)。阿爾塔什水電站220 kV高壓并聯(lián)電抗器布置在主電站220 kV GIS的1回進(jìn)線間隔上，其電氣接線簡(jiǎn)圖如圖1所示。

目前高壓并聯(lián)電抗器主要使用在330 kV及以上超高壓輸電線路中，本次在電站內(nèi)220 kV母線上裝設(shè)高壓電抗器，電抗器參數(shù)選擇參照DL/T 271—2012《330～500 kV油浸式并聯(lián)電抗器使用技術(shù)條件》進(jìn)行。因220 kV線路與330 kV及以上的超高壓輸電線路相差較大，如：在330 kV及以上超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路上為了提高線路輸送容量和系統(tǒng)穩(wěn)定度，往往需要采用單相快速重合閘，為了提高其動(dòng)作成功率，采用電抗器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的辦法來補(bǔ)償線路相間及相對(duì)地電容，加速潛供電弧自滅，有利于單相快速重合閘的實(shí)現(xiàn)；本電站220 kV輸電線路，為防止機(jī)組并網(wǎng)斷路器單相異常導(dǎo)通造成機(jī)組損傷，220 kV線路側(cè)斷路器采用三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，不要求完成單相重合閘操作，且本電站高壓并聯(lián)電抗器裝設(shè)在220 kV母線上，位于線路開關(guān)內(nèi)側(cè)，選擇高壓并聯(lián)電抗器時(shí)可不考慮限制潛供電流和諧振過電壓等限制，可只根據(jù)母線上連接線路充電功率的大小進(jìn)行選擇，中性點(diǎn)不需加裝小電抗。

圖1 阿爾塔什主電站高壓并聯(lián)電抗器電氣接線

目前國(guó)內(nèi)超高壓輸電線路中并聯(lián)電抗器多采用分級(jí)式可控高抗，與常規(guī)的固定補(bǔ)償式高抗的不同之處是其可根據(jù)系統(tǒng)的無功需要調(diào)節(jié)高抗的無功功率補(bǔ)償，能有效解決限制過電壓和無功調(diào)相調(diào)壓之間的矛盾。本電站220 kV送出線路較為簡(jiǎn)單，根據(jù)電站接入系統(tǒng)要求，選擇固定補(bǔ)償式高抗，阿爾塔什主電站220 kV母線側(cè)并聯(lián)電抗器參數(shù)如下：

額定容量/kvar 10 000

額定電壓/kV 242

最高運(yùn)行電壓/kV 252

額定電流/A 71.57

冷卻方式 油浸自冷（ONAN）

接線方式 三個(gè)單相電抗器連接成星形接線，中性點(diǎn)直接

額定電抗/Ω 接地1 952。

根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（電氣一次部分）查得，220 kV LGJQ-2×400的雙分裂導(dǎo)線100 km充電功率約為17.90 Mvar，本電站2回65 km長(zhǎng)電路的充電功率為：17.90×2×65/100=23.27 Mvar，如僅考慮本電站的送出線路，高壓并聯(lián)電抗器補(bǔ)償容量較線路充電功率大，處于過補(bǔ)償狀態(tài)，會(huì)造成線路的輸送能力降低。但根據(jù)“葉爾羌河下游水電站的聯(lián)合送出方案”，考慮到鏨高水電站和恰木薩水電站的計(jì)劃投產(chǎn)發(fā)電時(shí)間相差不長(zhǎng)，電站備用的1回阿爾塔什—鏨高—恰木薩—莎車750 kV變的220 kV線路約80 km長(zhǎng)，其充電功率為：17.90×80/100=14.32 Mvar，可得：

式中 QL——并聯(lián)電抗器容量，MVA；

QC——線路的充電功率，Mvar。

可見，阿爾塔什主電站220 kV母線側(cè)并聯(lián)電抗器容量可對(duì)近期建設(shè)的3級(jí)電站送出線路無功有較好的平衡作用。

5 高壓并聯(lián)電抗器設(shè)備布置

進(jìn)行電站初設(shè)階段設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)計(jì)算，電站側(cè)未配置高壓并聯(lián)電抗器。在收到《阿爾塔什水利樞紐工程接入系統(tǒng)工程接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告》要求電站側(cè)增設(shè)高壓并聯(lián)電抗器時(shí)，電站已進(jìn)入技施階段，在不增加開挖面積的前提下在電站處布置此高抗較為困難；且阿爾塔什主電站廠房布置在狹小的山區(qū)，三面環(huán)山（后邊坡坡度1∶0.5，左右側(cè)邊坡坡度1∶1.5），一面臨水，廠區(qū)邊坡高70～100 m，開挖十分困難，而且屬Ⅷ級(jí)地震烈度，為節(jié)約場(chǎng)地，4臺(tái)主變壓器均已布置在副廠房室內(nèi)（1 617.00 m高程），變壓器室上方為GIS室（1 629.00 m高程），出線布置在副廠房屋頂（1 640.90 m高程），整體機(jī)電布置相當(dāng)緊湊。經(jīng)過比選，電抗器選擇布置在進(jìn)場(chǎng)道路旁的平臺(tái)上，封閉式布置，場(chǎng)地面積約35 m×10 m。電抗器與GIS進(jìn)線間隔間通過220 kV單芯電纜連接，單根電纜長(zhǎng)度約250 m，電纜需經(jīng)金屬氧化物電纜護(hù)層保護(hù)器（CP）接地。