地区电网电压无功分组自动控制技术研究

林其友 过云峰

1.芜湖供电公司 安徽 芜湖 241027

2.池州供电公司 安徽 池州 247000

目前电网建设与改造中无功补偿装置的配置原则主要是总量平衡，即无功装置总容量大于等于需要的最大容量。并联电容器装置补偿容量按照规程一般不超过主变容量的30%［1-2］，但在实际工作中，经常出现如下问题：规划时无功容量是平衡的，但实际运行时却因负荷变化而无法投入：一旦投入会造成低压侧电压越限［3-4］，系统中无功潮流增大，网损也随之增大。造成巨大的浪费，经过观察研究，关键问题在于：缺少优化分组。

目前，在几乎所有的无功规划中，并联电容器组都是按等容量分组的，随着无功补偿容量需求的增加，单组容量越来越大，而实际上却经常是一组也投不上，造成无功无法就地平衡，电网中无功流动不合理。对于无功规划而言，不仅容量要充足，而且需要考虑无功设备的投入特性，也就是需要有优化的分组。

当前，国内已有不少学者对电压无功控制系统进行了研究，并取得了一定的成果。包黎昕等人［5-6］对有载调压变压器对电力系统电压稳定性的影响进行了仿真分析和研究，葛维春、吴越等人［7-11］对电压动态稳定性和地区电网无功自动控制系统、软件及实现方式进行了研究与开发，张明军，赵登福等人［12-14］研制了一些自动控制调压装置和控制系统，但基本都是在原理上做了研究，投切电容器还是采用传统的断路器或接触器投切，仍然装置存在投切过电压和投切设备的寿命短的缺陷。本文在此基础上，从实际需求出发提出调压式无功分组自动调节技术，并研制了该技术的装置来解决上述问题。

无功补偿装置所用的干式空芯串联电抗器，近几年事故频发，究其主要原因是因电抗器发生了匝间短路故障。目前，国内对电抗器匝间短路的研究非常少，江少成、徐林峰等学者［15-16］对干式空心串联电抗器的事故和匝间短路进行了分析和研究，并优化了电抗器的设计。但是从实际运行的情况看，却没有可靠的保护装置来解决匝间短路故障所带来的问题。究其主要原因，由于现有的线路保护以及电容器装置的继电保护对电抗器发生匝间短路均不起作用，因此，电抗器在无保护状态下运行。加之电抗器出现事故有随机性、偶发性，故障发生不可预测，但是往往造成较大的经济损失。如果能在匝间短路形成的瞬间发现事故并及时切除故障电抗器，就可以有效的避免电抗器起火带来的损失。基于此问题，本文提出空心电抗器匝间短路保护技术方案。

1 无功分组技术方案实现原理

本文提出的地区电网调压式无功分组自动控制技术，关键是针对并联电容器无功补偿装置一次性补偿容量过大问题，对其补偿容量的分组优化。该技术的基本原理是利用电容器在无功补偿中输出的容性无功和其端电压的平方成正比的原理，电容器无功的大小与电压、频率、电容量的大小有关系。 即 Q=2πfCU2，所以，采用通过改变“U”来改变无功“Q”的输出容量。在母线上接入一个调压器，再将电容器接入调压变压器的输出端，这样就可以实现稳压、电容器端电压可调、电容器输出无功容量可调的目的。

图1 变电站电气一次系统接线图（部分）

装置中所配有的控制器可根据输入的电流、电压信号进行分析判断，发出调节主变分接头和调节调压器的输出电压的命令，以保证母线电压合格率，提高功率因数，且具有完善的电压无功补偿与电容器保护的双重作用。

图2 控制器工作原理图

电压无功综合控制原理按系统电压无功构成的九区图进行控制，电压上、下限可按GB 12325-2003标准整定，10kV系统上限UH可为10.7kV，下限UL为9.3kV；无功以功率因数为判据，按110kV变电站要求，上限COSΦH为0.98，以不向系统倒送无功功率为原则。九区图控制原理，如图3所示：

1、2、3、4、5、6、7、8 区为调节区，9 区为运行区。

图3 九区图

控制器调节原则：保证供电电压符合供电质量要求的前提下，充分调节控制无功补偿控制器，实现电网无功功率的就地平衡。

2 干式空心电抗器匝间短路保护技术方案原理

干式空心电抗器匝间短路保护技术选用探测线圈法检测交变磁场，在电抗器关于横轴对称位置安装两个磁场探测线圈检测磁场是否对称，取两者的差分信号作为判别信号，理论上当差分电压等于零时，磁场对称，干式空心电抗器处于正常状态；当差分电压不为零时，表明磁场不对称，干式空心电抗器发生了匝间短路故障。然后用一定的数学关系将磁场信号转换为电压信号，通过计算机所带的设计软件显示出来，并用软件设定合适的整定值，启动匝间短路保护装置的报警指示灯。当发生了匝间短路故障时指示灯会变红，波形图会闪烁。技术原理流程图如下：

图4 技术原理流程图

图5 探测线圈安装示意图

图6 正常态和故障态下干式空心电抗器的磁场分布

上图中的（a）、（b）分别表示在横纵坐标系下，同一个通电线圈正常状态和匝间短路状态下磁场的分布情况。正常状态下，线圈的磁场分布关于横轴对称，如图（a）所示。发生匝间短路故障时，磁场分布关于横轴不再对称，即磁场分布发生畸变，如图（b）所示。

U代表在电抗器上安装的探测线圈所感应出的差分电压，隔离变压器用来隔离电抗器和测量端，以保证测量端与电力系统互不影响，低通滤波器用来防止频谱混叠，保证采集到信号的正确性。RL和TVS共同作用来达到保护数据采集卡的目的。数据采集卡用来将经过前面元件处理的信号采集进入计算机。通过编程用计算机来实现信号处理并达到检测匝间短路的目的。

图7 硬件系统示意图

3 关键技术

1）无功分组自动控制技术

a）调压式无功分组自动调节技术可使电容器长期在额定电压及以下运行，无投切过电压和涌流问题，装置在切换过程中，调压器调压的级差较小，加之有载分接开关过渡电阻的接入及调压器自身的漏抗，几乎不产生涌流，大大减少了对系统的冲击，保证了系统的安全运行，提高了设备的使用寿命。

b）调压式无功分组自动调节技术通过改变调压器的输出电压，来改变补偿电容器的端电压，进而改变装置输出的无功功率，即可实现9档输出。利用有载分接开关调节调压器的输出电压，调节精度高，调节范围大，电压为（100～50）%电容器端电压，容量为（100～25）%电容器总容量，完全满足了因负荷变化引起的无功需求。

c）后台通讯技术：调压式无功分组自动调节技术的自动化程度高，且有完善的保护功能、数字通讯和远程维护功能，可以满足无人值班及免维护的需要。

2）电抗器匝间短路保护技术

a）探测线圈的设计技术：由于电抗器在投切瞬间，冲击电压侵入电抗器，电抗器端部遭受过电压的侵袭最严重；上端部的温度高，容易造成绝缘的热老化；由于重力效应和热对流原理，上端部干燥的速度远快于下端部。所以较之上端部，下端部更容易形成泄漏电流并产生焦耳热使得该区域形成局部干区并产生电弧，最终导致匝间短路故障。运行实践表明，干式空心电抗器匝间短路故障容易发生在端部。因此将探测线圈安装在电抗器端部有利于检测匝间短路故障。依据电抗器的准确详细参数，利用计算机辅助设计软件科学进行运算，得出合理的探测线圈参数。

b）选用软件设置整定值技术：准确地反映故障，监测故障信号。本文软件基于LabVIEW进行程编写实现信号调理、比较以及控制，人机界面友好。该软件可以实时观测感应线圈采集到的波形和记录到波形有效值随时间的变化。在电抗器监测及保护装置控制程序中设置合适的整定值，程序对采集到的差分电压信号和整定值进行比较，对电抗器内部是否存在匝间短路情况作出准确判断。下图为装置的软件界面和故障波形。

图8 软件界面

软件界面左侧有启动报警、报警置位、保存故障、最终报警按钮；下方有软件启动和中止检测任务按钮。右侧为滤波波形显示模块，故障期和发展期检测模块切换窗口。上面两个波形滤除前后的差分电压信号，左下角波形为滤波后均方根值记录波形，右下角为发展期检测信号均方根值记录。

启动软件后，根据采样信息设置相应的阈值后，启动警报。当匝间短路进入故障期或发展期时，计算机报警，由于在短时间内探测到的差分信号有效值多次超过阈值，故“警报”从绿色变为红色，波形图变红并闪烁，计算机发出刺耳的蜂鸣声，且在两个有效值记录表的相应位置出现红色标记。如图9所示。

排除故障后维护人员点击“警报置位”解除警报。

如有故障，装置报警，并发出切断开关的信号。保护装置迅速动作，给继电器跳闸信号，跳开断路器，从而将事故电抗器之路从电网中切除，避免匝间短路引起的电抗器起火事故，保证系统及其他设备安全。

图9 故障波形

4 实例介绍

本文提出的地区电网电压无功分组自动控制技术方案已在作者单位成功实践和运行。以下以芜湖供电公司110kV吉和变电站并联电容器组的实际运行情况来阐述（2013年7月份投入运行）。

1）电容器投入对母线电压影响情况

2）电容器投入无功调节情况。

3）电容器投入损坏和经济损失情况。

表3 电容器投入损坏比较

4）干式空心电抗器对电容器损坏的效益分析

干式空心电抗器匝间短路故障在线检测技术能够实时监测设备的运行状况并及早发现故障，可以避免事故扩大和次生灾害的产生，对于提高电容器成套装置运行的可靠性极具意义。干式空心电抗器匝间短路故障在线检测技术能够减少设备的离线检修次数，提高了其使用寿命。干式空心电抗器匝间短路故障在线检测技术能够为设备的维修任务提供真实可靠地决策依据，降低电网的维护费用，提高电网的运行效率。

表1 电压合格率指标统计

表2 无功调节合格率指标统计

5 结论

本文针对地区电网无功容量可调节性差和干式空心电抗器匝间短路故障的问题展开研究，提出了调压式无功分组技术和空心电抗器匝间短路保护技术。通过使用该技术的无功补偿装置，对并联电容器装置改造升级，从装置运行后的效果，可看出该技术的运用可以较大地提高地区电网的整体无功平衡和对电抗器的保护，有利于减少电容器装置的故障，节省了故障的维护费用，为供电企业带来积极的经济利益和良好的社会效益。

［1］DLT 5242-2010 35kV～220kV变电站无功补偿装置设计技术规定［S］.2010.

［2］ GB 50227-2008 并联电容器设计规范［S］.2008.

［3］GB12325-2003电能质量 供电电压允许偏差［S］.2003.

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