(1.国网天津市电力公司经济技术研究院 天津市 300000；2.国网天津市电力公司东丽供电分公司 天津市 300000)
摘要: 220kV及以下城市电网电缆线路的大规模使用导致小负荷期间感性无功补偿容量不足。对本文电网感性无功补偿的研究现状进行总结，对天津电网2014年春节小负荷期间无功电压运行情况进行研究，以天津电网为例，提出对220kV及以下城市电网感性无功补偿的建议。
关键词: 感性无功补偿; 低压电抗器; 无功电压;充电功率
A Discussion on the Inductive Reactive Compensation for City Power Grids in 220kV and Lower Voltage Grades
ZHAO Gaoshuai1, FENG Tianrui2
(1.State Grid Tianjin Econmic Research Institute, Tian jin, 300000; 2.State Grid Tianjin dongli power supply company, Tian jin, 300000)
ABSTRACT:The large-scale utilization of cables may lead to insufficient inductive reactive capacity of the city grid in 220kV and lower voltage grades.In this paper,the research status of inductive reactive power compensation is summarized, and the reactive power/voltage running condition of Tianjin electric power grid in the Spring Festival of 2014 has been researched.Suggestions about insufficient inductive reactive capacity of the city grid in 220kV and lower voltage grades are proposed at last.
KEY WORDS:inductive reactive power compensation;low-presssure shunt reactor;reactive power/voltage;charging power
0 引言
电压是电能质量的主要指标之一，无功电力是保持电压及系统稳定的必要条件。无功电力不足，系统电压将长期处于低水平运行状态，电网安全裕度低，若系统受到扰动，容易发生电压崩溃事故；无功电力过剩，又会导致系统电压偏高甚至越上限，影响系统与设备的安全运行和寿命年限[1,2]，且过多的无功备用又会导致资源浪费和资产闲置。因此，为了解决电力系统的电压质量问题，保证系统的安全经济运行，必须做好无功电源规划和建设，加强无功和电压的管理。
随着社会的迅速发展，电网和负荷呈现出一些新的特点和规律，造成小负荷期间电网无功无法分层分区就地平衡，出现了配网无功功率向上层倒送的现象[3,4]。配网无功过剩又导致电压偏高，个别严重时段更会出现电压越上限的问题，严重影响设备和电网的安全运行。而当前的感性无功补偿主要为集中在500kV上层主网的高抗，以及500kV变电站的35kV低抗，220kV 及以下地区电网变电站的低压电抗器补偿研究十分缺乏。
本文将对220kV及以下电网感性无功补偿的研究现状进行总结，对天津电网2014年春节小负荷期间无功电压运行情况进行研究，以天津电网为例，提出对城市电网感性无功补偿的建议。
1 感性无功补偿研究现状
1.1 感性无功补偿优化规划方法
当前的感性无功补偿的研究主要集中在500kV及以上的高压电网中，用以吸收高压架空线路的容性充电功率[5]。对于220kV及以下的变电站，一般都只配置电容器补偿，较少进行电抗器的规划配置，部分有进行电抗器配置的设计也仅凭经验进行，没有针对实际情况开展详细的论证工作。在理论研究方面，低压电网的感性无功补偿研究尚未成熟，相关的针对性文献数量也较少。
文献[6,7]对 220kV及以下电网感性无功补偿容量进行研究，提出“发电厂平均功率因数”的指标，来评价 220kV及以下电网在不同运行方式下感性无功容量是否充裕，文章规定此指标的合适范围，并通过这一指标可以计算出该地区电网总的感性无功补偿量。但该方法未涉及感性无功容量装设地点的选择。因此只能给出总体的指导性建议：即已知待安排的感性无功容量，结合电网中的充电功率，将可知一个平均补偿度；然后根据各变电站的出线情况，得到感性无功容量的初步分布；最后根据系统的具体特性，对方案进行调整，进而得到最终结果。
文献[3,4]指出，在负荷低谷期尤其是春节等假日，大量负荷降低导致潮流减轻，线路充电功率无法消耗，尽管采取退出所有电容器、投入并联电抗器、要求具备进相能力的电厂进相运行、不具备进行能力的机组按照要求功率因数运行等措施，仍然无法解决电压严重偏高的问题，部分220kV母线电压高达250kV，500kV母线电压高达540kV。其中的主要原因是，无功电压导则规定感性无功的平衡需考虑负荷低谷期间电压偏高的调控及平衡问题，规划设计按照导则要求主要通过对典型小方式下的无功平衡分析决定是否配备电感，没有考虑春节等特殊节假日期间的无功电压调控需要及平衡。且导则明确指出在出线为电缆或超高压线路时要配备适量的电抗器，并未考虑轻载线路的充电功率问题及普通 220kV 变电站的电抗器配备问题。
1.2 低压感性无功补偿设备
目前电网中应用的低压感性无功补偿设备主要是低压并联电抗器。其分类按照系统标称电压分为10kV、35kV和66kV；按照绝缘介质分为干式和油浸式两类；按照相数分为单相和三相两类。文献[8]给出了电网中常用低压并联电抗器的相关参数，见表1。工程设计人员选择低压电抗器时一般参照文献[8]选择。
干式空心电抗器的优点是线性好，不饱和，无油，噪音低，这使其在电网中普遍应用。但是运行经验表明，干式空心电抗器因表面绝缘材料老化及污物沉积、绝缘材料环境适应能力差等缺陷频繁出现运行故障。许多变电站发生过空心并联电抗器烧毁现象，如：青海电力公司硝湾变电站、陕西神木变电站、重庆万州局万县变电站、华北网房山变电站、徐州任庄变电站、湖南云田变电站等[9]。
油浸式并联电抗器的结构和电力变压器相似，不同的是其铁芯带有气隙, 主要由线圈、铁芯和油箱等部件组成。根据电力公司的长期运行经验，从运行稳定性、损耗、占地面积、漏磁、在线监测、全寿命运行成本等方面进行比较，油浸式电抗器均具有一定优势。
2 春节期间天津电网无功电压分析
2.1 天津电网结构
天津电网是典型的城市受电型网络。截止2014年底，天津输电网络由500kV和220kV两级组成。500kV部分构成双回环网结构，通过六座500kV站向220kV电网供电。220kV形成五个分区的供电方式，110kV及以下系统成辐射网运行。
天津电网500kV线路21回，总长度935.8公里，充电功率1038.7Mvar，500kV变电站及电厂安装高、低压电抗器容量合计1545Mvar，500kV感性无功补偿度总体为1.49，总体满足无功配置要求。
天津电网220kV电缆长度合计288公里，充电功率950.4Mvar，220kV站低压电抗器无功补偿容量合计为436Mvar，220kV感性无功补偿度总体为0.46，不满足无功配置要求。
2.2 2014年春节期间无功电压运行情况
2014年春节期间天津电网最小负荷出现在2月1日4点，总有功负荷为4896.6MW，总无功负荷为317.3Mvar，功率因数为0.998[10]。最小负荷占全年最大负荷的35%。
春节期间，由于运行部门积极应对，制定了详细的调压措施，天津电网各级电压水平控制较好，500kV电压最高524.7kV、最低515.8kV，220kV电压最高232kV、最低223.3kV。主网500kV和220kV电压都没有越限，电压合格率都为100%。
春节期间无功平衡情况：500kV层面功率因数为0.872，500kV站从500kV网受入无功648.9Mvar，500kV站电抗器吸收无功804Mvar，500kV网总体及分站都没有无功下灌220kV网，反而从220kV网吸收无功155Mvar。220kV层面功率因数-0.9996，220kV总体无功倒送，50台变压器有无功倒送，占总台数的33%，其中倒送容量在10MVar以上的有15台变，占总台数的10%。无功有倒送的变电站其本站电容器都没有投入，其所带的110kV及35kV公用站电容器100%停用。220kV电厂全部进相运行，发电力率高达-0.97，进相深度较大。
选取无功倒送容量较多的单个变电站进行无功平衡分析，以景顺路220kV变电站为例。景顺路安装主变2ⅹ180MVA，220kV无电缆线路，110kV电缆线路长度22公里，35kV电缆线路长度44公里。春节期间景顺路有功负荷17.9MW，主变负载率为10%。无功平衡如表2所示。
由表2可见，由于中低压出线电缆较多，充电功率较大，而景顺路站内并未装设低压电抗器装置，导致春节小负荷期间景顺路站单台变向220kV层面倒送无功8.6Mvar。
2.3 存在问题及原因分析
2014年春节期间天津电网整体电压水平控制较好，但无功功率过剩，存在配网无功倒送现象。造成这类现象的原因主要有以下几个：
（1）因为市容美观需要、线路走廊紧张等原因，220kV变电站高压电缆及110kV、35kV电缆线路在城市电网中的大量使用，造成电缆的充电功率增加。
（2）220kV层面缺乏统一的感性无功规划，一直都以容性补偿设备为重，忽略了感性补偿设备的配备，220 kV电网仅在高压电缆密集区配有少量并联电抗器。
（3）电网中特别是变电站内感性无功补偿不足，对于220kV出线没有高压电缆的变电站，并未考虑对其中低压出线电缆的充电功率进行补偿，难以吸收过剩的无功功率，造成配电网无功功率富余。
3 建议
随着城市电网的发展，220kV变电站及其110kV、35kV出线电缆比重逐渐加大，小负荷期间配网无功功率过剩，引起电压过高。为了有效的解决无功过剩和电压过高的问题，提高设备的可靠性和电网运行的安全性，对220kV及以下电网感性无功补偿的探索和研究十分必要和迫切。本文以天津电网为例，通过对城市电网感性无功补偿的研究分析，提出以下建议：
（1）积极开展220kV及以下电压等级电网感性无功补偿理论研究和标准化工作，为工程建设提供理论依据和技术支撑。
（2）在城市电网规划阶段加强对地区感性无功容量的统一规划，得到地区感性无功补偿的总容量和平均补偿度，考虑重大节假日等负荷低谷的调压需求，根据无功电源分布情况，在各站点配置适量的电抗器，具备足够的电压调节手段。
（3）设计阶段充分考虑220kV变电站中低压出线电缆充电功率，对于电缆出线长度尚不明确的变电站，可先预留低压电抗器位置，方便以后加装。
（4）对于现状无功倒送现象严重的局部站点，考虑进行加装低压电抗器改造工程，吸收多余容性无功，改善电压质量。
（5）厂家进一步研究和制造不同容量的低压电抗器，以适应不同感性无功补偿的需要。
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作者简介：
赵高帅（1987.4-），男，河南三门峡人，华北电力大学电力系统及其自动化硕士，工程师，单位：国网天津电力经济技术研究院，研究方向：系统规划设计技术
论文作者:赵高帅,冯天瑞,孙志国
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/12
标签：电网论文; 电压论文; 感性论文; 变电站论文; 天津论文; 电抗器论文; 低压论文; 《电力设备》2016年第14期论文;