浅析亭子口水电站无功电压运行

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪，628400)

为了电网安全稳定和经济运行，对于具有电压调节能力的发电厂，电力系统都规定了严格的电压运行曲线，以便整个系统在传递有功时维持无功平衡，确保各处电压平稳。在电力系统中，电压的稳定运行，由系统中无功的大小与性质决定。本文结合亭子口水利枢纽电站实际情况，简要分析水电站的无功电压运行以及存在的一些问题。

1 基本情况

亭子口水利枢纽位于四川省苍溪县境内，是嘉陵江上唯一的控制性水利枢纽工程，具有防洪、发电等综合功能。水库总库容40.69亿m3，枢纽电站装机4×275MW，通过500kV输电线路接入四川电网达州变电站，线路全长195km。

电力设备大多是根据电磁感应原理工作，一般纯电感或纯电容电路没有能量消耗，能量仅在负荷与电源之间往复交换，在能量转换过程中建立交变的磁场和电场。电感性设备吸收感性无功，电流矢量滞后电压矢量；电容性设备吸收容性无功，电流矢量超前电压矢量。通常情况下，整个电力系统感性和容性无功要基本一致，以便维持系统各点的规定电压。

2 影响无功电压的主要设备

发电机、主变压器和输电线路是水电站的主要设备，其它电力设施相对容量很小负载很轻，对系统无功和电压影响不大，分析中可忽略。由于电力系统是以三相交流系统为主体，三相参数相同，为便于简化计算，都用单相等值电路代替，下面先简要叙述几个主要设备的基本特性。

2.1 水轮发电机

发电机将机械能转换为电能，同时也是无功和电压调节的最主要设备。发电机定子绕组电阻相对于电抗很小，通常可以将其略去，其等值电路见图1，电势简化矢量见图2。根据图1可知，电势简化平衡方程式和发电机电势等式可分别表示为：

Uf=E0-jIfXf

E0=4.44WfΦm

式中： Uf——发电机端电压；

E0——发电机空载电势；

If——发电机定子电流；

Xf——发电机同步电抗；

W——发电机绕组匝数；

f——发电机频率；

Φm——发电机磁通。

图1 发电机等值电路图

图2 发电机电势简化矢量图

由平衡方程式和图2可知，发电机E0不变，负载电流If的大小或性质的变化，必引起Uf的变化。当功率因数cosφ和If大小变化时，要保证Uf不变的唯一措施为相应的改变E0的大小。已知E0与Φm成正比，改变Φm就可使E0发生相应的变化。Φm是反映发电机中磁场强度的参数，主要由励磁电流IL产生的主磁场和定子电流If产生的电枢反应磁场决定，因此可通过调整IL改变Φm，达到增减E0，最终维持Uf不变。图2中φ的正负，即电流If滞后或超前Uf，反映发电机向系统发出或吸收感性无功，就是我们平时说的迟相与进相运行。

总体来说，当负载变化时，由于定子线圈中的负荷电流产生的磁场和转子磁场共同形成合成磁场，由于负荷电流变化的大小和性质的不同，电枢反应磁场对转子磁场有增强(进相时)或削弱(迟相时)的作用，根据不同变化调节励磁电流，以便维持Φm，保持机端电压不变。空载时，机端电压取决于转子磁场的大小，励磁电流越大，转子磁场越强，同样转速下定子线圈中的感应电动势越高。

2.2 主变压器

水电站主变压器的作用是把电能由较低电压变化为较高电压，在长距离输送中减少能量损耗，提高传送效率。主变压器为感性设备，等值电路如图3。

图3 主变压器等值电路图

电阻RT代表变压器铜损，铜损随变压器负荷的变化而增减；电导GT是用来表示铁心有功损耗的；电抗XT消耗无功产生电压降；电纳BT代表变压器的励磁功率，只和变压器电压有关。根据图3可知，主变压器正常工作时，负荷变化会影响变压器无功损耗，损耗公式为：

△Q=Q0+Qk(Sjs/Se)2

式中： Sjs——变压器计算负荷；

Se——变压器额定容量；

Q0——变压器空载无功损耗(Ik%Se/100)，不随负载变化；

Qk——变压器短路无功损耗(Uk%Se/100)；

Ik%——变压器空载电流占额定电流的百分数；

Uk%——变压器阻抗电压占额定电压的百分数。

Qk(Sjs/Se)2随变压器计算负荷Sjs增减，无功损耗随之变化。

2.3 输电线路

超高压长距离输电线路等值电路见图4。

图4 超高压长输线路等值电路

电阻R反映线路有功功率损失效应；电导G反映绝缘介质泄漏电流等产生的有功损耗；电抗X代表线路的自感和互感，消耗感性无功，随负荷大小变化；电纳B反映带电导线周围电场效应的电容，消耗的容性无功不随负荷变化。

线路容性无功基本不随输送负荷变化，当线路输送有功功率达到某个值时，线路消耗的感性无功正好与容性无功平衡，此时输送的功率称为自然功率。当线路输送自然功率时，由于线路对地电容产生的无功与线路电抗消耗的无功相等，因此送端和受端的功率因数一致。电网负荷是随用电情况经常变化的，同一条线路，在重负荷下可呈现感性，轻负荷时则可呈容性。输送的负荷功率小于自然功率时，因为负荷性质一般均为感性，它自然可将线路多余无功吸收掉；若输电线路距离较长而负荷又较小时，负荷的感性无功不能平衡电容产生的无功，则线路容性无功对功率因数的影响就凸显出来。

3 发电机并网运行分析

水轮发电机并网运行，源源不断地向电力系统输送有功，同时向系统传送或吸纳无功。在这种运行方式下，水电站主要通过调节发电机无功，控制电压维持在合格范围内。

发电站主变是消耗感性无功的主要设备，亭子口主变参数为额定容量Se=310MVA，Ik%=0.07，Uk%=14.54，经计算，

Q0=Ik%Se/100=0.217MVar

Qk=Uk%Se/100=45.1MVar

由变压器无功消耗△Q的计算公式可知，在空载和满载区间，消耗的感性无功为0.217MVar～45.1MVar，负载越大，损耗的无功越多。

亭子口水电站输电线路长达195km，线电压为550kV，其线路参数见表1。

表1 亭子口输电线路参数测试数据

参数名称每相实测值每公里实测值电抗X1(Ω)54 14760 2776电容C1(μf)2 71090 0139

由线路等值电路图4可知，线路电纳B反映线路电容消耗的容性无功，粗略计算单相线路容性无功得：

=85.8(MVar)

假设负载为纯阻性，那么线路感抗要消耗同样的感性无功，才能维持无功平衡，保持线路首尾电压稳定，由此求得电流：

=1219(A)

这个电流差不多是亭子口水电站满载运行的电流，可见超高压长途输电线路电容效应是非常明显的。由于电网负载一般呈感性，所以超高压线路的容性无功很大部分由电网感性无功平衡。

由以上主变压器和线路的无功情况分析可知，主变压器为感性，输电线路呈容性，这两者都不能自动调节无功。用电系统通常是感性的，对于发电站来说，一般只能利用发电机来提供或消纳无功，从而达到主变、线路、用电系统无功平衡，维持电压稳定。通常情况下，用电负荷是变化的，当系统感性负荷大于容性，整个系统电压就要下降，此时增加发电机励磁电流，发电机发出感性无功，电压上升；同理，系统呈容性时，电压上升，减小发电机励磁电流，发电机吸收感性无功，电压下降。

用电负荷随不同时段变化，对于水电站来说，很多时候送出负荷很小，有些时候甚至为零。我们知道，亭子口输电线路容抗远远大于感抗，较小负荷时主变消耗的感性无功也很小，这时只能依靠发电机进相运行，吸收无功。特别是有功为零时，发电机进相运行，由于没有任何有功输出，不产生任何经济效益，还白白消耗一定的水能资源。同时，此种工况运行稳定性差，对机组设备长期安全稳定运行有较大影响。

4 倒送电运行模式

如果发电机不进相运行调压，电网通过输电线路和主变倒送电给发电站，通常水电站厂用电很小。由前述分析，4台主变压器轻载运行吸收的感性无功很小，差不多就几MVar而已，而输电线路容性无功却很大，此时容升效应非常明显，势必造成水电站电压很高，会造成设备绝缘加速老化，易发生放电击穿等现象，也会违反电网系统对电压运行曲线的规定。

在亭子口水电站，一般不推荐倒送电模式，只在倒闸或事故情况下短时运行。根据实际情况，如果全站零功率运行时间较多，也可以考虑在线路末端加装一定容量的电抗器等措施，来补偿无功，以便平衡线路电容的影响，保障倒送电时电压不会超高，从而减少发电机组纯进相运行。由于电网建设发展的需要，亭子口输电线路计划将接入其它变电站，线路长度届时会减少大半，线路参数也有较大改变，亭子口的无功电压运行会有新的变化。

5 结语

随着电力技术的发展，超特高压输电线路越来越多，加上水电站一般都位于偏远地区，输电线路普遍较长，线路的容升效应将对电站的无功电压产生前所未有的影响。由于异常电压升高对电力设备的绝缘有很大的破坏损坏，因此在水电站设计、改造以及运行维护等方面，都要充分考虑这种因素，利用各种有效办法维持无功电压的稳定。

〔1〕刘天琪，邱晓燕.电力系统分析理论.北京：科学出版社，2011.

〔2〕辜承林.电机学.武汉：华中科技大学出版社，2010.

〔3〕张植保.变压器原理与应用.北京：化学工业出版社，2009.