变电站设计中无功补偿配置分析

变电站设计中无功补偿配置分析

邓明

（中工武大设计研究有限公司湖北武汉430000）

摘要：电力系统的不断发展为社会和经济发展提供了有效保障。为了减小输配电工程中的电能损耗，在变电设计中应根据工程实际情况，进行合理的无功补偿。

关键词：变电设计；无功补偿

一、变电设计中无功补偿的必要性

变电站是电力系统中汇集和分配电能的重要节点。电源通过输电线路将电能传送至变电站，变电站通过降压和分配后，将电能输送给用户。

用电设备需要从电源取得有功功率，由于输配电线路、变压器及用电设备的电抗的存在，在电能的生产和传输过程中，无功损耗不可避免，形成无功负荷。电力系统中主要的无功负荷包含异步电动机、变压器和线路的无功损耗等。

电力用户消耗的有功功率主要取决于线路电压、电流和功率因数。供电电压确定后，通过合理设置无功补偿，在满足负荷功率的前提下，提高功率因数，减小工作电流，降低网络有功及无功损耗，实现能源节约，提高经济效益。

二、变电设计中无功补偿的原则

电力系统变电站分布广泛，输电线路长短不一，对于不同电压等级的变电站，无功补偿设置的侧重点也不尽相同。

（1）电力系统的无功电源和无功负荷，在用电高峰和低谷时均应按“分层分区”基本平衡的原则进行配置和运行。在变电站设计阶段，应根据变电站电压等级和各个变电站的供电范围划分，计算选择合适的无功补偿容量和形式。

（2）330kV及以上输电线路，电压高，单位长度线路充电功率较大；同时输送容量高，供电半径大，线路长度长，线路充电功率会超过线路消耗的无功，导致网络运行电压高，对设备绝缘及运行造成隐患。对于超高压线路需要根据规划设计情况配备适当容量的线路并联电抗器。

（3）220kV及以下电网变电站中，无功补偿在满足系统规划无功要求的前提下，以保证电网要求的功率因数和电压在合理范围内。设计阶段，应结合具体工程规模、各个电压等级进出线方式结合具体运行方式对无功功率进行计算。必要时应在变电站内设置电抗器，以保证电压在合理范围内。

三、电力系统中无功电源及特点

3.1同步发电机

发电机是电力系统唯一的有功电源，同时是电力系统中最基本的无功电源。为了满足调相调压、无功备用和经济运行的需要，发电机无功出力一般不满载。

3.2调相机

调相机过励磁运行时为无功电源，向系统提供无功（容性运行）；欠励磁时运行为无功负荷，吸收感性无功功率。由于实际运行的需要和对稳定性的要求，欠励磁的最大容量一般只有过励磁容量的50%-65%。同步调相机是旋转设备，运行维护比较复杂，有功损耗比较大，同时同步调相机的响应速度较慢，无法满足动态控制要求。现阶段调相机已经被静止无功补偿设备取代。

3.3并联电容器

并联电容器是主要的无功电源。电容器并联在系统中向电力系统和用户提供无功电源，满足感性负荷、线路及变压器对于感性无功功率的需求。电容器供给的无功功率与端子的运行电压平方成正比。当并联电容器所并联的母线电压降低时，电容器的无功输出减少，电容器的无功功率调节性能较差。

实际运行中，为调节电容器的无功补偿功率，可根据变电站运行方式，将电容器连接成若干组，通过分组投切，实现补偿功率的不连续调节。

电容器的容量根据实际需求进行组合，既可集中补偿，也可分散补偿在各用电设备处，安装使用灵活，维护方便，一次性投资较低。

3.4静止无功补偿器

静止无功补偿器（StaticVarCompensator，SVC）由电容器和电抗器并联组合而成。电容器可以发出无功功率，电抗器可以吸收无功功率，二者组合使用并配置适当的调节和控制装置，就可以平滑调节无功补偿功率。

静止无功补偿器中电容一般分为数组，根据投切方式可分为断路器投切电容器组（MSC）或晶闸管投切电容器组（TSC）。成套装置中的电抗器型式可分为晶闸管控制电抗器（TCR），直流励磁饱和电抗器及自饱和电抗器（SR）和断路器投切电抗器（MSR）。晶闸管控制设备和电抗器装置在运行中会产生高次谐波，需将部分电容器组成高次谐波滤波器（FC），谐波次数可根据实际运行情况确定。

常用的静止无功补偿器的组合有以下几种：（1）TCR+MSC+FC或TCR+MSC+FC+MSC；（2）TCR+TSC+FC。静止无功补偿器补偿的无功电流随系统电压的降低而降低，使用有一定局限。

3.5静止无功发生器

静止无功发生器（StaticVarGenerator，SVG）是基于大功率逆变器的动态无功补偿装置。以大功率三相电压源型逆变器为核心，输出电压通过连接电抗或变压器接入系统。控制逆变器的输出电压，就可以灵活的改变SVG的运行状态。逆变器输出电压高于系统侧电压幅值时，SVG提供容性无功，为无功电源；输出电压小于系统侧幅值时，SVG提供感性无功功率，为无功负荷。

静止无功发生器响应速度快，运行范围宽，可实现容性无功到感性无功的连续平滑调节；与此同时，静止无功发生器谐波电流含量少，电压较低时仍可向系统输出额定无功电流

3.6线路充电功率

输电线路既是无功负荷也是无功电源，运行中的输电线路产生的无功功率与运行电压的平方成正比，消耗的无功与其工作电流的平方成正比。

当网络电压及线路截面、排列结构确定，单位长度的充电功率随之确定。充电功率主要取决于线路间的电容及对地电容。因此，相同电压等级及输送容量的电缆线路的充电功率会远大于架空线路。随着经济发展，各种高中低压电缆线路日益增多，在设计阶段必须考虑电缆充电功率的影响。

3.7各种无功电源的应用场合

同步发电机可双向调节无功，能独立调节励磁从而调节无功功率，适用于大容量系统的中枢点的无功补偿。

机械投切的电容器和电抗器均为固定补偿，无法跟踪补偿。投切电容器可能会产生涌流和过电压，因此机械开关投切的电容器适用于无功负荷比较稳定的场合。高压并联电抗器用于较长的高压或者特高压线路空载或轻载时末端电压升高。

静止无功补偿器和静止无功发生器均为动态补偿。静止无功发生器性能更为优良，经济合理时，应优先采用。

四、变电设计中无功补偿的相关问题

4.1无功补偿容量选择

对具体工程，应根据建设规模，考虑近期及远景各个电压等级进出线方式等基础数据计算最大、最小及其他典型方式下的无功功率缺额。根据无功缺额，选择合理的无功补偿总容量；结合典型运行方式及系统相关参数及规范要求，合理分配分组容量。

4.2无功补偿设备选择

无功补偿设备应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并应考虑远景发展。具体选择过程可按以下要点进行：

（1）根据应用场合，相关技术指标要求，选择合理的无功补偿设备。

负荷较为稳定或通过分组投切无功补偿设备可满足各种运行方式下无功补偿要求时，优先采用并联电容器组和并联电抗器组；对于对无功补偿有较高的实时性要求和动态补偿的要求，应采用静止无功补偿器或静止无功发生器。

（2）无功补偿设备应满足电压、电流、机械荷载、动热稳定、绝缘水平等相关电气参数要求。无功补偿设备均没有过电流的能力，工作回路设备应按照稳态过电流选择。同时应配置相应的过电压保护装置，保护无功补偿设备，以防在运行和操作过程中造成绝缘破坏。

（3）无功补偿设备应按照项目所在地的温度、湿度、日照、风速、冰雪、污秽、海拔、地震烈度，经过经济技术比较后，合理选择设备型式及布置形式。对于户内布置的无功补偿设备，应充分考虑散热通风要求，对于户外设备，则应考虑环境对设备运行的影响。

五、结语

变电站设计中，应根据建设实际情况合理配置无功补偿设备，降低电网损耗，提高运行和生产效益。

参考文献：

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[2]聂宁.变电设计中无功补偿装置的设计方式探析[J].通讯世界，2015，05：124-125.

[3]朱承志.变电设计中的无功补偿分析[J].科技创新与应用，2012，29：134