变压器分接头对电力系统无功分布的影响

张晓峥 于起媛 任建军 王国泉

(国网北京平谷供电公司，中国 北京 101200）

0 引言

良好的电能质量是用电企业能够正常生产运行的基础。无功功率是影响电能质量尤其是电压质量的关键因素，为保证良好的电压质量和对负荷正常波动的适应性，首先必须保证用电系统无功功率的分层分区平衡，其次应该保证电压无功的高度可控和优化，这也是降低网损，节约能源的重要手段。我国电网规定，无功电压控制应该满足《电力系统电压和无功电力技术导则(试行)》(SD 325!89)的要求。为使电力系统安全可靠优质运行，电压和无功的控制应满足以下目标：

（1）所有运行设备的电压应在可接受范围内；

（2）输送的无功功率应尽量小，以提高有功输送能力，减小网损，防止突然甩负荷引起的过电压；

（3）系统应保持一定的无功备用，以保证运行的稳定裕度。

无功补偿的一般原则是在电压满足运行要求的前提下分层分区就地平衡，即尽量减少不同电压等级之间的无功流动，尽量就地补偿，以提高电压质量和对负荷变化的适应性。对于企业用电系统，合理的无功补偿直接影响到企业的经济效益。

1 无功补偿装置的特点和应用要点

常用的无功补偿和电压控制技术有调节发电机出力，投切无功补偿设备，调节变压器分接头、投退线路、转移负荷、改变交直流功率分配等措施调节发电机出力和变压器分接头的手段适合用于大型用电企业中。

1.1 发电机调压技术的特点

在所有无功电源设备中，发电机不需要额外投资，且调节快速、平滑，是最基本的无功电源设备。对于有自备电厂的企业，充分利用发电机的无功调节能力，可以减少其它无功设备的需求，节省投资。发电机有功输出由原动机输出容量确定，其功率限制由原动机功率极限和并列运行时的稳定性决定，发电机无功功率则由励磁电流确定。正常运行时，发电机发出无功为正（滞相），无功功率限制由电枢电流或励磁电流极限决定；当励磁电流减小时，电枢端部的局部发热极限和并列运行的稳定性成为限制条件。涉及并列运行的稳定性时，电厂需要与电网进行协调。

1.2 低压无功补偿设备调压特点

无功补偿包括并联补偿和串联补偿，也可以分为有源补偿和无源补偿。传统的低压无功补偿设备主要包括并联电容器组、并联电抗器组和调相机等。投切并联电容器组是提供无功和电压支撑最成熟的方法。并联电容器组的局限性主要是：并联电容器产生的无功正比于电压的平方，在系统低压期间的无功输出会快速下降，因此在一个大量使用并联电容器补偿的系统中，电压调节能力反而变差。由于投切次数的限制，难以实现电压的快速调节。并联电抗器的特点和并联电容器类似。

电容器补偿方案可分为三种：高压集中补偿、低压分组补偿和低压就地补偿。其中就地补偿效果最好，但涉及布点较多，可控性不佳，电容器安装总量比其它两种方式要大，电容器利用率低。高压集中补偿和低压分组补偿的电容器容量相对较小，利用率也高，且能补偿变压器自身的无功损耗，实际应用中应结合具体情况进行选择。同步调相机又称同步补偿机，在过励状态时从电网汲取相位超前于电压的电流，从而改善电网的功率因数。同步调相机的运行维护费用高，损耗也比较大，发热严重，现在使用已经越来越少，一般仅用于为HVDC系统提供无功支撑，防止电压的大幅度偏移。

1.3 变压器分接头调压技术的特点

变压器分接头的调整方式有两种：无载调整和有载调整。变压器本身不是无功电源，但是它能够改变无功在电网中的分布，影响范围大，因此，用电企业需要与电网进行协调。将变压器分接头所在侧称为低压侧，电力系统侧称为高压侧。为了提高高压侧电压或降低低压侧电压，同时减少从高压侧注入低压侧的无功功率，可以下调分接头；反之，为了提高低压侧电压或降低高压侧电压，同时增大从高压侧注入低压侧的无功功率，可以上调分接头。当分接头上调时，高压侧电压如下降，可能导致系统无功损耗增加。为防止这种情况发生，分接头的变化必须与投切电容器或电抗器相配合。如果扰动使得变压器两侧电压都下降，则应投入并联无功设备，而不是调整变压器分接头。对于并联无功补偿较多或含有较多对电压敏感负荷的电网，变压器分接头带负荷自动调整往往有利于电压稳定，对功率因数较高的负荷，效果尤其明显。但是，在含有较多对电压敏感负荷或缺少无功电源的电网中，这也是导致电压不稳定的一个重要原因。因此，是否投入自动调整分接头，需要进行具体分析。为保证用户受电端电压质量和降低线损，220kV及以下电网电压的调整一般采用逆调压方式。当发电厂、变电站的母线电压超出允许偏差范围时，首先应按无功分层分区就地平衡的原则，优先考虑在负荷侧调整无功补偿，其次是调节发电机的无功出力。若电压质量仍不符合要求时，再选择调整相应的有载调压变压器的分接头。

2 理论分析

为了说明变压器分接头调整对变压器电压的影响,先分析变压器的基本调压特性。图1(a)是两个电压等级网络通过变压器连接而成的等值网络图,图1(b)是变压器用阻抗表示的等值网络图。

图1 通过变压器连接的等值网络

图中各参数都用标么值表示，其中ZT为变压器的短路阻抗，ZA，ZB分别为网络A,B侧的等值阻抗，k为变压器变比的标么值，

由于变压器的变比k总是接近于1,当k>1时,Z1≤0为容性,Z2≥0为感性;当k<1时,Z1≥0为感性,Z2≤0为容性。Z1和Z2的符号总是相反,相当于在变压器的一侧放置并联电容器,另一侧放置并联电抗器。前者向系统送出感性无功,后者从系统吸收感性无功。改变变压器变比k,实质上就是改变Z1和Z2的符号与大小,从而影响变压器两侧系统无功潮流分布和变压器两侧电压。变压器分接头调整对两侧电压的影响与其两侧系统的短路容量及负荷的无功电压特性有关。一般而言,系统的短路容量越小,变压器变比调整时电压的变化越大;反之,短路容量越大,变压器变比调整时电压的变化越小。由于异步电动机在电力系统中占很大比重,因此电力系统综合无功功率与电压直接相关,随电压升高负荷消耗的无功功率相应增加,电压降低时负荷消耗的无功功率则减少。另一方面,线路充电功率及投切容性、感性的无功补偿设备随电压的平方呈正比变化,无功功率损耗随电压的平方呈反比变化,因此电压上升结果的总趋势是使电网上消耗的总无功功率减少。由于无功电压这种非线性关系,很难用代数式来直接表示变压器调整对主变各侧电压及无功分布的影响,一般通过定量的计算来分析。

3 结束语

电网无功电压的优化调节是保证电网安全、优质、经济运行的重要措施,在电网运行中,通过对变压器分接头的合理调整可使无功配置设备有效的发挥作用,对提高电网的无功电压水平具有重要意义。为了做到在各种运行方式下、各种潮流变化下都能实现分层、分区、分散无功功率的平衡和电压的优化运行,提高电网运行的可靠性,建议广西电网500kV降压变采用有载调压方式,通过合理调整变压器分接头并配合其他无功电压调节手段来保证电网的安全、优质、经济运行,充分发挥广西电网在南方电网中的电压支撑作用。

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