变压器阻抗的合理选择和无功补偿分组容量优化

乐瑶　骆晓鸣

摘 要：文章分析了不同目的下主变低压侧短路电流计算运行方式的不同选择；分析了变压器阻抗与无功补偿装置单组容量和总容量的关系。并以低压侧为10 kV的220 kV变电站为例，给出了变压器阻抗选择和低压侧无功补偿分组容量选择的计算方法。

关键词：变压器阻抗；无功补偿；短路电流；分组容量

中图分类号：TM769 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）30-0082-01

对于电力系统的变电站，主变压器的阻抗选择十分重要。从减少损耗而言，希望变压器阻抗选择尽可能小；从控制短路电流水平而言，变压器阻抗又不能选得过小，短路电流的控制裕度是决定变压器阻抗的重要因素。

变压器低压侧的无功补偿装置主要作用是保证无功分层分区平衡，维持合理的电压水平。低压侧无功补偿装置有多个分组，以便在负荷发生变化，需要变更补偿容量时方便投切。无功补偿装置的分组投切与变压器分接头调节的合理配合能有效的控制系统的电压水平，保证电压偏差在合理范围。

变压器低压无功补偿装置的分组投切与变电站负荷变化不同。变电站负荷变化为有功和无功的共同变化，且有功功率变化占比较大；另一方面，负荷变化一般是渐变的过程。而低压无功补偿装置的分组投、切，功率变化是纯无功，且投切速度取决于断路器的合、分闸时间。因此无功补偿装置的自动分组投切对于系统而言，相当于无功冲击负荷，势必引起所接母线的电压波动。电压波动的大小取决于系统冲击负荷的大小和系统的短路容量大小。对于变压器低压侧而言，低压侧短路容量的大小很大程度上取决于变压器的阻抗。

因此变压器阻抗的选择和无功补偿装置的分组容量是密切相关的，是需要综合考虑的。

1 主变低压侧短路电流计算

为校验低压侧电气设备短路容量，需计算低压侧最大短路电流。应考虑变电站远景规模，并按照最大运行方式。考虑3台主变110 kV侧并列运行。

由式（3）可知，短路容量越大（对应变压器阻抗越小），可选用的无功补偿装置的单组容量也越大，对于相同的总容量，无功补偿装置分组数就越少，对应占地也越少，从而减少了整个变电站的占地，对资源的节约利用具有重要意义。

3 变压器阻抗和无功补偿总容量的关系

国家电网公司关于220 kV变电站的无功补偿，要求220 kV变电站在主变最大负荷时，其一次侧功率因数应不低于0.95，在低谷负荷时功率因数应不高于0.95。由上述规定可知，考核 220 kV变电站无功补偿容量是否合适主要是看220 kV侧功率因数。对于相同的有功功率，主要是在220 kV侧的无功功率。

式中：QL为变电站中低压侧负荷无功总和，QC为低压容性无功补偿总容量，QT为变压器总无功损耗。

变压器阻抗越大，则对应无功损耗QT也越大，由式（4）可知为达到功率因数的要求，则需要的无功补偿总容量QC越大。因此从无功补偿总容量的控制而言，在满足短路电流控制要求时，变压器的阻抗应尽可能小。

4 工程算例

某220 kV变电站电压等级为220/110/10 kV，远景规模为3×180 MVA主变，初期1台180 MVA主变。SB=100 MVA，UB=230 kV、115 kV、10.5 kV。X220最小值为0.00557，最大值为0.0100；X110最小值为0.2，最大值为0.3；10 kV短路电流要求控制在25 kA（没有考虑裕度）以下，已知变压器阻抗U12%=14（SB=180 MVA），求解合適的U13%，并选择合适的无功补偿装置分组容量。

求解：对于变压器，U12%+U23%≈U13%。则式（1）中：

X1≈U12%，X2≈0，X3≈（U13%-U12%）

对于10 kV短路电流，若留10%左右的裕度，即I10kV·max≤22.5 kA，则：

通过式（1）求得U13%≥53.09%。

通过式（2）求得I10kV·min=19.288 kA，对应SSC=350.78 MVA。

通过式（3）求得△Qi≤8.7695 Mvar。

对于10 kV短路电流，若留20%左右的裕度，即

I10kV·max≤20 kA，则：

通过式（1）求得U13%≥58.59%。

通过式（2）求得I10kV·min=17.42 kA，对应SSC=316.83 MVA。

通过式（3）求得△Qi≤7.92 Mvar。

对比目前标准化设计中的变压器阻抗和无功补偿装置的序列，对于不同的短路电流裕度，变压器阻抗和无功补偿装置的选择如下。

若要求10 kV短路电流裕度不低于10%，该变电站阻抗选择54%，无功补偿分组容量选择8 Mvar比较合适；经验算对应的10 kV短路电流最大值为22.044 kA，投切一组无功补偿装置引起所在母线电压变化为2.32%。

若要求10 kV短路电流裕度不低于20%，该变电站阻抗选择64%，无功补偿分组容量选择6 Mvar比较合适；经验算对应的10 kV短路电流最大值为18.03 kA，投切一组无功补偿装置引起所在母线电压变化为2.08%。

5 结 论

①短路电流计算时，按照最大运行方式考虑短路电流的控制要求。但进行无功补偿装置分组容量选取时，需考虑变压器正常运行小方式。

②变电站阻抗的选择需考虑短路电流和无功补偿两个方面的因素。从短路电流控制角度，希望变压器阻抗大；但从无功补偿总容量和分组容量考虑，希望变压器阻抗小。

③适当降低短路电流控制的裕度，可有效减小变压器阻抗，增加无功补偿分组容量。

参考文献：

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[2] 国电网生[2009]133文，国家电网公司电力系统电压质量和无功电力 管理规定[S].

[3] 水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册[M].北京：中国电 力出版社，1989.

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