（电气工程专业论文）辽宁省500kv变电站及线路的无功补偿分析.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 无功功率补偿( 以下简称无功补偿) 作为保持电网高质量运行的一种主要手段之一， 作为当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越 多的关注。合理的无功电源配置能够有效地降低网损，保证电压质量，预防事故发生或 防止事故的扩大，从而提高电力系统运行的经济性、安全性和稳定性。 在5 0 0 k v 电网建设中，由于5 0 0 k v 输电线路充电无功功率大，为防止充电无功功 率流动引起电网有功损耗的增加，在电力系统安全稳定导则1 5 j 中规定，电网的无功 补偿应遵守分层分区就地平衡的原侧。为此在5 0 0 k v 输电线路和变电站建设的同时，首 先要确定补偿5 0 0 k v 输电线路的充电无功功率的方案，包括：电抗器的选择，电抗器装 设地点，以及高压电抗器与低压电抗器容量的比例。 因此，超高压电网中无功补偿的作用已得到普遍重视。采取何种有效的方法计算 5 0 0 k v 电网中的长距离输电的充电功率，以及对电网进行无功补偿的原则等问题将是本 论文所着重讨论的。本文首先介绍了5 0 0 k v 变电站无功补偿的目的、线路无功功率的计 算方法、无功损耗的计算方法以及高、低压电抗器的容量配合原则，其次分析了辽宁省 5 0 0 k v 线路无功补偿电抗器的配置情况，在此基础上，采用b p a 软件构建模型，以5 0 0 k v 本溪南渤海一北宁输变电工程为实例，分析确定了其具体的无功补偿配置方案。 关键词：变电站；线路；无功补偿；并联电抗器 辽宁省5 0 0 k v 变电站及线路的无功补偿分析 5 0 0 k vs u b s t a t i o na n dt h el i n er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni n l i l 霉1provincellaonmg r o v l n c e a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ) a st om a i n t a i nh i g h - q u a l i t yp o w e rt or u n ap r i m a r ym e a n so f , a st o d a y se l e c t r i cp o w e rs y s t e m a u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to fr e s e a r c hf a c i n gam a j o ri s s u e ，i sb e i n gm o r e a n dm o r ec o n c e r n ar e a s o n a b l ea l l o c a t i o no fr e a c t i v ep o w e rc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h en e t l o s st oe n s u r et h ev o l t a g eq u a l i t y ，p r e v e n ta c c i d e n t so rt op r e v e n tt h ee x p a n s i o no fa na c c i d e n t ， t h e r e b ye n h a n c i n gt h ee c o n o m i c so fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o ns e c u r i t ya n ds t a b i l i t y i nt h e5 0 0 k vp o w e rg r i dc o n s t r u c t i o n ，b e c a u s eo f5 0 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n ec h a r g i n g r e a c t i v ep o w e ro fb i g ，i no r d e rt op r e v e n tc h a r g i n gr e a c t i v ep o w e rf l o w sc a u s e db yt h e i n c r e a s ei n 鲥dp o w e rl o s si nt h e ”g u i d e l i n e sf o rp o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t y ”i nt h e p r o v i s i o n so ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ns h a l lb es u b j e c tt os u b - l a y e r o ft h eo r i g i n a l p a r t i t i o ni n - p l a c eb a l a n c e ds i d e t od ot h i si nt h e5 0 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n ea n ds u b s t a t i o n c o n s t r u c t i o n ，w em u s tf i r s ts t u d yi st oi n s t a l lh i g h v o l t a g er e a c t o rc o m p e n s a t e d5 0 0 k v t r a n s m i s s i o nl i n ec h a r g i n gr e a c t i v e p o w e r ，o rt h e i n s t a l l a t i o no fl o w p r e s s u r er e a c t o r c o m p e n s a t i o nf o r5 0 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n ec h a r g i n gr e a c t i v ep o w e r ；s e c o n d l yt os t u d y h i g h - v o l t a g er e a c t o rl o c a t i o na n di n s t a l l a t i o no fl o w - p r e s s u r er e a c t o rs i t e s ，a sw e l la st h e 1 1 i g h v o l t a g el o w p r e s s u r er e a c t o ra n dt h er e a c t o rv o l u m em t i o t h e r e f o r e ，t h ee h vp o w e rg r i di nt h er o l eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nh a sb e e n w i d e l ya t t e n t i o n w h a ta ne f f e c t i v em e t h o dt oc a l c u l a t et h e5 0 0 k vp o w e r 鲥do fc h a r g i n g l o n g d i s t a n c ep o w e rt r a n s m i s s i o n ，a sw e l la sp o w e rt o t h ep r i n c i p l eo fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o na n do t h e ri s s u e sw i l lb et h ef o c u so ft h i sp a p e ra r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ；l i n e s ；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r ；s h u n tr e a c t o r h 一 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 概述 1 1 超高压输变电工程无功补偿的研究背景 与电网中的有功损耗相比，无功损耗要大的多，这是因为高压线路、变压器的等值 电抗要比电阻大得多，并且变压器的励磁无功损耗也要比励磁有功损耗更大，事实证明 电网最基本的无功电源发电机所发出的无功功率远远满足不了电网对无功的需求， 因此对电网进行无功补偿显得尤为必要。另外，无功优化是电力系统安全、经济运行的 最重要的手段之一。随着电网规模日益扩大，负荷需求的不断增长，如何在满足负荷发 展需要的前提下，充分利用系统的无功资源保证系统的安全经济运行多年来一直是国内 外电力工作者们致力研究的问题。系统无功分布的合理与否直接影响着电力系统的安全 和稳定，并与经济效益直接挂钩，如果系统内无功功率不足，将使电压水平低下，系统 一有扰动，就可能使电压低于临界电压，产生电压崩溃从而导致系统因失去同步而瓦解 的灾难性事故。无功过剩也会恶化系统电压，危害系统和设备的安全，而且过多的无功 备用又会增加不必要的投资，另外如果系统仅以发电机无功出力来平衡系统无功将会有 大量无功在系统中流动，使线路压降增大，线路损耗增加，供电的经济性下降。因此合 理的无功电源配置能够有效地降低网损，保证电压质量，预防事故发生或防止事故的扩 大，从而提高电力系统运行的经济性安全性和稳定性。 辽宁电网作为一个典型的受端网，并且随着地区的跨越式发展，电网逐步扩张，电 力负荷快速增长，电网、发电厂以及单机容量也越来越大，电网覆盖的地理面积在不断 扩大。但是，由于本地电源严重不足，很大部分负荷依靠外送。要保证系统的稳定和优 良的电能质量，就必须解决远距离输电、电压调节及无功补偿等问题。电网依靠长距离 输电线路传输电力，随着地区发电总量在总负荷中比例的减少，负荷中心区日益远离电 源，无功电源不足。电网存在着无功补偿设备配置的不合理、运行状况的不均衡，系统 中用户无功功率负荷增长较快等等问题。尤其是一些局部地区存在变电站电压偏低、部 分用户电压超限等现象。另一方面电网中动态无功不足的问题日趋严重，缺乏动态无功 支撑，一旦多通道故障发生，将造成电网暂态电压严重跌落，甚至出现电压崩溃导致大 面积停电。目前，电网中主要采用并联电容器装置进行无功补偿，实际运行中由于电压 和设备故障等原因的制约，无功补偿设备的可用率和可投率较低，一些无功补偿装置不 能发挥应有作用，对系统的无功平衡不利，并造成不必要的资源浪费；同时用户侧功率 因数偏低，无功功率大量流动，增大了电压质量控制的难度，也增加了线路损耗。当事 故或电压骤降时，由于并联电容器是根据负荷预测和电压曲线进行手动或自动投切的， 辽宁省5 0 0 k v 变电站及线路的无功补偿分析 对电网的电压调节、补偿速度慢、能力差，且电压降低时其发出的无功功率随电压成平 方关系下降，将进一步恶化系统的电压状况。 因此，电网中无功补偿的作用已得到普遍重视。采取何种有效的方法计算5 0 0 k v 电 网中的长距离输电的充电功率，以及对电网进行无功补偿的原则等问题将是本论文所着 重讨论的。 1 2 无功补偿技术的发展 电网无功补偿方法有很多种，从传统的带旋转机械的方式到现代的电力电子元件的 应用经历了近一个世纪的发展历程，下面将按无功补偿方式的发展顺序逐一论述电网的 无功补偿方法。 1 2 1 同步调相机 随着电力系统的发展，要求对无功功率进行动态补偿，从而产生了同步调相机 ( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r - s c ) 。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠 励磁的情况下，能够分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自2 0 世纪2 0 、3 0 年代 以来的几十年中，同步调相机在电力系统中作为有源的无功补偿曾一度发挥着主要作 用，所以被称为传统的无功动态补偿装置。然而，由于它是旋转电机，运行中的损耗和 噪声都比较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。同步 调相机正逐渐被投资更少性能更优的新型无功补偿设备所取代。 1 2 2 并联电容器 并联电容器是目前电网中应用最为广泛的一种无功补偿设备，只能发出无功功率， 不能吸收无功功率。它借提高负荷侧功率因数以减少无功功率流动而提高受端电压、降 低网损。它需要根据负荷的变化而进行频繁的投入或切除操作，而此投入或切除操作通 常用机械开关控制，因此不能准确快速的实现无功功率补偿。另外在系统电压出现紧急 状态时，并联电容器组的明显缺点是其无功输出量随电压的平方下降，因此，当电网无 功不足需要投入并联电容器进行无功补偿时，最好在高峰负荷到来之前就将电容器组投 入，使电网电压提高至上限运行，这样可防止高峰负荷时电压的过分下降，若在电网电 压已经下降后采取措施，则补偿效果不好，但又因为它的价格便宜、易于安装、没有旋 转部件以及维护也较为方便而得到许多电力公司的青睐。 1 2 3 并联电抗器 并联电抗器用于吸收超高压长距离架空线和电缆线的过剩无功功率，防止正常运行 时有过多的无功功率注入负荷。并联电抗器吸收的无功功率q l 与所在母线电压u 平方 大连理工大学专业学位硕士学位论文 成正比即q l _ u 2 x l ，式中的x l 为并联电抗器感抗。并联电抗器一般以直接接到超高 压线路或母线，或经主变三次侧或较低电压母线两种接线设置方式接入电网，若采用并 联电抗器直接接到超高压线路上，优点是可以限制高压线路的过电压，与中性点小电抗 配合，有利于超高压长距离输电线路单相重合闸过程中故障相的消弧，从而保证单相重 合闸的成功，不足是造价过高。若接到主变三次侧或较低电压母线上，优点是造价低、 操作简便，具体采用何种方式，依具体情况而定。 1 2 4 静止无功补偿器 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装置推上 了无功补偿的舞台。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系统中演示运行了晶闸管的静 止无功补偿装置。1 9 7 8 年此类装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竟相推出 了各具特色的系列产品。近l o 多年来，占据了静止无功补偿装置的主导地位。于是静 止无功补偿装置( s v c ) 成了专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗 器( t h y r i s t o r o n t r o l l e d r e a c t o r - t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y i s t o r s w i t c h e d c a p a c t o r - t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者t c r 与固定电容器( f i x e d c a p a c i t o r - f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l ys w i t c h e dc a p a c i t o r m s c ) 混合使用的装 置( 即t c r + f c 、t c r + m s c ) 等。 1 2 5 静止无功发生器 静止无功发生器( s v g ) 也被称为静止同步补偿器( s t a t c o m ) 或静止调相机 ( s t a t c o n ) ，是在2 0 世纪8 0 年代以来出现的更为先进的静止无功补偿装置。装置 中六个可关断晶闸管( g t o ) 分别与六个二极管反向并联，适当控制g t o 的通断，可 以把电容器c 上的直流电压转变成为与电力系统电压同步的三相交流电压，装置的交流 侧通过电抗器或变压器并联接入系统。适当控制逆变器的输出电压就可以灵活地改变 s v g 的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。与s v c 相比，s v g 的 响应速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量更小，尤其重要的是，电压较低时s v g 仍可向系统注入较大的无功电流，它的储能元件( 如电容器) 的容量远比它所提供的无 功容量要小。 1 3 无功补偿的意义 电压是电能质量的重要指标之一，电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路 损失、工农业安全生产、产品质量、用电单位和人民生活用电都有直接影响。无功电力 是影响电压质量的一个重要因素，电压质量与无功是密不可分的，无功功率从电源端经 辽宁省5 0 0 k v 变电站及线路的无功补偿分析 线路和变压器向负荷端输送，要产生电压损耗，高压线路和变压器的电压损耗主要取决 于通过无功功率，输送的距离越远，中间环节越多，引起电压降也就越大，负荷端的电 压也就越低。合理配置无功电源，使无功功率就近平衡，不仅可以提高电压水平，而且 可以减少电网中有功功率的损耗。 1 3 1 提高电压质量 配电网中无功补偿设备的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。合理安 装补偿设备可以改善电压质量。由于越靠近线路末端，线路的电抗x 越大，因此，越靠 近线路末端装设无功补偿装置效果越好。 1 3 2 降低电能损耗 安装无功补偿主要是为了降损节能，如输送的有功功率p 为定值，加装无功补偿设 备后功率因数由c o s q ) 提高到了c o s q ) l ，因为p = u l c o s q ) ，负荷电流i 与c o s c p 成反比，又 由于p = 1 2 r ，线路的有功损失与电流i 的平方成反比。当c o s q 升高，负荷电流i 降低， 即电流i 降低，线路有功损耗就成倍降低。反之当负荷的功率因数从1 降低到c o s ( 1 0 时， 电网元件中功率损耗将增加的百分数为a p l ，由式1 1 计算： a p l = ( 1 c o s 2 q 1 ) x 1 0 0 ( 1 1 ) 1 3 3 提高发供电设备运转效率 在设备容量不变的情况下，由于提高了功率因数可以少送无功功率，因此可以多送 有功功率。可多送的有功功率a p 可由式1 2 计算，其中p l 为补偿前的有功功率。 a p = p i - p = s ( c o s q o i - c o s q d ( 1 2 ) 如需要的有功不变，则由于需要的无功减少，所需配电变压器容量s 也相应减少。 即式1 3 。 s = s s 1 2 p 【( 1 c o s ( i o ) 一( 1 c o s q h ) 】 ( 1 3 ) 可减少的供电设备容量占原容量的百分比为s s 。即式1 4 s s = ( c o s q h c o s q ) ) c o s q h = l 一( c o s q 0 c o s q ) 1 ) ( 1 4 ) 安装无功补偿装备，可使发电机多发有功功率。系统采用无功补偿后，使无功负荷 降低，发电机就可少发无功，充分达到铭牌出力。 1 4 课题研究内容 ( 1 ) 调查辽宁省2 0 0 5 年、2 0 0 8 年所有5 0 0 k v 变电站高、低压电抗器配置以及具体运 行情况。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 ) 对5 0 0 k v 变电站无功补偿部分进行理论分析并研究无功补偿的具体配置步骤， 重点研究5 0 0 k v 长距离线路的高、低压电抗器配置原则。 ( 3 ) 以5 0 0 k v 本溪南一渤海一北宁输变电工程为例，应用b p a 程序对该工程线路高、 低压电抗器配置方案进行计算分析，经过技术及经济比较确定最终配置方案。 辽宁省5 0 0 k v 变电站及线路的无功补偿分析 25 0 0 k v 变电站无功补偿的理论分析与步骤 2 15 0 0 k v 变电站装设高压电抗器的目的 电力系统安全稳定导则1 5 第2 3 2 条中规定：电网的无功补偿应以分层分区和就 地平衡为原则，并应随负荷( 或电压) 变化进行调整，避免经长距离线路或多级变压器 传送无功功率，3 3 0 k v 及以上电压等级线路的充电功率应基本上予以补偿。补偿5 0 0 k v 输电线充电功率既可装高压电抗器也可装低压电抗器，遇到下列情况应装设高压电抗 器。 2 1 1 减少潜供电流和恢复电压的需要 由统计资料知，5 0 0 k v 输电线路的故障绝大部分为单相瞬时接地短路，为保持系统 稳定运行，当线路发生单相瞬时接地短路，单相重合闸装置使接地相两端断路器跳开后， 其它两相仍在运行。由于相间静电电容耦合和相间互感耦合，接地点仍流过一定的电流， 这个电流就是潜供电流，接地点电流过零时故障相的电压称为恢复电压。 潜供电流1s 由静电电容感应( 相间电容c m 感应的s c ) 分量和电磁感应互感( 相间 互感m 感应的，s m ) 分量二部分组成，即，s = is c 十，s m 。潜供电流中的静电电容感应 分量，是由健全相通过相间电容c m 经故障相的接地电弧流入大地的容性电流，其值与 该线的长度成正比( 当线路长度一定，该电流基本不变) ，且与故障点位置无关。当忽略 电源漏抗和导线电感，则每相沿线电压相等。假设故障前输电线三相对称电压为，a 、 b 、c ，当c 相发生故障，c 相两端断开，c a 、c b 为a 相、b 相对c 相单位长度输 电线的互电容，e 为输电线路的长度。则c 相故障点处流过的潜供电流静电电容感应分 量s c 通过图2 1 ，可用式2 1 表示。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 b c i钐 一 八 ，、 斗。 二c a i af1 一一i b 八j l 二c b f，一 l 。l a 故障点、，k f 一上 。 c o 二 一t i s 卜一x 一 图2 1 单相瞬时故障示意图 ，s c = j ( i ) e ( c a ，a + c b b ) ( 2 1 ) 通过合理的选择高压电抗器的容量和中性点小电抗的电阻，可以部分或全部消除潜 供电流中的静电电容感应分量。 潜供电流中的电磁感应互感分量，是由健全相的负荷电流通过互感m 产生的电磁 感应电动势s m _ j ( 1 ) e ( m a ia 十m b ib ) 作用于接地弧道以及故障相对地电容而产生的 电磁感应互感电流，s m ，其大小和方向基本上取决于故障点的位置和健全相负荷电流的 大小。当故障点在线路中间( 点) 时，由于故障点两侧线路对称，潜供电流中的电磁感应 互感电流，s m 接近0 。故障点在线路的首端或未端，由，s m 作用于弧道上产生的电磁 感应互感电流，s m 最大，且符号相反，is m = us m j6 0e l = ( m a ia + m b ，b ) l ，l 为c 相 线路的自感。 由于潜供电流计算比较复杂、繁琐，一般利用b p a 程序计算或利用e m t p 程序计 算。根据对东北新建和己建l o 条每相4 分裂单回5 0 0 k v 输电线潜供电流的计算，在无 高压电抗器条件下潜供电流由o 1 3 3 4 a k m 到o 1 5 3 9 a k m 间变化，平均为0 1 4 0 1 a k m 。 经实测每相4 分裂的单回5 0 0 k v 董家一辽阳输电线潜供电流为o 1 3 3 3 a k m 。有关文件给 出每相6 分裂紧凑型单回5 0 0 k v 输电线潜供电流为o 3 4 0 3 5 a k m ，同塔双回5 0 0 k v 输 辽宁省5 0 0 k v 变电站及线路的无功补偿分析 电线潜供电流是单回5 0 0 k v 输电线潜供电流的1 6 1 8 倍，上述值可供校核与估算时参 考。 当潜供电流和恢复电压值较大时，会使故障处的电弧不易熄灭，单相重合闸的动作 时间就会延长。根据运行经验和试验结果，国际大电网1 9 7 4 年会议资料推荐潜供电流 自灭时间t p 与潜供电流i s 关系，可利用式2 2 来计算 t p = 0 2 5 ( 0 1 l s + 1 )( 2 2 ) 式中 t p 潜供电流的自灭时间( s ) ， i s 一潜供电流值( a ) 。 为了采用快速自动重合闸，并确定重合闸的动作时间，就必须计算线路的潜供电流 和恢复电压的大小，并研究减小它的措施。一般来说，线路较短，潜供电流较小，熄弧 时间短，单相重合闸动作时间短，能够满足系统稳定要求：线路较长时，潜供电流较大， 熄弧时间长，单相重合闸动作时间也长，而不能满足系统稳定要求。但线路长时，线路 往往装设并联高压电抗器，如果选择适当的小电抗器装设在高压电抗器的中性点上，由 于中性点小电抗所形成的相间等值电抗，对线相间电容进行了补偿，那么并联电抗器的 中性点小电抗就可有效补偿相间电容，大大减少潜供电流的容性分量，从而有效地限制 线路的潜供电流不超过2 0 a 。 2 1 2 降低工频过电压的需要 工频过电压主要由空载线路的电容效应、不对称接地效应和甩负荷效应等原因单独 或组合作用产生的，例如单相接地、三相断开的工频过电压是由接地故障、负荷突变和 法兰梯效应三种暂态过电压组成。它的大小与电网结构、电源容量、线路长度、参数、 运行方式和故障形态有关。工频过电压的大小直接影响避雷器额定电压的选择，影响系 统操作过电压水平，在超高压电网中，它是绝缘配合的基础，因此需要研究系统的工频 过电压水平。 工频过电压单位为标幺值，基准值为l p u = 5 5 0 4 5 k v 。对于工频过电压，我国规程 规定，线路断路器的变电所侧( 即母线侧) 及线路侧应分别不超过网络最高运行相电压 ( 5 5 0 3k v ) 的1 3 倍和1 4 倍，如果线路的工频过电压超过上述要求，应采取措施加 以降低。工频过电压属于暂时过电压范畴，可用对称分量法进行计算，例如利用b p a 程序进行计算。 降低工频过电压措施有，在线路上装设并联高压电抗器或线路上装设良导体地线。 高压电抗器主要作用之一是限制工频过电压，为此高压电抗器必须一直接在线路上，当 大连理工大学专业学位硕士学位论文 高压输电线输送功率较大时，高压电抗器也不允许退出，甚致线路剩余充电功率小于高 压电抗器容量，不得不在变电所内安装一定容量的电容器向高压电抗器供无功。 2 1 3 当发电厂单机带空载长线时，限制自励磁过电压的需要 根据电力系统设计技术规程1 6 】第6 1 5 条，当发电厂单机带空载长线时，必须核 算自励磁过电压问题。在系统设计中，一般只研究同步发电机在什么条件下可能发生自 励磁。决定自励磁边界的一般方法，是研究对应电机回路电压微分方程式的特征方程式 的根。如果特征方程式所有复根的实部和实根都为负值，则不会发生自励磁。决定特征 方程式全部复根实部和实根都为负值的条件，可用霍尔维茨判据。不发生自励磁的判据 由式2 3 确定： q c x d ( 2 3 ) 式中h 发电机额定容量( m v a ) ， 蟛c 线路充电功率( m v a r ) ， a d 发电机等值同步电抗( 包括升压变压器，以发电机容量为基准) 标幺 值。 当发电机容量小于q c - x d 值时，可采取在输电线上装设高压并联电抗器办法，使 发电机同步电抗x d 小于线路等值容抗x c ( 包括升压变压器及电抗器) 即l 托l 苦。n靶仆嘣廿 oon一c匝 仪秘堪扑千酪遥扑爿咿扑kh剐毒fk 辽宁省5 0 0 k v 变电站及线路的无功补偿分析 3 2 辽宁省5 0 0 k v 高、低压电抗器装设与运行情况分析 3 2 12 0 0 5 年辽宁省5 0 0 k y 电网高、低压电抗器装设情况分析 截止到2 0 0 5 年年底，辽宁省有2 座电厂9 座5 0 0 k v 变电站接入5 0 0 k v 电网，各电 厂、变电站2 0 0 5 年装设高、低压电抗器及补偿度如表3 1 所示。 表3 12 0 0 5 年辽宁省高、低压电抗器装设情况 连接各条 5 0 0 k v 线路 高压电抗器低压电抗器 高、低压电 高、低压电 序电厂或变电5 0 0 k v 线路长 抗器总容量抗器总补 号站名称度的一半的总 充电功率q ( 容量 补偿度容量补偿度 ( m v a r )( m y a r )偿度( ) 和( k m )( m v a r )( )( m v a r )( ) l 绥中电厂 8 o9 2 0 o1 2 01 3 0 4 3 51 2 01 3 0 4 3 5 2 董家变 5 3 7 26 1 7 86 0 09 7 1 loo6 0 09 7 1 l 3 高岭变 1 1 2 31 2 9 13 0 0 2 3 2 3 8 4 沙河营变 1 8 4 32 1 1 9oo 1 2 0 5 6 6 21 2 0 5 6 6 2 5王石变4 2 1 34 8 4 53 0 06 1 9 21 8 03 7 1 54 8 09 9 0 7 6 辽阳变 2 9 2 83 3 6 7o02 4 07 1 2 82 4 07 1 2 8 7 沙岭变 2 3 2 2 6 6 8 o01 2 04 4 9 81 2 04 4 9 8 8沈东变6 06 90o6 08 6 9 66 08 6 9 6 9 铁岭电厂 4 3 5 55 00oo0o0 1 0徐家变3 7 1 0 54 2 6 73 0 07 0 32 4 05 6 2 55 4 01 2 6 5 5 1 l 南关岭变 2 5 0 32 8 7 8oo3 0 01 0 4 2 23 0 01 0 4 2 2 1 2合计2 5 1 2 82 8 8 9 51 5 0 05 1 91 3 8 04 7 7 62 8 8 09 9 6 6 对表3 1 进行分析可知： 1 ) 辽宁省5 0 0 k v 电网高压电抗器补偿度为5 1 9 ，低压电抗器补偿度为4 7 7 6 ， 高、低压电抗器总补偿度为9 9 6 6 。满足国家电网公司电力系统电压质量和无功电 力管理规定1 9 第十七条“对3 3 0 k v 及以上超高压线路充电功率应按照就地补偿的原则 采用高、低压电抗器基本予以补偿 的要求。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 ) 在5 0 0 k v 董家变电站中不应只装高压电抗器一种补偿设备 由于元宝山董家双回5 0 0 k v 线上高压电抗器都装在董家5 0 0 k v 变电站内，不仅 大负荷时要在与董家变电站相联接的5 0 0 k v 输电线上有无功流动，就是在小负荷甚至空 载时也要在与董家变电站相联接的5 0 0 k v 输电线上有无功流动，因而造成5 0 0 k v 电网 网损加大。该情况与电力系统安全稳定导则【5 】第2 3 2 条规定“电网的无功补偿应以 分层分区和就地平衡为原则，并应随负荷( 或电压) 变化进行调整，避免经长距离线路 或分级变压器传送无功功率。”的规定相违背。 由于双回5 0 0 k v 线的高压电抗器都接在一个变电站内，不仅造成无功在5 0 0 k v 线 上流动，引起网损增加，而且引起电网电压水平降低。例如元宝山董家双回5 0 0 k v 线 上2 组1 5 0 m v a r 高压电抗器由都接在董家，改为元宝山、董家各装1 组1 5 0 m v a r 高压 电抗器，不仅减少网损，还能使董家5 0 0 k v 侧电压提高2 1 k v ，王石变电站和辽阳变电 站5 0 0 k v 侧电压提高l k v 左右。再如丰徐双回5 0 0 k v 线上2 组1 5 0 m v a r 高压电抗器由 都接在徐家，改为东丰、徐家各装1 组1 5 0 m v a r 高压电抗器后，使东丰5 0 0 k v 侧电压 降2 7 k v ，徐家电压升高1 8 k v ，王石和辽阳电压升高0 8 k v ，沙岭升高o 5 k v 。 3 ) 5 0 0 k v 电网高压电抗器的补偿度不宜超过5 0 。 当5 0 0 k v 输电线上潮流为7 0 0 m v a r 时，5 0 0 k v 输电线上无功功率损失为5 0 0 k v 输 电线上充电无功的5 0 ，对5 0 0 k v 董家变电站此时要从与5 0 0 k v 董家变电站相联的 5 0 0 k v 输电线上受2 9 1 m v a r 无功。 由此可见，对5 0 0 k v 董家变电站而言，装设高压电抗器容量不应超过该变电站联接 线路充电功率的5 0 ，才能防止5 0 0 k v 输电线上有无功窜动。 3 2 2 对2 0 0 8 年辽宁省5 0 0 k v 电网高、低压电抗器运行情况的调查 由于元宝山电厂与辽宁电网联系紧密，因此在计算补偿容量、补偿度以及无功平衡 时将元宝山电厂设备包括在内。2 0 0 8 年，公司供电范围内5 0 0 k v 线路长度为2 7 0 6 3 3 2 k m ， 在5 0 0 k v 电压下充电无功约为3 8 0 5 m v a r ；安装高压并联电抗器2 1 组，容量1 9 5 0 m v a r ； 安装低压并联电抗器3 6 组，容量2 1 3 0 m v a r ；5 0 0 k v 接网机组考虑检修及备用容量后( 按 4 0 考虑) 可发无功6 2 0 m v a r 。考虑上述因素后，辽宁5 0 0 k v 电网无功补偿度约为0 9 7 4 ( 5 0 0 k v 电网向2 2 0 k v 电网下落无功功率约为2 2 3 5 0 m v a r ，这部分无功根据2 2 0 k v 电 网电压水平通过投切低压电抗器在5 0 0 k v 变电站内进行平衡) 。 辽宁省5 0 0 k v 变电站及线路的无功补偿分析 表3 22 0 0 8 年辽宁5 0 0 千伏电网无功平衡情况单位：唧、m v a r 最大方式最小方式 无功源 有功无功有功无功 发电厂送入网内 2 5 0 01 2 l o6 2 03 0 0 线路充电无功o4 1 1 504 1 8 5 高抗消耗无功02 2 4 0o2 3 5 0 低抗消耗无功 o 1 7 8 501 9 0 0 送2 2 0 千伏系统 2 4 0 01 3 0 06 1 5 2 3 5 辽宁省1 1 个变电站和发电厂中，有4 个变电站中装设高压电抗器，高压电抗器总 容量为1 5 0 0 m v a r ，高压电抗器占高、低压电抗器总容量的5 2 ，高压电抗器的补偿度 达5 1 9 。由于高压电抗器死接在输电线上，除5 0 0 k v 送电线检修外，高压电抗器始终 投入运行。 辽宁省1 2 个变电站和发电厂中，有9 个变电站和发电厂中装设低压电抗器，装设 低压电抗器总容量1 6 2 0 m v a r ，低压电抗器补偿度为4 7 7 6 。对2 0 0 8 年辽宁省5 0 0 k v 电网低压电抗器运行情况进行调查，有5 个变电站中低压电抗器切除( 退出) 运行，如 表3 3 所示。 表3 32 0 0 8 年辽宁省5 0 0 k v 电网低压电抗器切除情况 序号变电站名称装设低压电抗器容量( m v a r )切除低压电抗器容量( m v a r ) 1 绥中电厂 1 2 0 2 沙河营变1 2 06 0 3 王石变 1 8 01 8 0 4 辽阳变2 4 02 4 0 5 沙岭变 1 2 0 6 沈东变6 0 7 徐家变 2 4 02 4 0 8 南关岭变 3 0 03 0 0 9 鞍山变 2 4 0 合计 1 6 2 01 0 2 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 模型构建及b p a 软件介绍 4 1 模型构建 4 1 1 发电机模型 发电机模型采用六绕组模型( d 、q 轴) 。其示意图如图4 1 所示： b c 图4 1 发电机模型 a 兵甲x 、y 为阻尼绕组，f 为励械绕组，g 为由于q 轴饫心冈邵构厩圈翘跆阻尼线幽。 其方程为： = 一兄+ 一义： ( 4 i ) = 一兄屯+ 艺一巧 ( 4 2 ) 瓦鲁= 【p ：一一( e 一髟) 屯】 ( 4 3 ) 乃。鲁嘶t 等嵩( 艺一棚 ( 4 4 ) 礞鲁= 【p ：一p ：+ ( e 一一) 】 ( 4 5 ) 巧每“一瓣亿毛) 】 ( 4 6 ) 辽宁省5 0 0 k v 变电站及线路的无功补偿分析 丁= 艺屯+ + ( 义：- x ；) ( 4 7 ) 其转子运动方程为： m 警+ 。i d 6 = 一瓦 ( 4 8 ) 模型中引入了“速度项 ，即角度的一次微分项，使其电机阻尼特性较好，可近似 考虑机械风阻，发电机近处负荷随速度变化而具有的阻尼等。 发电机模型的参数大致如下： r a 一定子电阻 x d 一直轴次暂态电抗 x q ”一交流次暂态电抗 x d 一直轴暂态电抗 x q 一交流暂态电抗 x d 一直轴不饱和同步电抗 x q 一交轴不饱和同步电抗 t d o 一直轴暂态开路时间常数 t q o 一交轴暂态开路时间常数 t d o ”一直轴次暂态开路时间常数 t q o ”一交轴次暂态开路时间常数 4 1 2 连续、旋转直流励磁系统模型 连续、旋转直流式励磁系统模型见图4 2 ，该模型在国内较常见。 图4 2 连续、旋转直流式励磁系统模型 模型输入数据如下： 1 ) 指定：t r ，k a ，t a ，t a l ，v r m i nm u l t = 1 0 ，s e 7 5 胁蛾，s e ，e f d m a x ，k f ，t f ，k e ，t e 2 ) v r m a x = ( s e m a x + k e ) e f d m a x 3 ) v r m i n = v r m a xv r m r nm u l t 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 ) 对它励系统k e = l ，自励系统k e = o 连续、旋转直流式励磁系统模型的参数大致如下： t r 一滤波器时间常数 k a 一调压器增益 t a 一调压器放大器时间常数 t a l 一调压器放大器时间常数 v r m i n m u l t 用以确定v r m i n 的因子，v r m r n = v r m a x x v r m i n m u l t ，而v r m a x = ( s e m a ) c + k e ) e f d m a x ，这里v r m n nm u l t 一般都取为一1 0 k e 一与励磁方式有关的常数 t e 一励磁机时间常数 s e 7 5 m a x - - 7 5 最大励磁电压时励磁机饱和系数 s e m a x 一最大励磁电压时励磁机饱和系数 e f d m i n 一最小励磁电压，约为一3 5 ，经整流后励磁( 如交流励磁机) 则为0 e f d m a x 一最大励磁电压，约为3 5 k f 一调压器稳定回路增益 t f 一调压器稳定回路时间常数 4 1 3 电力系统稳定器( p s s ) 模型 电力系统稳定器( p s s ) 模型如下图4 3 所示： 图4 3 电力系统稳定器模型 本模型中时间常数的单位都是秒。频率偏差输入信号可以是发电机本身的速度偏 差、某一个母线的频率偏差或者根据发电机虚拟电势e o 计算出的频率偏差。 电力系统稳定器( p s s ) 模型的参数大致如下： t 1 一滤波器时间常数( 秒) t 2 滤波器时间常数( 秒) t 3 一滤波器时间常数( 秒) ，必须大于0 t 4 一滤波器时间常数( 秒) ，必须大于0 t 5 一滤波器时间常数( 秒) ，必须大于0 辽宁省5 0 0 k v 变电站及线路的无功补偿分析 t 6 一滤波器时间常数( 秒) k l 一速度信号放大倍数 k 2 一加速度信号放大倍数 a 一放大倍数，不能为0 p 一相位 4 1 4 静态负荷模型 静态负荷模型如下式4 9 、4 1 0 所示： 矿矿 p = e o t e , 岩on每*工f柱删帮群h暑摄惜暑田 $求挚奄督限g啬餐嘣埒掣制三8”舡卜if 匝帕临2睁部蜒垛r曾苦on与*if怔删_砰群h害靠恃n丑 烈错晕扑书甚掣扑爿咿扑h噩辜ck 田爝舞佰幢靶hk竹睦鲴子工f廿一一on c - n 丑 嚣末牡毒霄恫足龉蝌魁若印制至8n率仆删 大连理工大学专业学位硕士学位论文 5 2 工频过电压计算 工频过电压主要由空载线路的电容效应、不对称接地效应和甩负荷效应等原因单独 或组合作用产生的，它的大小与电网结构、电源容量、线路长度、参数、运行方式和故 障形态有关。工频过电压的大小直接影响避雷器额定电压的选择，影响系统操作过电压 水平，在超高压电网中，它是绝缘配合的基础，因此需要研究系统的工频过电压水平。 | c 工频过电压单位为标幺值，基准值为p 甜25 3 u 4 3k v 。对于工频过电压，我国规程 规定，线路断路器的变电站侧( 即母线侧) 及线路侧应分别不超过网络最高运行相电压 广 ( 5 5 0 4 3k v ) 的1 3 倍和1 4 倍，如果线路的工频过电压超过上述要求，应采取措施 加以降低。 冬大运行方式下，对5 0