变电站无功补偿装置讲义汪旭峰.docx
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变电站无功补偿装置讲义汪旭峰
目录
第一章无功功率和无功电源1
1.1无功功率及作用1
1.2电力系统的无功电源1
1.2.1同步发电机1
1.2.2并联电容器2
1.2.3同步调相机2
1.2.4静止补偿器3
1.2.5线路的充电功率3
1.2.6并联电抗器4
第二章无功功率平衡和无功补偿6
2.1无功功率平衡与电压6
2.1.1无功平衡的基本要求6
2.1.2电压对电力用户和电力系统的影响7
2.1.3调节变压器分接头对电压和无功的影响8
2.1.4无功功率不足对电网的影响8
2.2无功补偿的意义和原则9
2.2.1无功补偿的意义9
2.2.2无功功率补偿原则9
第三章变电站无功补偿装置11
3.1并联电容器组配置方式11
3.2并联电容器组接线方式11
3.3并联电容器组元件11
3.3.1电容器12
3.3.2串联电抗器12
3.3.3氧化锌避雷器19
3.3.4放电线圈20
3.3.5接地开关20
3.4并联电容器组的保护21
3.4.1过电压保护21
3.4.2欠电压保护21
3.4.3过电流保护22
3.4.4不平衡保护22
3.5电压无功综合控制装置(VQC)24
3.5.1VQC装置简介24
3.5.2VQC装置调节策略25
3.5.3VQC装置调节闭锁28
3.6区域电网无功电压自动调节装置(AVC)29
第一章无功功率和无功电源
1.1无功功率及作用
交流电力系统需要电源供给两部分能量,一部分将用于作功而被消耗掉,这部分电能转换为机械能、光能、热能或化学能,称为“有功功率”。
另一部分能量是用来建立磁场,用于交换能量使用,对于外部电路它并没有作功,由电能转换为磁能,再由磁能转换为电能,周而复始,并没有消耗,这部分能量称为“无功功率”。
无功是相对于有功而言,没有无功功率,就不能建立感应磁场,电动机、变压器等设备就不能运转。
在电力系统中,变压器和输电线路无功功率损耗也比较大。
变压器中的无功功率损耗分为两部分,即励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗。
其中,励磁支路损耗与空载电流I0有关,ΔQ0=I0%×Se/100,约为占变压器额定容量的1%~2%;绕组漏抗的无功损耗与变压器的负荷的平方和短路阻抗有关,ΔQ1=(U1%×Se/100)×(I/Ie)2;在变压器满载时无功功率损耗约占变压器额定容量的10%。
输电线路上的无功功率损耗Qx,主要是线路电抗中的损耗,它与负荷电流的平方和电抗成正比,与电压的平方和功率因数的平方成反比。
1.2电力系统的无功电源
1.2.1同步发电机
是电力系统的唯一的有功功率电源,又是最基本的无功功率电源,发出的无功Q=S×sinφ。
1.2.2并联电容器
并联电容器是电网中用的最多的一种无功补偿设备,可以补偿电网的无功功率,提高母线电压,降低线路损耗,目前国内外电力系统中90%的无功补偿设备是并联电容器。
电容器有以下优点:
1)电容器是最经济方便的补偿的设备。
它的一次性投资和运行费用都比较低,且安装调试简单。
2)电容器的损耗低,效率高。
电容器的损耗只有本身容量的0.02%左右。
3)电容器是静止设备,运行维护简单,没有噪音。
缺点当电压下降时,电容器输出的无功功率与电压平方成正比地减小,电压调节效应变差。
1.2.3同步调相机
实质上是只能发出无功功率的发电机,相当于空载运行的同步发电机或电动机,相比并联电容器,其优点如下:
1)调相机可以随着系统负荷的变化,均匀调整电压,使电网电压保持规定的水平。
母线上的电容器分成若干个组,调压是阶梯式的。
2)调相机可以根据系统无功的需要,调节励磁运行,过励磁时可以发出无功功率,欠励磁时还可以吸收无功功率。
电容器只能发出无功,不能吸收无功。
3)调相机可以安装强行励磁装置,当电网发生故障时,电压剧烈降低,调相机可以强行励磁,保持电网电压稳定,因而提高了系统运行的稳定性。
电容器输出无功功率与运行电压的平方成正比,电压降低,输出的无功急剧下降,比如,当电压下降10%,变为0.9Ue时,电容器输出的无功功率变为0.81Q,即其输出的无功功率将下降19%,所以,电容器在电网故障时不能起到稳定系统电压的作用。
同步调相机主要缺点是投资大,运行维护复杂。
现使用较少。
1.2.4静止补偿器
静止补偿器是将可控电抗器与电容器并联使用。
电容器可发出无功功率,可控电抗器可吸收无功功率。
两者结合起来,再配以适当的调节装置,就能够平滑地改变输出(或吸收)无功功率。
以满足无功功率的要求,这样就克服了电容器作为无功补偿装置只能作为无功电源而不能作为无功负荷、调节不连续的缺点。
静止补偿器的优点:
运行维护简单、功率损耗较小,响应时间较短,能做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化,对于冲击性负荷也有较强的适应性。
另外,在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿器来提高系统的稳定性,同时,静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。
现在静止补偿器在变电站中使用越来越多。
1.2.5线路的充电功率
线路的充电功率也是重要的无功电源,在变电站无功补偿方面也需考虑。
导线间和导线对地间的电容效应产生的无功功率,称为线路的充电功率,它和电压的高低,线路的长短以及线路的结构等因素有关。
线路输送的有功功率大于自然功率(线路传输有功功率时,线路产生的充电功率和线路消耗的无功功率相等时,这时传输的有功功率称自然功率),线路将消耗无功功率;线路输送的有功功率小于自然功率时,线路将发出无功功率。
线路的充电功率Q=√3UIc=U2boL
bo—当频率50Hz时,每千米线路的电纳(电纳是容抗的倒数)
bo=1/Xo=7.58×10-6/lg(dm/rm)S/km;式中xo—电抗,Ω/km
dm—导线几何均距,cm;rm—每相导线的等值半径
U—线电压kV
L—线路长度km
表1:
不同型号导线,不同电压等级下的等值电容(μF)和充电功率(MVar)
导线型号
110kV单导线
220kV单导线
220kV二分裂
500kV三分裂
750kV四分裂
电容
功率
电容
功率
电容
功率
电容
功率
电容
功率
LGJ-185
0.885
3.35
1.14
17.3
LGJ-240
0.904
3.43
0.837
12.7
1.15
17.5
LGJQ-300
0.916
3.48
0.848
12.9
1.16
17.7
1.18
95.4
LGJQ-400
0.939
3.54
0.867
13.2
1.18
17.9
1.19
95.4
1.22
215
LGJQ-500
0.882
13.4
1.19
18.1
1.2
96.2
1.23
217
LGJQ-600
0.895
13.6
1.20
18.2
1.205
96.7
1.235
218
LGJQ-700
0.912
14.8
1.22
18.3
1.21
97.2
1.24
219
表2:
交联聚乙烯绝缘电缆不同截面(mm2)和不同电压等级下的充电功率(MVar/km)
电缆截面
110kV电缆充电功率
220kV电缆充电功率
500kV电缆充电功率
800
0.82
2.67
9.61
1000
0.90
2.86
10.74
1200
0.99
3.09
12.21
1600
1.11
3.39
14.20
20000
1.20
3.62
15.16
2500
1.31
3.85
16.11
1.2.6并联电抗器
并联电抗器是一种感性无功补偿设备,它可以吸收系统中过剩的无功功率,避免电网运行电压过高。
为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时,线路的充电功率造成线路电压升高,一般超高压线路上装设并联电抗器,并联电抗器的作用主要有:
1)改善长输电线路的电压分布,限制超高压线路的工频过电压和操作过电压;
2)减轻空载或轻负荷线路的电容效应,降低工频暂态过电压;
3)使轻负荷时线路的无功分布尽可能就地平衡,防止无功功率不合理流动,同时降低线路上的功率损失。
规程规定:
330kV及以上系统与下一级系统间不应有大量的无功电力交换,对于330kV及以上超高压线路的充电功率应按照就地补偿的原则采用高、低压并联电抗器基本予以补偿。
在大城市电力电缆使用较多,电缆线路的无功充电功率也比较大(见表2)。
一般要在变压器低压侧母线上安装并联电抗器,来限制空载或轻负荷时的电压升高。
第二章无功功率平衡和无功补偿
2.1无功功率平衡与电压
2.1.1无功平衡的基本要求
无功平衡的基本要求是电网中无功电源发出的无功功率除了满足无功负荷和无功损耗的需求外,还应保证有可靠供电和适应负荷增长的无功备用容量。
无功电源包括发电机发出的无功出力,电网现有的无功补偿设备容量,电缆线路和110kV及以上架空线路的充电功率以及从网外可能输入的无功功率。
无功负荷和无功损耗包括电网的无功负荷以及各电压等级变压器、电抗器、线路的无功损耗。
无功平衡的计算,也就是电网需要的无功补偿容量的计算,《电力系统电压和无功电力技术导则》规定,220kV及以下电网的容性无功补偿设备总容量Qc,可按下式计算:
Qc=1.15Qdm-Qg-Qi-Qlc
其中Qdm=kPdm
Qdm-最大自然无功功率Pdm–电网最大有功负荷
k–电网最大自然无功负荷系数,一般大于1
Qg–本网发电机的无功负荷
Qi–上机电网和邻近电网输入的无功功率
Qlc–110kV及以上架空线路和电缆线路的充电功率
电力系统中常说的平衡是指电力生产中的产、供、销平衡。
反映有功功率平衡水平的指标是频率,当有功负荷与有功电源出力相平衡时,频率就正常,达到额定值50Hz,当有功负荷大于有功出力时,频率就下降,反之,频率就会上升;反映无功功率平衡水平的指标是电压。
当无功负荷与无功出力相平衡时,电压就正常,达到额定值,而当无功负荷大于无功出力时,电压就下降,反之,电压就会上升。
电压与无功功率之间的关系要比频率与有功功率之间的关系复杂得多,主要体现在:
一个并列运行的电力系统中,任何一点的频率都是一样的,而电压与无功功率却不是这样的。
当无功功率平衡时,整个电力系统的电压从整体上看是会正常的,可以达到额定值,即便是如此,也是指整体上而已,实际上各节点处的电压并不一定合格,如果无功不是处于平衡状态时,那么情况就很复杂,当无功出力大于无功负荷时,若电网缺乏调节手段或无功补偿元件的不合理运行使某段时间无功功率过剩,就会造成地区电网甚至整个电网的运行电压过高。
如果系统无功电源不足,则会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡,即靠电压降低、负荷吸收无功功率的减少来弥补无功电源的不足。
2.1.2电压对电力用户和电力系统的影响
1)电压对电力用户的影响
电力系统电压偏高或偏低,对运行中的用电设备都会造成不良的影响。
以照明用的白炽灯为例,当加于灯泡的实际电压高于其额定电压时,其发光效率虽有提高,但其使用寿命会缩短;相反,如果电压低于额定电压时,则灯泡发的光效率降低,会使人的视力健康受到影响。
对于异步电动机而言,当电压降低时,转矩随电压的平方成比例下降,如电压降低20%时,转矩会降低到额定转矩的64%,电流也会增加许多,温度升高,造成电动机转速降低,可能导致生产的产品报废,电动机绕组过热,绝缘加速老化,甚至烧毁电动机。
当电压过高时,电动机、变压器等设备铁心会出现饱和、铁损增大、激磁电流增大,也会导致电机过热。
2)电压对电力系统的影响
电力系统电压偏离额定值过大不仅影响电力用户的正常工作,同时也会影响电力系统本身。
电压降低,使电网的功率损耗加大,电压过低还可能危及电力系统运行的稳定性。
在系统中无功功率不足,电压水平低的情况下,某些枢纽变电站,在母线电压发生微小扰动的情况下,可能会造成电压大幅度下降的“电压崩溃”现象,其后果是相当严重的,可能导致发电厂之间失去同步,造成整个系统瓦解的重大停电事故。
在电力系统的正常运行中,随着用电负荷的变化和系统运行方式的改变,电网的电压损耗也随之发生变化。
要保证用户在任何时刻都能在其额定电压下工作是不现实的,但其电压偏移必须限制在允许的范围内。
因此,要维持整个系统的电压水平,就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿线路及变压器中的无功功率损耗。
无功补偿设备合理地投停使用,对调整电网电压、提高供电质量、抑制谐波干扰、保证电网安全运行都有着十分重要的作用。
2.1.3调节变压器分接头对电压和无功的影响
调节变压器分接头能调节母线电压,在系统无功功率充足的情况下,调节主变分头来调压是一种方便灵活的方式;但在系统无功功率不足的情况下,调节主变分头来调压,会从系统吸收更多的无功,此时供电点电压升高了;但这是以降低别处电压为代价的,因为总的无功电源不足,局部地区电压升高无功负荷增大,必然使别处无功功率更少、电压更低;各处普遍采用调节变压器分接头的结果,不仅没能提高负荷的供电电压,而是使得无功损耗加大,整个系统低电压问题更加严重甚至是电压崩溃。
在这种情况下,首要的问题应该是增加无功功率补偿设备。
2.1.4无功功率不足对电网的影响
电网中无功功率不足时,电气设备没有足够的无功功率来建立和维持正常的磁场,设备的端电压降低,不能保证电气设备在额定的技术参数下工作,影响设备的正常运行。
无功功率不足对电网的影响主要有:
1)降低有功功率,电气设备的容量不能充分利用。
根据有功功率P=UIcos得知,无功不足,系统电压会降低,功率因数cos降低,则有功功率降低,设备的容量不能充分利用。
2)增加输配电线路的有功损耗,功率因数cos降低,在传输相同容量的有功功率时,线路的有功损耗P=I2R,有功损耗因线路中的电流增大而增大。
3)线路电压损失增大。
负荷端的电压下降甚至低于允许值,从而影响电动机及其他用电设备的正常运行。
2.2无功补偿的意义和原则
2.2.1无功补偿的意义
无功补偿的实质是调整电力系统中电压与电流的相位即cos,见图1,无功补偿的意义:
1)当传输的有功功率不变时,功率因数cos提高,因P=UIcos,负荷电流减少,这样线路的有功损耗P=I2R,有功损耗因电流的减少而减少。
2)在设备容量一定的条件下,即视在功率S一定,由于提高了功率因数,输送的无功减少,这样可以多输送有功功率,提高了电气设备的运行效率。
3)装设无功补偿装置后,可以提高电压质量。
线路中的电压损失由两部分组成,即有功功率在电阻上的压降和无功功率在电抗上的压降,电压损失ΔU=(PR+QX)/U,一般说来,在超高压电网的线路、变压器的等值电路中,电抗的数值比电阻大得多。
所以无功功率对电压损耗的影响很大,而有功功率对电压损耗的影响则要小得多。
即无功功率是造成电压损耗的主要因素。
装设补偿装置,输送的无功Q减少了,若有功P不变,则电压损失ΔU减少。
综上所述,装设无功补偿不仅可以改善电压质量,还有很大的经济意义,可减少输电损失,提高输电效率。
2.2.2无功功率补偿原则
电力系统的无功补偿配置应保证在系统有功负荷高峰和低谷运行方式下,分层分区的无功平衡,分层是按电压等级分层,是指220kV及以上电压等级层面的无功平衡,通过补偿使不同电压等级电力网之间的无功潮流为零或尽可能小。
分区是按地区补偿,是指110kV及以下配电系统的无功平衡,无功补偿装置应按照分散就地补偿与变电站集中补偿相结合,以分散补偿为主;高压补偿与低压补偿相结合,以低压补偿为主,降损与调压相结合,以降损为主的原则。
各级电网应避免通过输电线路远距离输送无功功率,330kV、500kV电压等级系统与下一级系统间不应有大量的无功功率交换,主要考虑远距离输送无功功率,若输电线路故障跳闸,势必会造成受端电网大量的无功损失,此时受端电网可能出现电压崩溃。
超高压输电线路的充电功率应安装就地补偿的原则采用高低压并联电抗器基本予以补偿。
受端系统应有足够的无功备用容量,在受端的枢纽变电站应配置动态无功补偿装置。
以防止发电机组或输电线路发生事故后,系统由于缺少无功支撑而失去稳定。
35~220kV变电站容性无功补偿装置以补偿变压器的无功损耗为主,并适当补偿线路的无功损耗,补偿容量安装变压器容量的10%~25%配置,并满足220kV主变压器最大负荷时,其高压侧功率因数不低于0.95。
无功补偿装置的接入母线有直配负荷时,容性无功补偿容量按上限配置,接入母线无直配负荷时或变压器各侧出线以电缆为主时,容性补偿容量按下限配置。
220kV变电站无功补偿装置的分组容量应根据计算确定,单组的无功补偿装置投切后引起母线电压变化不应超过母线额定电压的2.5%,一般接于10kV电压等级时不宜大于8MVar;接于35kV电压等级时不宜大于12MVar;接于66kV电压等级时不宜大于20MVar。
对进出线以电缆为主的220kV变电站,根据电缆长度情况配置相应的感性无功补偿装置(并联电抗器),每台主变配置的感性无功补偿装置一般不大于变压器容量的20%。
第三章变电站无功补偿装置
3.1并联电容器组配置方式
并联电容器组是35~220kV变电站普遍配置的容性无功补偿装置,以220kV变电站为例,单台变压器容量一般为180MVA,按变压器容量的15%~20%配备无功补偿容量,即需要配备30~40MVar的无功补偿容量。
按照单组的无功补偿装置投切后引起母线电压变化不应超过母线额定电压的2.5%的规定,一般10kV侧配备4组8MVar的电容器组。
3.2并联电容器组接线方式
高压电容器组一般采用星形接线,星形又分单星和双星两种。
高压电容器组不采用三角形接线。
这是因为三角形接线的电容器组损坏率远高于星形接线,爆炸起火的事故多发生在三角形接线,这是因为三角形接线的电容器组当发生极间击穿时,相当于电源的相间短路,较大的短路电流流过故障电容器,使电容器外壳爆破。
采用星形接线时,电容器极间故障不会形成相间短路,其故障电流也只有电容器组相电流的3倍,因此高压并联电容器组只允许采用星形接线。
3.3并联电容器组元件
电容器组主要由电容器、串联电抗器、放电线圈、避雷器、接地开关、断路器、保护装置等组成。
(见图2)
3.3.1电容器
电容器常见的有壳式和集合式。
壳式使用较普遍,单台容量较小,常见的有334、445、823kVar。
集合式具有容量大(2700~10000kVar),占地面积小,维护工作小等优点;缺点是不可拆分,损坏后检修费用大。
并联电容器的无功容量Q决定于电容量C和施加在电容器上的电压以及频率。
无功容量Q=2πfCU2×10-3(kVar)
F——电网频率,Hz
C——电容器电容量,F
U——电容器的外施电压,kV
接入电网后电容器的实际容量与电压的平方和频率成正比,当运行电压降低时,并联电容器的容量随之降低。
所以电容器的投入要有一个提前量,即常要求的电容器应迎峰投入,保证电容器的最大效益。
3.3.2串联电抗器
串联电抗器其作用是限制电容器的合闸涌流和抑制谐波。
3.3.2.1限制电容器的合闸涌流
1)合闸涌流的产生
电容器投入时会产生涌流,涌流的频率较高,几百到几千赫兹,电流幅值比正常工作电流大几倍至几十倍,但持续时间短,小于20ms,涌流过大,可能造成断路器触头烧损,涌流产生的电动力可能使电容器组元件损坏,造成电流互感器、串联电抗器绝缘损伤等。
单组电容器投入时的涌流由工频和高频两部分组成。
工频部分是电容器流过的稳态电流,高频部分是暂态电流,由于回路中总有电阻存在,暂态电流很快衰减到零,单组电容器投入时,涌流倍数可高达20倍以上,这样高的涌流倍数,高压断路器一般能够承受。
涌流的计算:
例如:
额定电压10kV的电网,电容器组容量为10000kVar,电容器安装处的短路容量为P=500MVA,其合闸涌流计算如下:
Im=√2I=√2×10000/√3×10=810A
Icm=810×(1+√(500/10)=8.1=6600A
变电站一般都装设多组电容器,当第二组电容器投入时,第一组电容器将向第二组电容器充电,会有涌流的的叠加,危害增大,当投入三组或更多组时,情况将更加严重。
2)加装串联电抗器来限制合闸涌流
电抗率6%的电抗器可以将合闸涌流限制在5倍左右,上式中的(1+√XC/X)称合闸涌流倍数,串联电抗器后,增加一个XL,即Xc/(X+XL),因XL》X,当XL=6%Xc,即(1+√XC/X)=1+√100/6=5也就是说6%Xc的电抗器可将涌流限制在5倍左右,可以看出,电容器回路加装串联电抗器来限制合闸涌流,其作用明显,但加装电抗器后电容器的电压将升高。
引起电容器运行电压升高的计算公式:
式中Ucn—电容器上运行电压;
Usn-母线上电压;
K-串联电抗器的电抗率;
1/(1-K)称引起电容器端电压升高的放大倍数
3.3.2.2串联电抗器可以抑制谐波
电力系统的谐波是电网运行中存在的与工频频率不同的电磁波,我国电网频率为50Hz,波形是正弦规律变化的,三相对称,谐波如3、5、7……次谐波的存在,将使正常的波形畸变为非正弦波。
1)谐波对电力电容器的危害
由于电容器的容抗与频率成反比,因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多(减少为Xc/n),从而使谐波电流的波形畸变,即便电压中谐波所占的比例不大,也会产生显著的谐波电流。
特别是在发生谐振的情况下,很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流,导致电容器因过流而损坏。
2)谐波的来源
a)发电机产生谐波。
b)电力变压器产生谐波:
当变压器铁心饱和,磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波。
它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。
铁心的饱和程度越高,谐波电流也就越大。
c)晶闸管整流设备。
电力机车、充电装置、开关电源等设备采用移相控制,从电网吸收的是缺角的正弦波,从而给电网留下了一部分缺角的正弦波。
统计表明:
由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%。
d)变频装置。
常见于风机、电梯等设备中,由于采用了相位控制,谐波成份很复杂,随着变频技术的发展,对电网造成的谐波也越来越多。
e)家用电器。
电视机、DVD、计算机等,因调压整流装置,会产生谐波。
洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备也会使波形改变。
这些家用电器虽然功率较小,但数量巨大。
f)电弧炉、电石炉这些设备三相负荷不平衡,产生谐波电流。
g)气体放电类电光源。
如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯等。
分析与测量发现这类电光源的伏安特性的非线性十分严重,给电网造成谐波。
3)串联电抗器抑制谐波
当串联电抗器的n次谐波感抗与电容器的n次谐波容抗相等时,即nXL=1/(nXC)时构成串联谐振条件,则母线的n次谐波电压将被抑制。
对于3次谐波:
3XL=1/3XC,则XL=1/9XC=0.11XC
对于5次谐波:
5XL=1/5XC,则XL=1/25XC=0.04XC
实际设计中,变电站普遍采用串联12%~13%电抗器来限制3次及以上谐波,5%~6%电抗器限制5次及以上谐波。
不采用11%和4%,而是将电抗率取得稍大一点,目的是使电容器回路阻抗呈感
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