110kV变电站无功补偿研究

110kV变电站无功补偿研究

闫建华

北京华电瑞通电力工程技术有限公司   100048

摘要：本文主要对110kV变电站无功补偿的补偿容量进行研究，主要阐述了无功补偿考虑因素及设计计算。在理论方面主要考虑无功负荷和电缆的充电无功功率，主要包括无功负荷的考虑因素及实际情况下的计算方式，电缆充电无功功率的考虑因素和计算方式。最后通过以上两个因素综合考虑后作为变电站选择容性无功补偿装置或者感性无功补偿的依据，为实际工程案例做了无功补偿计算，最后为变电站无功补偿装置的选择和应用提供借鉴性结论。

关键字：110kV变电站、无功补偿、无功负荷、充电功率。

引言

随着我国成为世界第2大经济体，作为一个制造大国电力负荷不断增长，国家出台了若干增量配网相关政策，支持电力改革。110kV变电站的建设作为增量配网及电力改革的重要抓手将越来越广泛的投资和建设。

电网输中电气设备存在感性原件和容性原件，导致电网为满足用电使用的情况输出有功的同时，同样附带输出无功。为了提高电网的效率，电力系统需要保证功率因素在合理区间。

根据《电力系统无功补偿配置技术原则》（Q/GDW 1212-2015），“110 kV变电站的容性无功补偿装置，以补偿变压器无功损耗为主，适当兼顾负荷侧的无功补偿。补偿容量按照主变压器容量的15%～30%配置，并满足110kV主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数不低于0.95，在低谷负荷时功率因素应不高于0.95”。

无功补偿需要考虑的因素

变压器以及用电负荷的设备，大部分属于电感线圈，故此，在以前的110kV变电站的无功补偿上主要考虑变压器的无功负荷。无功负荷主要与变压器的负债率及变压器本体性能有关。

110kV变电站的无功补偿中不仅要考虑变压器本体与负荷的无功负荷外，同时需要关注变电站外电源线路的充电功率。外电源线路的充电功率与外电源线路的敷设方式和长度有关。由于城市化的推进，110kV变电站的外电源架空线路受到限制，多数情况下，外电源入地敷设取代架空线路。由于入地敷设的电缆容性特征比架空线缆高出一个数量级，导致外电源线路具有明显的容性特征，这种容性特征将在110kV变电站的使用中向电网倒送无功，这部分无功被称为电缆的充电功率。根据以上阐述，为了提高电网的功率因素，在110kV变电站建设中，电缆的充电功率在无功补偿选择和设计中需要充分考虑。

无功负荷的计算

无功负荷主要与变电站设备本体以及负荷有关系，这里主要根据无功负荷的产生原因介绍对无功负荷的计算方式。

负荷产生的无功，根据负荷的功率因素计算对应的无功负荷，适应于负荷较稳定的情况，在满足负荷用电的情况下，配置无功补偿设备提高功率因素，从而达到满足电网配置的要求，具体计算如下：

式中 代表负荷的有功功率，式中 代表没有无功补偿时的无功功率， 代表没有无功补偿的功率因素， 代表无功补偿后的无功功率， 代表无功补偿后要达到的功率因素， 代表对负荷侧无功补偿前后所需容性无功补偿容量。以上对无功负荷的计算适用于变电站内已经有明确的负荷参数和功率因素，在较低的功率因素情况下，把功率因素提高到某个值后，所需增加的无功补偿装置容量。

变电站本体设备变压器产生的无功，根据变压器设备本体情况计算无功负荷，变压器所产生的无功损耗主要是漏抗引起的无功以及由空载电流引起的励磁无功。漏抗引起的无功主要与变压器短路电压、有功功率的平方成正比，与变压器容量以及功率因素成反比。由空载电流引起的励磁无功与变压器空载电流和变压器容量成正比，具体计算如下：

=

式中 代表负荷的有功功率，式中 代表漏抗引起的无功功率， 代表功率因素， 代表空载电流引起的无功功率， 代表短路电压百分数，， 代表短路电压百分数， 代表空载电流百分数， 代表对变电站本地设备无功补偿前后所需容性无功补偿容量， 代表对无功补偿前后所需容性无功补偿容量。以上主要是考虑变压器本体及负荷的功率因素下，所产生的无功补偿容量。

外电源线路的充电功率计算

外电源线路的充电功率主要是因为电缆在地下敷设，对地电容大，形成容性的无功。充电功率主要与电缆的特性、外电源两端的电压，电缆的长度等因素有关，具体计算如下：

式中 代表外电源线路的充电功率， 代表外电源线路两端的电压， 代表交流电频率， 代表电缆电容，单位为 ， 代表交流电频率， 代表电缆敷设长度km。

变电站无功补偿容量计算

无功补偿装置的准确配置至关重要，欠补偿不仅不能达到电网公司的无功补偿配置技术原则要求，同时也难以发挥变电站的整体效率。最终导致变电站的运行经济性下降；过补偿不仅增加的110kV变电站的投资成本，而且在低谷负荷时变电站功率因素可能会超出规定值，导致电网电压升高，增加了电网系统的风险。只有科学合理配置无功补偿设施才能确保电网的安全可靠运行，同时科学合理配置无功补偿装置也又有利于节约变电站的投资，准确配置变电站内无功补偿装置尤为重要。

经过以上分析和计算，变电站无功补偿容量的大小取决于无功负荷、外电源电缆充电功率的大小。如果外电源线路采用架空敷设，可以不计算外电源电缆的充电功率，主要考虑无功负荷。当外电源线路入地敷设时，必须考虑计算外电源线路带来的充电功率。变电站无功补偿容量的计算如下：

式中 代表整体无功补偿的容量，单位为Mvar 。当无功负荷 大于外电源电缆放电功率 时，说明变电站整体为感性无功，需要电容性无功补偿设备。当无功负荷 大于外电源电缆放电功率 时，说明变电站整体为感性无功，需要电容性无功补偿设备。当无功负荷 小于外电源电缆放电功率 时，说明变电站整体为容性无功，需要电感性无功补偿设备。

某项目无功补偿的案例计算

根据以上对无功负荷的计算、外电源线缆充电功率的计算，可以计算出整个变电站需要配置的无功补偿装置。某变电站计划在2020年前投入2台63MVA的变压器，随着用户的增加负载在0.22-0.43，远期2025年投入3台63MVA的变压器，对其变电站内整个配置无功补偿计算表如下：

经过以上计算，某项目在2020年前只要以电感性补偿为主即可，补偿容量在负载率为0.43时为4.44Mvar，在负载率为0.22时补偿容量为10.83Mvar。在2025年投入3台变压器后，主要以容性补偿为主，补偿容量为11.44Mvar。

研究结论

经过以上研究发现，110变电站的无功补偿需要考虑整个变电站的负荷无功以及外电源的充电功率，在全面考虑以上无功产生的因素后，经过计算，发现变电站的无功补偿不一定总是容性补偿，尤其是随着外电源入地敷设距离较长时，整个变电站的无功需要感性补偿装置。同时可能由于过补偿或者欠补偿原因导致变电站的运行成本和投资成本增加，综上所述，综合考虑变电站负荷无功以及外电源电缆充电功率才能准确科学的进行无功补偿。

参考文献

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