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110kV变电站无功功率补偿装置设计应用浅谈李建兵
通过对电网无功补偿的浅析，对110kV变电站无功补偿型式的解读，对110kV变电站10kV并联电容器的组成形式、接线构成、摘要：
保护配置进行了简单的介绍，探讨在110kV变电所进行无功补偿装置设计的可适用性。
并联补偿装置；有功功率；无功功率；无功补偿装置；视在功率；功率因素；无功功率就地补偿；无功功率平衡；无功损耗；等容量关键词：
分组方式；等差容量分组方式；带总断路器的等容量分组方式；带总断路器的等差容量分组方式；先并后串接线；先串后并接线；三角形）接线；星形（Y）接线，双星形（Y）接线（△Y0接线；
引言
加装补偿装置的一大部分是设置于发电厂、变电所、配电
所中，大部分连接在这些厂站的母线上，当然也有的补偿装置是并联或串联在线路上。
1基础概念浅述
所谓电能质量，主要是指所提供电能的电压、频率和波形
效率最是否合格，在合格的电能下工作，用电设备性能最好、
高，电压质量是电能质量的一个重要方面，同时，电压质量的高低对电网稳定、经济运行也起着至关重要的作用。
（1）电压与无功补偿电压顾名思义就是电（力）的压力。在电压的作用下电能从电源端传输到用户端，驱动用电设备工作。
交流电力系统需要电源供给两部分能量，一部分将用于做功而被消耗掉，我们称为“有功功率”（通常用P表示）。另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有做功，这部分能量我们称为“无功功率”（通常用Q表
。在电力系统中，除了负荷无功功率外，变压器和线路的电示）
抗上也需要大量无功功率。
电容和电感并联接在同一电路时，当电感吸收能量时，正好电容释放能量；电感放出能量时，电容正好吸收能量。即电感性负荷所需的无功功率，可以由电容器的无功输出得到补偿，因此我们把具有电容性的装置称为“无功补偿装置”。
若电力负荷的视在功率为S，有功功率为P，无功功率为有功功率、无功功率和视在功率之间的关系可以用一个直角Q，
三角形来表示。有功功率与视在功率的比值，我们称为功率因数，用cosφ表示，cosφ=P。它表明了电力负荷的性质。
S（P2+Q2）=UIS=姨
P=Scosφ＝UIcosφQ=Ssinφ＝UIsinφ
有功功率的常用单位为千瓦（kW），无功功率为千乏（kVar），视在功率的单位为千伏安（kVA）。
无功功率按电路的性质有正有负，Q为正值时表示吸收无功功率，Q为负值时表示发出无功功率。
（2）电压水平与无功功率补偿
当输电线路或变压器传输功率时，电流将在线路或变压器
即有功功率在阻抗上产生电压损耗。电压损耗由两部分组成，
电阻上的压降和无功功率在电抗上的压降。
一般说来，在输电线路（特别是高压、超高压线路）、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。因此，无功功率是造成电压损耗的主要因素。
当输电线路、变压器传输功率时，会产生电压损耗，因而影
变压器等电网元响了电网各处电压的高低。如果能改变线路、
件上的电压损耗，也就改变了电网各节点的电压状况。
要改变电压损耗有两种办法。①改变元件的电阻；②改变元件的电抗。除了用改变电力网参数来减少电压损耗以外，改变电压损耗的另一个重要方面是改变电网元件中传输的功率。
（3）无功功率补偿概念当今电厂受水、环保等多方面的制约，它的位置越来越远离负荷中心，即使建在靠近负荷点，由于单机容量越来越大，发电机的额定功率因数也越来越高，这样，电网实际接受的无功功率就越来越少，单靠发电机发出的无功功率远远不能满足电网对无功功率的需要，必须配置各种无功功率补偿装置。
（4）无功功率就地补偿的概念
无功功率补偿的原则是做到无功功率分层分区平衡，就是要做到哪里有无功负荷就在那里安装无功补偿装置。
（5）无功功率平衡的概念在电力系统中，频率与有功功率是一对统一体，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，而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。电压与无功功率也和频率与有功功率一样，是一对对立的
电压就正常，达到额统一体。当无功负荷与无功出力相平衡时，
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。
而系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力，这是由于现代超高压电网包括各级变压器和架空线路在传送电能时需要消耗大量的无功，称为“无功损耗”，我们以一台63MVA的110kV变压器为例来了解变压器在运行中的无功损耗情况。
变压器的参数为：Ue=110kV，Se=63MVA，Uk%=17%，变压器在传送电能时的无功损耗的计算式为：
2
（I）Q=SeUK%Ie
式中：—变压器的负荷电流；I——
—变压器的额定电流，与变压器的无功损耗与变Ie——
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压器的负载率、变压器的额定容量及短路阻抗有关。
如果这台变压器满负荷运行（即I＝I）e，那么它的无功损耗就是：
Q=63MVA×17%=10.71MVar
此时变压器的无功损耗相当大，其低压侧安装的并联电容器组的容量甚至不够补偿变压器满负荷时的无功损耗。所以合理
的就地无功补偿对调整系统电压、
降低线损有十分重要的作用。2电能质量改善演化简介
我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设
备而长期处于低电压运行状态。有些地方利用调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题，这就是各地供电局普遍
采用有载或无载调压变压器的初衷。开始，
这种办法也有一些效果，某些供电点电压升高了，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。
3并联电容器
作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点：（1
）电容器是最经济的设备。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。现代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。（4）电容器的应用范围广，可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在配电系统和厂矿用户。
所以并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90%的无功补偿设备是并联电容器。
4并联电容器组
4.1并联电容器装置的分组
分组原则：
并联电容器装置的分组主要由系统专业根据电压波动、负荷变化、谐波含量等因素确定，电气一次专业根据设备选择要求提出意见。
（1）配电所装设的并联电容器装置的主要目的是为了改善
电网的功率因数。因此，
为保证一定的功率因素，各组应能随负荷的变化实行自动投切。负荷变化不大时，可按主变台数分组、手动自动投切。
（2）终端变电所的并联电容器装置，主要是为了提高电压和补偿主变压器的无功损耗。此时各组应能随电压波动实行自动投切。
（3）对于110～220kV变压器带有载调压装置的变电所，应按有载调压范围分组，并按电压或功率因素的要求实行自动投切。
（4）对于3次及以上高次谐波含量较高的电网，需要在并联电容器装置的各组电容器中分别串接2.5～3％、5～6％或12～
13％的串联电抗器，
并根据需要抑制的谐波电流次数（或的谐波电压次数），有针对性的进行选控。
分组方式：
并联电容器装置的分组方式有如下几种方式：（1）等容量分组方式。分组断路器不仅要满足频繁切合并联电容器组的要求，而且还要满足开断短路的要求，这种分组
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方式是应用较多。
（2）等差容量分组方式。由于该分组方式中的断路器设计
与等容量分组方式相同，只是由于其分组容量之间成等差级数关系，从而使并联电容器装置可按不同投切方式得到多种容量组合。
（3）带总断路器的等容量分组方式。该方式与上述分组方式的不同之处在于设置了带有短路保护的总断路器，而每组电容器设置的断路器仅用于投切断路器。
（4）带总断路器的等差容量分组方式。
4.2并联电容器装置的接线
电容器的接线通常分为三角形（△）和星形（Y）两种方式。
此外，还有从星形（Y）派生出来的双星形（每个“Y”称为一个臂”，两个臂的电容器容量尽量相等）接线，当然在某种场合也
会使用由三角形（△
）所派生的双三角形接线。三角形接线的电容器直接承受线间电压，这种接线已经很少在10kV系统中使用，只是在380V配电系统中有少量使用。
在高压电力网中，星形接线的电容器组目前在国内外得到广泛应用。星形接线电容器的极间电压是电网的相电压，绝缘承受的电压较低，电容器的制造设计可以选择较低的工作场强。
星形接线的电容器组结构比较简单、清晰，建设费用经济，当应用到更高电压等级时，这种接线更为有利。
星形接线的最大优点是可以选择多种保护方式。少数电容器故障击穿短路后，单台的保护熔丝可以将故障电容器迅速切除，不致造成电容器爆炸。
由于上述优点，各电压等级的高压电容器组现已普遍采用星形接线。如下：
“大容量的电容器组，如单台容量较小，每相并联台数较多者可以选择双星形接线。如电压等级较高，每相串联段数较多，为简化结构布局，宜采用单星形接线。
双星形接线也在国内外得到广泛应用。所谓双星形接线，是将电容器平均分为两个电容相等或相近的星形接线电容器组，并联到电网母线，两组电容器的中性点之间经过一台低变比的电流互感器连接起来。
这种接线可以利用其中性点连接的电流保护装置，当电容器故障击穿切除后，会产生不平衡电流，使保护装置动作将电源断开，这种保护方式简单有效，不受系统电压不平衡或接地故障的影响。
4.3并联电容器组每相内部接线
当单台并联电容器的额定电压不能满足电网正常工作电压要求时，需要由两台或多台并联电容器串接后达到电网电压正常工作电压的要求。为达到要求的补充容量，又需要用若干台并联电压器并联才能组成并联电容器组。
以下为先并后串接线方式。该接线方式的优点在于，当一台故障电容器由于熔断器RD熔断退出运行后，对该相的容量变化及与故障电容器并联的电容器上承受的工作电压的变化影响较小，同时熔断器RD的选择只需考虑与单台电容器相配
合。故工程中普遍采用，
并为规程所肯定。以下为先串后并接线方式。该接线方式的缺点为，当一台
故障电容器由于熔断器RD熔断退出运行后，导致故障电容器所在的电容器串整个退出运行，对该相的容量变化和剩余串联电容器上承受的工作电压的变化影响较大；同时，该接线方式的熔断器RD的断口绝缘水平应等于电网的绝缘水平，致使熔断器选择不易。故工程上已不采用该种接线方式了。
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4.4并联电容器组的中性点接地方式
Y（双Y
）接线的并联电容器组有中性点接地和不接地两种。中性点接地时，Y接线称为Y0接线。双Y接线中性点一般通过电压互感器接地。
中性点非直接接地系统中，目前常用并联器装置的接线一般为Y接线或双Y接线。
4.5并联电容器组的保护方式
（1）保护熔丝
现代电容器组的每台电容器上都装有单独的熔丝保护，这种熔丝结构简单，安装方便，只要配合得当，就能够迅速将故障电容器切除。此外，保护熔丝还有明显的标志，动作以后很容易发现，运行人员根据标志便可容易地查出故障的电容器，以便更换。
（2）过电流保护
过电流保护的任务，主要是保护电容器引线上的相间短路故障或在电容器组过负荷运行时使开关跳闸。
为避免合闸涌流引起保护的误动作，过电流保护应有一定的时限，一般将时限整定到0.5s以上就可躲过涌流的影响。
（3）不平衡电压保护电容器发生故障后，将引起电容器组三相电容不平衡。电容器组的各种主保护方式都是从这个基本点出发来确定的。
根据这个原理，国内外采用的继电保护方式很多，大致可
以分为不平衡电压和不平衡电流保护两种。这两种保护，
都是利用故障电容器被切除后，因电容值不平衡而产生的电压和电流不平衡来启动继电器。
单星形接线的电容器组目前国内广泛采用开口三角电压保护。
对于没有放电电阻的电容器，将放电线圈的一次侧与电容器并联，二次侧接成开口三角形，在开口处连接一只低整定值的电压继电器，在正常运行时，三相电压平衡，开口处电压为
零，当电容器因故障被切除后，即出现差电压U0，
保护采集到差电压后即动作掉闸。
（4）不平衡电流保护
这种保护方式是利用故障相容抗变化后，电流变化与正常相电流间形成差电流，来启动过电流继电器，以达到保护电容器组的目的。
（5）过电压保护和低电压保护电容器在过高的电压下运行时，其内部游离增大，可能发生局部放电，使介质损耗增大，局部过热，并可能发展到绝缘被击穿。因此应保持电容器组在不超过最高容许的电压下运行。安装过电压保护就是为了这个目的。过电压保护的整定值一般取电容器额定电压的1.1～1.2倍。
低电压保护主要是防止空载变压器与电容器同时合闸时工频过电压和振荡过电压对电容器的危害。这种情况可能出现
变电站事故跳闸、
变电站停电、各配电线切除。电容器如果还接在母线上，将使电压升高。变压器和电容器构成的振荡回路也可能产生振荡过电压，危及设备绝缘。因此安装低电压保护，当母线电压降到额定值的60%左右时即动作将电容器切除。
5小结
以上对电网无功补偿的分析和解读，可为今后110kV变电所电容器设计提供参考及理性认识。
（作者单位：佛山南海电力设计院工程有限公司）
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