220 kV 變電站電容器反復(fù)投退原因及改進(jìn)電壓無功控制策略的應(yīng)用

智 強(qiáng)

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司包頭供電局變電管理二處，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引 言

電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，是電能質(zhì)量進(jìn)行衡量的重要指標(biāo)。近年來，電網(wǎng)開始對(duì)AVC無功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試安裝。根據(jù)現(xiàn)有的運(yùn)行情況來看，電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較合理，能夠保障電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，同時(shí)提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，控制了輸電過程中的電能損耗。變電站運(yùn)行過程中，主要利用并聯(lián)補(bǔ)償電容器實(shí)現(xiàn)對(duì)有載調(diào)壓變壓器的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)變電站的無功補(bǔ)償。在實(shí)現(xiàn)電壓無功控制的過程中，需要綜合考慮諸多因素，其中包括合格電壓平衡的無功功率。在變電站工作過程中要盡量減少并聯(lián)補(bǔ)償電容器的退投次數(shù)，調(diào)節(jié)變壓器的分接頭。通過分析可知，電壓控制策略對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行控制尤為重要。通過分析研究變電站中電容器組頻繁出現(xiàn)的退投現(xiàn)象，分析傳統(tǒng)系統(tǒng)中使用的九區(qū)圖，對(duì)存在的問題展開討論并尋找原因，提出改進(jìn)的控制策略。

1 無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)原則

對(duì)220 kV及以下變電站所配置無功補(bǔ)償裝置，按照國家有關(guān)規(guī)定，按就地平衡和分層分區(qū)的原則，系統(tǒng)執(zhí)行無功補(bǔ)償需結(jié)合相關(guān)技術(shù)原則通過當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實(shí)現(xiàn)[1]。220 kV變電所母線正常運(yùn)行時(shí)，允許的電壓偏差為額定電壓的-3%～+7%；如果發(fā)生事故，則允許電壓偏差為系統(tǒng)額定電壓的±10%。變電站無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持的基本原則是各電壓等級(jí)變電站無功補(bǔ)償裝置的分組容量選擇，應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定。最大單組無功補(bǔ)償裝置投切引起所在母線電壓變化不宜超過電壓額定值的2.5%，并滿足主變最大負(fù)荷時(shí)，功率因數(shù)不低于0.95。作為輸送有功負(fù)荷的設(shè)備，電纜線路是不能根據(jù)無功負(fù)荷變化而頻繁投切無功電源的。無功電源的容量調(diào)節(jié)越小，對(duì)220 kV電纜線路的功率充電（需根據(jù)和電網(wǎng)的電纜線路長(zhǎng)度情況具體而定）利用就越多。應(yīng)考慮裝設(shè)一定電抗器容量的線路，更好地調(diào)節(jié)和使用電纜產(chǎn)生的無功容量。35 kV和220 kV電纜線路敷設(shè)量隨著城市電網(wǎng)建設(shè)的需要逐漸增加，同樣截面的導(dǎo)體由于散熱條件不同、電纜允許長(zhǎng)期通過的電流值不同，一般只占到架空線路的50%。因此，損耗小、充電功率多、負(fù)荷輕是電纜線路相對(duì)架空線路的運(yùn)行特點(diǎn)。

2 220 kV變電站電容器反復(fù)投退的原因

目前，常用的AVC系統(tǒng)控制策略會(huì)綜合考慮電壓和無功功率因素，最常見的是九區(qū)圖，如圖1所示。0區(qū)電壓以及無功均可有效滿足要求，屬于理想狀態(tài)。如果偏離該區(qū)，則應(yīng)當(dāng)投切電容組，以實(shí)現(xiàn)無功調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)能夠回到該區(qū)運(yùn)行。

圖1 九區(qū)圖

運(yùn)行在A點(diǎn)時(shí)，電壓合格，無功越上限，這時(shí)依據(jù)九區(qū)圖的控制策略應(yīng)投電容器組。然而，此刻A點(diǎn)的電壓已接近電壓上限，投入電容器組可能會(huì)使A點(diǎn)電壓升高而進(jìn)入1區(qū)運(yùn)行。此刻若變壓器的有載調(diào)壓分接頭在最低檔位，系統(tǒng)將切除電容器組。當(dāng)電容器組切除后，運(yùn)行點(diǎn)有可能返回7區(qū)運(yùn)行。電容器發(fā)生反復(fù)投退，也有可能是電容器安裝時(shí)螺栓沒有緊固到位，或者在運(yùn)行過程中禁錮力下降，導(dǎo)致焊接工藝不良。部分電容器在場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)上由于套管的質(zhì)量和內(nèi)熔絲的選型、折邊等內(nèi)部制造問題，會(huì)造成電容器內(nèi)部絕緣老化和耐受過電壓能力降低，最終發(fā)生反復(fù)投退[2]。需要注意，由于部分電網(wǎng)沖擊性負(fù)荷較大，晝夜負(fù)荷波動(dòng)大，導(dǎo)致相應(yīng)變電站的母線電壓發(fā)生了頻繁波動(dòng)。在AVC控制下，無功補(bǔ)償設(shè)備開關(guān)和變壓器的載調(diào)，導(dǎo)致電容器發(fā)生頻繁投切。隨著變壓器載調(diào)壓的增加，電容器承受暫態(tài)的電壓次數(shù)不斷增加，引發(fā)了操作機(jī)構(gòu)的缺陷和故障，使設(shè)備損壞率上升[3]，如圖2所示。

圖2 電容器操作機(jī)構(gòu)

電容器開關(guān)設(shè)備對(duì)負(fù)荷供電的影響小，存在開關(guān)不到位問題。如果電容器的本體和放電線圈發(fā)生了銹蝕，則可能出現(xiàn)反復(fù)投切問題。

3 無功控制策略應(yīng)用

對(duì)九區(qū)圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)中變壓處于上限，應(yīng)該降低檔位，這是符合控制策略要求的。如果在最低檔，則要切斷電容器。對(duì)于九區(qū)圖法，雖然原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但是無法綜合考慮電壓與無功之間的相互影響，處理不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致電容器組和變壓器投切振蕩，且相關(guān)設(shè)備調(diào)節(jié)頻繁。針對(duì)這一現(xiàn)象，為了能夠克服九區(qū)圖算法的弊端與不足，建議采用十七區(qū)圖法，如圖3所示。

十七區(qū)圖是在九區(qū)圖基礎(chǔ)之上制定的，將四個(gè)易出現(xiàn)投切震蕩的區(qū)域（1、3以及5和7區(qū)）細(xì)化成三個(gè)區(qū)域，并將高壓側(cè)無功與母線電壓、無功和電壓上下限值對(duì)比，制定能夠有效控制電壓與無功的措施。十七區(qū)圖對(duì)九區(qū)圖控制策略中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了整改，在1到4區(qū)之間各自劃分出一個(gè)單獨(dú)的區(qū)域，測(cè)試靠近功率因素邊界和電壓區(qū)域，同時(shí)根據(jù)劃定的區(qū)域，制定相應(yīng)的控制策略，以有效避免電壓震蕩情況的出現(xiàn)。通過十七區(qū)圖的策略控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AVC自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)進(jìn)行定植的改進(jìn)和調(diào)整。對(duì)于這一控制模式而言，只需進(jìn)行一次調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)整體調(diào)節(jié)目標(biāo)，有效避免頻繁投切電容器組合調(diào)節(jié)分接頭，有利于優(yōu)化調(diào)整變電站電壓無功。

調(diào)節(jié)設(shè)備包括串聯(lián)電容器和線路調(diào)壓器。此種方法對(duì)于電壓的影響包括了安裝點(diǎn)后面的配變，在考慮所有配變的電壓約束基礎(chǔ)上制定出調(diào)節(jié)策略，參考負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果，對(duì)線路調(diào)壓器和串聯(lián)電容器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)檔。此外，考慮第一級(jí)協(xié)調(diào)策略的配合，結(jié)合雙向調(diào)壓器的策略，兼顧潮流的流向。這部分策略可以分為無載調(diào)壓配變和有載調(diào)壓配變。由于自動(dòng)調(diào)檔的次數(shù)受限，因此在針對(duì)無載調(diào)壓配變分接頭的檔次調(diào)節(jié)上，要有科學(xué)依據(jù)，進(jìn)行全方位策略制定，根據(jù)配變電壓的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合季節(jié)性的負(fù)荷變化，對(duì)電壓的影響制定分接頭調(diào)節(jié)優(yōu)化策略，指導(dǎo)運(yùn)行人員定期調(diào)節(jié)無載配變的檔次，使電壓合格率達(dá)到最優(yōu)。對(duì)于雙向調(diào)壓器的策略，要考慮潮流流向的問題，兼顧豐水期的高電壓治理，對(duì)線路串聯(lián)電容器進(jìn)行柱上無共補(bǔ)償和自動(dòng)投切，同時(shí)將動(dòng)作次數(shù)平衡到所有設(shè)備上[4]。

圖3 十七區(qū)圖

4 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，電壓運(yùn)行的合格率得到了顯著提升。在電容器運(yùn)行中，避免了經(jīng)常出現(xiàn)的震蕩現(xiàn)象?？梢?，十七區(qū)控制方法的使用明顯提高了電網(wǎng)電壓的合格率，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行效率的同時(shí)，進(jìn)一步提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。