浅析变电站系统阻抗对站内无功补偿的影响

秦正斌

（湖南送变电勘察设计咨询有限公司，湖南长沙410114）

0 引言

随着电力系统的不断发展，电力网络结构不断加强，各级变电站系统阻抗总体上呈减小趋势，而变电站系统阻抗直接影响站内电气设备的参数的选择，直接关系到电网运行的安全稳定性和建设的经济性。变电站内合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，提高设备的供电能力，降低电网中的功率损失和电能损失，而且可以提高电力系统运行的稳定性和安全性，因而具有较好的经济效益。因此，分析系统阻抗对变电站内无功补偿的影响，对于保障电网安全、经济运行具有实际意义。

1 系统阻抗对站内无功补偿总量的影响

目前，220 kV及以下电压等级的变电站中，根据需要配置无功补偿设备，其容量可按主变容量的0.10～0.30确定；330 kV及以上电压等级的变电站，无功补偿容量可按主变压器容量的0.10～0.20配置或经计算确定。无功补偿总容量的确定主要考虑满足调相调压计算的最低容量需求，还需用补偿主变满载时的无功损耗作为校验。

系统阻抗大小直接决定变电站各电压等级短路水平，继而影响变电站内主变压器、限流电抗器等消耗无功的电气设备选择，具体影响较为明显，可由以下算例分析说明。

如图1所示，某市一商业区规划建设220 kV变电站A，主要供带城市核心城区的商业负荷，同时作为城区110 kV站点电源支撑点，其推荐接入系统方式为采用双回220 kV架空线路从220 kV变电站A出线至500 kV变电站B，变电站采用220 kV/110 kV/10 kV三个电压等级出线。

图1 变电站接线示意图

2025年，A站220 kV母线侧系统正序、零序阻抗分别为0.013 264、0.016 827；中低压侧正序和零序均为无穷大。选用常规变压器时，阻抗电压为：U12=14%，U13=23%，U23=8%，远期正常运行时低压侧10 kV短路电流高达85.73 kA，远远超过现有10 kV断路器设备的开断能力，需通过选择高阻抗变压器或主变低压10 kV出线回路增加限流电抗器限制短路电流。考虑变电站A为户内GIS布置型式，限流电抗器户内布置占地较大，综合经济性较差，变电站A变压器最终选用高阻抗变压器，阻抗电压为：U12=14%，U13=64%，U23=49%。

设定变电站A单台主变满载时110 kV侧、10 kV侧分别供带负荷为160 MVA、80 MVA，假定各侧功率因数均为0.95，电力系统综合分析程序PSASP7.0计算无功损耗为：

（1）选用高阻抗变压器，阻抗电压为U12=14%，U13=64%，U23=49%时，单台主变满载无功损耗约为55 Mvar。

（2）若变电站A系统短路阻抗相对较小，可选用常规变压器，阻抗电压为U12=14%，U13=23%，U23=8%时，单台主变满载无功损耗约为40 Mvar。

根据算例计算结果，高阻抗变压器满载无功损耗明显高于常规变压器，直接增加了变电站无功补偿校验的总容量。由上算例基本可得出结论，在变电站中低压侧外部电网结构相同的情况下，若变电站高压侧系统阻抗偏大，可选择常规设备，主变无功损耗相对较少；系统阻抗偏小时，主变选择高阻抗变压器（或者选择低压侧串联限流电抗器），变电站无功损耗相对较多。变电站总的无功补偿容量也就相应需要进行调整。

2 系统阻抗对站内单组无功装置容量的影响

在实际的无功补偿过程中，低压侧电容或电抗的选择是一个十分重要的问题，如果选择的容量过小，则起不到很好的补偿作用；若容量选择过大，存在过补偿问题。无功补偿设备的配置应按照“全面规划、合理布局、分级补偿、就地补偿”的原则，要把降损和电压控制、集中补偿与分散补偿相结合，以就地平衡为主，最大限度体现无功补偿的经济、技术效益。

系统阻抗对单组无功装置容量的影响主要受限于变电站总体无功的配置和建设的经济性（尽量减少组数），单组容量的配置影响主要涉及谐波水平和电压波动两个指标，其中对谐波水平的影响主要由下文式（1）体现，对电压波动的影响由式（2）体现。

式中，Qcx为发生n次谐波谐振的无功容量（Mvar）；SD为无功装置安装处母线短路容量（MVA）；n为谐波次数，即谐波频率与电网基波频率之比；K为电抗率。

由式（1）知，针对确定的电抗率和谐波频率，变电站谐振容量直接与短路容量正相关，即与变电站系统短路阻抗成反比。

式中，ΔU%为无功装置安装处母线电压波动率；SD为无功装置安装处母线短路容量（MVA）；Q为投切单组无功装置的容量（Mvar）。

从式（2）可以看出，母线的电压波动率与投切电容的容量成正比，与母线三相短路容量成反比。根据Q/GDW 212—2008《电力系统无功补偿配置技术原则》要求，投切最大单组无功补偿设备时所在母线电压波动不宜超过2.5%，变电站内电容器单组容量不宜过大。由此，部分系统短路阻抗较小、短路容量较大的变电站单组无功补偿装置容量可适当放大；反之亦然，系统短路阻抗较大的变电站，单组无功补偿装置容量需减小。

3 结论

本文通过对220 kV变电站无功补偿的计算分析，并参照相关技术原则，通过拟定的主变无功损耗计算，有针对性地对系统短路阻抗对变电站无功补偿的影响进行了定性的分析，可以得出以下一般性结论：

（1）系统短路阻抗大小直接关系到变电站内主变压器等消耗无功的电气设备选择，既而影响站内无功补偿总容量的配置，具体表现在各侧供带负荷一定情况下，高阻抗变压器满载时无功损耗相对较高，站内无功补偿总量需求更高。

（2）站内短路电流在合理范围内，且满足母线电压波动要求时，站内单组无功装置的容量与系统阻抗大小成反比。

（3）在确定谐波次数和无功补偿装置电抗率的情况下，发生谐振的无功补偿容量与系统阻抗大小成反比，分组无功装置的组合应避开相应的谐振容量。

本文不足之处在于未能深入结合各地电网实际情况、规程要求以及典型设备参数，定量分析系统阻抗与站内无功补偿配置的关系，适应性相对广泛而不够清晰具体。

[1]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.

[2]何仰赞，温增银.电力系统分析[M].3版.武汉：华中科技大学出版社，2010.

[3]电力系统无功补偿配置技术原则：Q/GDW 212—2008[S].

[4]电能质量 电压波动和闪变：GB/T 12326—2008[S].