220kV变电站装设110kV并联电容器成套装置的研究

李小龙，刘新刚

(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

220kV变电站装设110kV并联电容器成套装置的研究

李小龙，刘新刚

(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

随着电网的发展，电网无功补偿不免存在匮乏的情况，但是受到区域电网网架、电压等级以及容量的限制，部分特殊变电站内无法在常规电压等级装设电容器组来补偿容性无功，需在高电压等级安装大容量电容器组来保证网架的稳定。本文结合实际项目，经过对系统网架的分析、计算后实现了一批在220kV变电站装设110kV高压并联电容器成套装置的实际项目，为今后高压并联电容器组的推广、应用打下了良好的基础。

无功补偿装置；高压并联电容器；成套装置；吉尔吉斯南部电网。

1　概述

并联电容器装置的作用主要是向电网提供容性无功从而减少电网的有功损耗和提高电网电压。随着交流系统容量的扩大，电压等级的提高和输电距离的增加，无功补偿技术和补偿设备也有很快的发展，高电压等级无功补偿装置开始推广应用。国外110kV无功补偿技术应用起步早，运行经验丰富，所带来社会经济效益显著。在国内，目前仅有几座特高压系统1000kV变电站的第三绕组装有110kV并联电容器。在220kV变电站110kV侧配置高压并联电容器成套装置的情况，国内只有“唐山市220kV迁安变电站”一例。

本文结合吉尔吉斯斯坦南部电网改善项目实际工程，展开110kV高压并联电容器组成套装置的方式、方法研究，实现220kV变电站110kV侧装设高压并联电容器组成套装置的应用。

2　系统计算，确定方案

吉尔吉斯国家南部电网整体设备较为落后，随着负荷增长迅猛，需对电网整体网架进行改造，其110kV已成为电网220kV变电站主要负荷侧，系统电压支撑、稳定的要求相应提高。吉尔吉斯斯坦电网负荷主要以农业负荷和居民用电负荷为主，工业负荷相对较少，电网最大负荷出现在冬季，主要是因为冬季采暖。吉尔吉斯电网2008年～2010年逐月最大负荷情况见表1；吉尔吉斯斯坦南部电网2008年～2010年220kV变电站最低电压情况见图1。

表1　2008年～2010年吉尔吉斯南部电网逐月最大负荷情况 (单位：MW)

图1　吉尔吉斯斯坦南部电网220kV变电站最低电压情况图

从图1可以看出，吉尔吉斯南部电网中220kV阿莱变电站和220kV艾古利塔什变电站电压明显偏低于正常值110kV，艾古利塔什变电站最低电压仅为95kV。此外，吉尔吉斯斯坦南部电网2008年～2010年220kV变电站最大负荷情况见图2。

图2　吉尔吉斯斯坦南部电网220kV变电站最大负荷情况图

从图2可以看出，吉尔吉斯南部电网中的220kV变电站负荷呈现出冬天大，夏天小的特点，尤其以乌兹洛瓦亚220kV变电站和十月220kV变电站最为明显，这主要是冬季电采暖负荷明显增加原因导致。另外，从表1吉尔吉斯南部电网2008年～2010年的负荷变化状态来看，南部电网中的负荷增长率较为缓慢，这是因为南部区域负荷主要以农灌和居民用电为主，工业用电相对较少。

采用中国电科院《电力系统分析综合程序》，选择吉尔吉斯斯坦电网与乌兹别克斯坦220kV联网方式下的冬大方式，以及吉尔吉斯斯坦电网与乌兹别克斯坦220kV断开方式下的冬大和夏小三种典型方式进行潮流计算。通过潮流计算，南部电网中的各220kV变电站无功补偿见表2，从表2中看出吉尔吉斯南部电网中各220kV变电站需要的无功补偿在40 Mvar至120 Mvar之间。

表2　南部电网中各220kV变电站容性无功补偿(单位：Mvar)

3　装设110成套装置的必要性

目前吉尔吉斯斯坦南部电网无功补偿装置仅使用在110kV变电站变压器第三圈(10kV电压等级侧)，采用这种无功补偿方式存在以下较突出的问题：

(1)110kV变电站变压器第三圈没有出线负荷或出线负荷小，造成系统虽然缺无功，但由于变压器第三圈电压过低，10kV电容器组无法有效补偿110kV侧所需无功容量，从而造成区域层面电压质量不合格和无功潮流不平衡问题。

(2)不能满足国标GB50227—2008《并联电容器装置设计规范》规定：“高压并联电容器装置宜装设在变压器主要负荷侧。”的要求，同时在变压器第三圈(10kV侧)配置并联电容器，受限于额定电流的限制，并联电容器组单组容量不能过大。

(3)在变压器第三圈存在出线的情况下，由于变压器中压侧与低压侧间穿越阻抗较大，第三圈的无功容量很难补偿到中压侧。同时，系统无功潮流穿越变压器，增大了变压器负载率，增加了变压器损耗。

根据对吉尔吉斯斯坦南部电网不同补偿方式投资比较，在四座枢纽220kV变电站的110kV侧集中装设较大容量无功补偿设备，比整体在南部电网中所有需装设无功补偿设备的110kV及以上变电站低压侧装设无功补偿设备投资低，运行可靠。

因此，为解决上述问题，最可行的方案就是在以上4个220kV变电站110kV电压侧装设110kV高压并联电容器成套装置，以满足项目需求。

4　成套装置参数确定

4.1额定电压的选择

根据国家电网公司《高压并联电容器装置技术标准》，电容器和电容器元件的工频稳态过电压和相应的运行时间应符合表3的规定。

表3　电容器和电容器元件的工频稳态过电压和运行时间

计及串联电抗器的影响，电容器组额定线电压UCN按式(1)确定：

式中：USN为电容器长期工频电压； α为串联电抗器电抗率。

根据以上规定及公式，考虑电容器长期工频电压为额定电压的1.05倍，则长期运行电压取115.5kV，计及串联电抗器的影响，电容器额度线电压UCN如下：α为6%时，UCN为122.87kV；α为12%时，UCN为131.25kV。

4.2额定容量的选择

以吉尔吉斯斯坦南部电网改造工程为例，根据系统运行要求，需保证系统在最高运行电压126kV先装置输出到系统的无功容量QSN不大于40 Mvar。并联电容器额定容量的选取应归算至长期运行电压下的容量，并考虑串联电抗器的无功损耗，电容器组的额定容量QCN按下式确定：

根据上式，可知，电容器组的额定容量QCN如下：α为6%时，QCN为35.76 Mvar；α为12%时，QCN为38.19 Mvar。

4.3算例分析

通过对系统数据计算和仿真实验，以乌兹洛瓦亚220kV变电站为例，110kV主要负荷侧宜配置容量为3×40 Mvar110kV高压并联电容器成套装置。为保证110kV高压并联电容器成套装置安全运行，并考虑无功补偿容量输出问题，电容器成套装置相电压宜选择为78kV，单台电容器额定电压宜选择为6.5～6.6kV，配套串联电抗器考虑系统谐波问题宜选择6%和12%两种电抗率。按规范取值计算后确定高压并联电容器成套装置参数如下：

(1) 型号：TBB110-40000/556AQW。

(2) 最高工作电压：126kV。

(3) 装置额定电压：110kV。

(4) 装置额定容量：40032kVa。

(5) 额定电抗率：6、12%两种。

(6) 额定电容：8.026，7.063μF。

(7) 装置接线方式：单星双桥，每相电容器串并联数：2并12串。

(8) 电容器内部故障保护方式：双桥差不平衡电流保护。

由于110kV高压并联电容器装设在110kV母线，可根据变电站110kV母线的接线形式选择电气主接线。本文中提到的乌兹洛瓦亚220kV变电站110kV侧位双母线接线，因此根据以上高压并联电容器成套装置参数，确定一组110kV高压并联电容器组电气接线见图3。

图3　一组110kV高压并联电容器组电气接线图

5　布置方案

根据乌兹洛瓦亚220kV变电站110kV配电装置区情况，因站区位置限制，110kV母线仅能向东南方向扩建4个间隔，间隔宽度9 m，因此设计3组电容器组并排布置见图4。在经过校验安全距离后确定了电容器组围栏尺寸：长15.5 m×宽13.5 m×高1.8 m，进线方向为围栏宽方向，构架式装置的电容器按层布置。

6　结论

通过本次吉尔吉斯斯坦南部电网整体网架改造中对220kV变电站装设110kV高压并联电容器组装置的研究与应用，不仅提高了吉尔吉斯斯坦南部电网的运行水平和技术水平，更为系统网架提供了更加强有力的无功支撑，有效减少系统无功潮流流动，而且为在国内外推广110kV高压并联电容器组提供了宝贵的经验。

[1] 戈东方．电力工程电气设计手册(电气一次部分)[M]．北京：中国电力出版社，1996．

[2] 电力工业部电力规划设计总院．电力系统设计手册[M]．北京：中国电力出版社，1998．

图4　110kV高压并联电容器组布置图

[3] 蓝毓俊．现代城市电网规划设计与建设改造[M]．北京：中国电力出版社，2004．

[4] 宋森，等．并联电容器装置技术及应用[M]．北京：中国电力出版社，2011．

[5] Ronan E R，Sudhoff S D，Glover S F，etal．A power electronic-based distribution transformer[J]．IEEE Trans on Power Delivery，2002，17(2)．

[6] 吴祎琼，等．1000kV变电站主变110kV侧并联电容器装置的参数选择[J]．电网技术，2009，33(10)．

The Research and Application of Installation of 110kV Capacitor Bank Equipment at 220kV Substation

LI Xiao-long, LIU Xin-gang
(China Energy Engineering Group Xinjiang Electric Power Design Institute Co.,Ltd, Urumqi 830002, China)

With the development of the grid, the presence of reactive power compensation inevitable scarcity situation,but by the regional grid grid, limiting the voltage level and capacity within some special substation capacitor bank can not be installed in a conventional voltage level to compensate for capacitive power, need to install large-capacity capacitor bank at a high voltage level to ensure the stability of the grid. In this paper, the actual project, after analysis of the grid system, the realization of a number of computing in the installation of 110kV Substation 220kV high voltage shunt capacitor sets the device practical projects for the future promotion of high voltage shunt capacitor banks, the application has laid a good foundation.

reactive power compensation device; high voltage shunt capacitor; complete sets of epuipment; the Kyrgyz southern grid.

TM63

B

1671-9913(2016)05-0067-05

2016-04-28

李小龙(1982- )，男，乌鲁木齐人，工程师，主要从事输变电电气设计及研究工作。