并联电容器对电力系统无功补偿和电压调节问题的探讨

并联电容器对电力系统无功补偿及电压调节问题的探讨马文成摘要：变电站并联电容器可以对电网的无功功率进行集中补偿。通过对无功功率的合理补偿，从而达到调节电压、使系统经济和稳定运行。但在实际运行中，往往由于设计原因，无功负荷的分布不可预见性等因素导致变电站母线并联电容器不能合理的补偿无功和调节电压。下面就某站10kV母线并联电容器运行中存在的问题加以分析和探讨。关键词：并联电容器、无功补偿、电压调节某变电站电压等级为110/35/10kV，两台主变容量分别为25000kVA和20000kVA的有载调压变压器，正常时20000kVA变压器运行，另一台主变热备用，10kVⅠ、Ⅱ段母线经分段开关联成单母运行。10kVⅡ段母线装var36003600102KTBB成套电容器装置，电容器型号为：WBFFH31180023114密集型电容器，每组容量为var1800K，两组共3600varK，其额定电流为89A，串联电抗器型号为11012CKGKL的空芯电抗器，额定电抗率为1%。1运行中存在的问题该站自2000年投运以来，因10kV母线并联电容器的补偿容量不合理致使电容器不能正常投入运行，因此，10kV母线输送的无功负荷不能实现就地补偿，从而不利于电网运行的经济性和稳定性。1.1影响并联电容器投入运行的因素：1.1.1并联电容器投入时补偿容量过剩图例分析如下：25003000350040004500500055002月1月3月4月5月6月7月8月9月10月t800900100011001200700有功（kw）无功（kvar）图A10kV母线2011年平均有功、无功负荷曲线图上图数据为该站10kV母线2011年有功、无功负荷平均值，从图中可以看出，10kV母线年输送无功负荷最大值为1500varK，最小值为500varK，平均值为1000varK。若投入一组容量为var1800K的电容器时除补偿了10kV母线输送的无功负荷外，还向系统倒送无功容量800varK。按照规定，电力系统无功补偿应以分级补偿，就地平衡的原则进行，向系统倒送无功时将会引起过电压，系统稳定性受到破坏。因此，向系统倒送无功是不允许的。1.1.2并联电容器投入时对母线电压影响较大若正常运行时投入一台20000kVA的有载调压变压器时，从图A中可知10kV母线年输送有功功率最大值为6000kW，最小值为3000kW，平均值为4500kW。正常运行时，在110kV母线确保电压合格率的情况下，35kV及10kV母线通过有载调压完全可以满足各级母线电压合格率的要求。当电容器投入时，除补偿了10kV母线输送的无功功率外，还向系统倒送了大量无功。此时，变压器输出的无功功率减少，导致高压侧母线向系统输送的无功减少而电压升高。变压器中、低压侧母线电压随之相应升高，尤其低压侧母线电压升高较大，而并联电容器运行时向系统补偿的无功容量与其端电压的平方成正比，电压升高浮度越大，向系统输送的无功容量越大，如此恶性循环，可能导致电容器过电压保护动作跳闸，系统其它设备超过额定电压运行时，其绝缘受到威胁。此时，用有载调压来降低电压运行已不能满足电压合格率的要求。1.1.3并联电容器退出运行时对系统经济运行的影响变电站并联电容器投入电网的目的是为了补偿系统无功的不足，减少电源向系统输送的无功功率，从而提高有功输送容量。因电源向系统远距离输送无功负荷时，在线路及变压器等感性、容性元件及阻性元件上消耗一定的有功功率，因此，电源远距离大容量输送无功不经济。变电站采用并联电容器通过就地无功补偿，可以降低电源向系统及用户输送的无功负荷，从而提高了有功输送容量。相对于电源输送无功时，变电站并联电容器的单位容量费用最低，有功功率损耗最小（约为额定容量的0.3%～0.5%），一次性投资，运行维护简便。因此用系统减少输送的无功功率来相应的提高有功容量的输送能力，从经济性方面比较，并联电容器投资成本小，最多1～2年可收回成本。因此，获得了最好的经济效益。从以上分析可以看出，当该站并联电容器退出运行时，据查10kV母线年输送无功电能约760万度。因此，在当前负荷情况下，并联电容器退出运行最不经济。2应采取的措施针对以上分析，该站10kV母线并联电容器在电压调整、无功补偿过剩及运行经济性方面存在着相互制约的矛盾，如何解决这一问题，本人提出采取以下措施：2.1改变10kV母线并联电容器的接线方式，改造图如下：WBFFH31180023/114DK至10kV电容器柜DK至10kV电容器柜1J1G1C2C1J1C2C1G2G110/12CKGKL312712．FD630104GW630104GW5427125．．WRY310KVRSYW18531022YJLV图B改造前电容器接线图图C改造后电容器接线图图B为原接线，改造前当一组电容器投入运行时向系统输送的总无功补偿容量为CUQ21，式中：U为母线端电压，当f为工频时，为一常数，21CC，因1C和2C并联，所以21CCC，即1212CUQ。图C为改造后的接线图，总无功补偿容量为CUQ22，式中：U为母线端电压，当f为工频时，为一常数，21CC，因1C和2C串联，所以21CC，即2122CUQ。所以422121221CUCUQQ，即var)(90043600412KQQ。通过计算可知，改造后两组电容器串联后再三相并联接于电网时的总无功功率var900K。考虑到后期无功负荷的增长给补偿带来新的问题，上述改造中在实际设备上可通过如图C所示加装一组隔离开关来实现，即通过操作拉开2G隔离开关，合上1G隔离开关来实现投入无功容量var900K。后期无功负荷增长较大时，可通过操作拉开1G隔离开关，合上2G隔离开关来实现投入无功容量var1800K。2.2改变并联电容器的接线方式后对系统及各元件的影响2.2.1对系统的无功补偿情况图A中，按目前年平均输送无功负荷曲线可以看出，年平均无功输送容量为var1000K，改造后并联电容器投入电网运行时补偿的无功容量为var900K，因此，可以实现就地补偿无功的能力。对于后期无功负荷增长带来的无功补偿不足时，可通过操作1G、2G隔离开关来实现电容器无功容量在var900K与var1800K之间转换。2.2.2对电压质量的影响改造后并联电容器输送的总无功容量为改造前的一半，因此电容器投入运行时对电压的影响相对较小，当各级母线电压变化时可通过变压器有载调压装置调整电压，以及无功补偿情况投退并联电容器来调整电压。2.2.3改造后的并联电容器运行时的经济性通过无功就地平衡补偿，据查可实现年累计补偿无功负荷约760万度，相对电源系统输送无功来说，可减少网损，提高电源输送能力，最终达到经济效益最大化。2.2.4改造后对成套并联电容器装置各元件的影响2.2.4.1对电容器各参数的影响电容器额定电压为kV311，改造后1C和2C串联，当接在10kV母线上时，1C和2C串联时分压，即1C与2C各承受电压为改造前端电压的一半，电容器通过的电流为)(4510290022AUQI。因此，改造后的各电容器承受的电压和通过的电流均在额定参数内。2.2.4.2对电抗器的影响因电抗器额定电压为10kV，额定电流为189A，改造后均在额定值范围内。2.2.4.3对继电保护的影响当并联电容器主接线改变后，其输送的电流和各电容器承受的电压相应的发生变化，因此，原保护定值不能满足需要，应重新计算并整定，即可通过现有微机保护整定两套定值，当电容器的无功容量在var900K与var1800K之间转换时，切换相应的定值实现保护功能。本人认为通过上述改造后，可解决该站目前10kV母线无功负荷的补偿问题，从而实现了该站并联电容器长时间不能投入电网运行的难题，同时，提高了10kV系统的功率因数，优化了电网运行方案，提高了系统运行的经济性。参考文献：[1]韩祯祥、吴国炎《电力系统分析》浙江大学出版社2002年版，227页[2]李坚、郭建文《变电运行及设备管理技术问答》中国电力出版社2005年版，158页