無功電壓調(diào)節(jié)技術(shù)在電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行中的應用
0 引言
目前，全國電力行業(yè)積極開展創(chuàng)建“一流企業(yè)”的工作，作為供電企業(yè)，電能質(zhì)量是創(chuàng)建工作中的一個極為關(guān)鍵的考核指標。眾所周知，電能質(zhì)量包含3個方面：頻率、電壓和諧波含量。而電壓作為其中必不可少的一個要素，其監(jiān)視和調(diào)控已成為地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度管理工作中最常見、最重要的工作之一。
1 電壓波動原因及對系統(tǒng)設備的影響
1．1 影響電力系統(tǒng)電壓的主要因素
1．1．1 由于生產(chǎn)、生活、天氣等因素引起的負荷變化；
1．1．2 無功補償容量的變化；
1．1．3 系統(tǒng)運行方式改變引起的功率分布和網(wǎng)絡阻抗變化。
1．2 電壓對用電設備的影響
對一般用電設備而言，電壓偏低將降低其工作效率和質(zhì)量；偏高則會對設備絕緣等構(gòu)成嚴重威脅，影響設備使用壽命。
1．3 電壓對電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的影響
電力線路傳輸?shù)挠泄β屎途€路兩端電壓的相角δ有關(guān)，其值δ，最大值，即電力線路的功率極限。
圖1所示是系統(tǒng)中某節(jié)點的無功功率靜態(tài)電壓特性曲線圖。Q1、Q2、△Q分別為無功電源、無功負荷、無功缺額的靜態(tài)電壓特性曲線（△Q=Q1-Q2），Ucr為臨界電壓，此時d△Q/dU=0。
圖1 無功功率靜態(tài)電壓特性曲線圖
電壓穩(wěn)定判據(jù)：d△Q/dU＜0
電壓靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)：Ku=（U-Ucr）/U×100%
正常時Ku≥10%~15%，故障后Ku≥8%。
由以上分析可知，輸電線路輸送的功率受到穩(wěn)定極限的限制，特別是小擾動下的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限與電網(wǎng)運行電壓有很大關(guān)系，電壓越低，功率極限越低，越容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時會造成電壓崩潰。
線路、變壓器等元件的有功損耗△P和無功損耗△Q與實際運行電壓U的平方成反比，即在輸送相同功率的情況下，電網(wǎng)運行電壓越低，△P和△Q越大，單位電量的供電成本越高，電網(wǎng)的經(jīng)濟運行水平越低。
2 常用調(diào)壓方式及特點
2．1 發(fā)電機調(diào)壓
通過自身的自勵裝置自動調(diào)節(jié)機端電壓、分配無功功率，可充分利用發(fā)電設備，無需額外投資。
2．2 變壓器調(diào)壓
改變變壓器分接頭位置從而改變變比達到調(diào)壓目的。
2．3 改變電力網(wǎng)無功功率分布
即改變電網(wǎng)內(nèi)各元件的電壓損耗。改變有功功率的分布是非常困難的，所以通常是改變元件傳輸?shù)臒o功功率，主要有：
2．3．1 并聯(lián)電容器：主要用于提高功率因數(shù)，兼有調(diào)壓功能。
2．3．2 串聯(lián)電容器：用以吸收超高壓輸電線路的充電功率，防止線路空載或輕載運行時由于充電功率造成的電壓升高。
2．3．3 同步調(diào)相機：可根據(jù)電壓情況自動、快速、平滑地調(diào)節(jié)無功出力，在系統(tǒng)故障引起電壓降低時，能提供電壓支撐。
2．3．4 靜止補償器：根據(jù)負荷變動情況，可迅速改變輸出的無功功率或保持母線電壓恒定。
2．4 改變網(wǎng)絡參數(shù)
通過改變元件的電阻和電抗達到改變電壓損耗的目的。
2．4．1 增大導線截面減小電阻，主要用于負荷功率因數(shù)較高、原有導線截面偏小的配電線路。
2．4．2 改變網(wǎng)絡接線方式，如投入或切除部分并聯(lián)運行的變壓器或輸電線路。
2．4．3 減小線路電抗，主要采用分裂導線和裝設串聯(lián)電容器等方法。
綜上所述，不需要附加投資的發(fā)電機調(diào)壓是首先考慮的。在無功不足的系統(tǒng)中，首要問題是增加無功補償設備。因投資低、運行維護方便，并聯(lián)電容器被大量采用，只有在特殊場合下才采用靜電補償器和同步調(diào)相機。在無功電源充裕的系統(tǒng)中還應大力推廣有載調(diào)壓變壓器。
對于一些通過多條不同電壓等級線路、多級變壓器供電的負荷，其高峰和低谷負荷的電壓損耗差很大，以致無法用發(fā)電機調(diào)壓或無功補償?shù)姆椒▉頋M足用戶電壓的需求時，輸變電系統(tǒng)中一級或多級變壓器應采用有載調(diào)壓變壓器。應用這種裝置需要電網(wǎng)的無功電源比較充裕，而且系統(tǒng)還要留有足夠的備用無功電源。在實際應用中，可以考慮在某些地點安裝一些低電壓自動減載裝置。在特殊運行方式下，可以使某些有載調(diào)壓器退出自動控制方式，進行人工調(diào)壓。
在220kV及以下系統(tǒng)中，目前應用最多的是所謂“逆調(diào)壓”方式，即調(diào)整控制點供電電壓使其在高峰負荷時的電壓高于低谷負荷時的電壓。一般高峰負荷時保持電壓比系統(tǒng)標稱電壓高5%，低谷負荷保持標稱電壓。
3 系統(tǒng)無功電壓綜合調(diào)整模式分析
電力系統(tǒng)的無功功率與電壓密切相關(guān)，其綜合調(diào)整是一個比較復雜的問題，按空間和時間從功能上可分為3個等級：
3．1 一次（局部的）控制是分解的、自動的，往往是根據(jù)電壓高低而動作，其目的是維持節(jié)點電壓在一定范圍內(nèi)。如發(fā)電機、變壓器分接頭、并聯(lián)電容器隨負荷波動、網(wǎng)絡拓撲變化而作自行動作調(diào)整。近年來逐步應用于我國城鄉(xiāng)不同電壓等級變電站的各種型式的微機型變電站無功電壓綜合控制裝置就是基于這種控制模式，并在實際應用中取得了一定的效果。電壓無功綜合控制的目標是：
3．1．1 維持供電電壓在規(guī)定范圍內(nèi)；
3．1．2 保持電網(wǎng)穩(wěn)定和無功功率平衡；
3．1．3 在電壓合格的前提下使電能損耗最小。
3．2 二次（區(qū)域的）控制系統(tǒng)是通過改變控制區(qū)內(nèi)的發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器的整定值自動進行校正動作，也可直接投切關(guān)聯(lián)電容器，改變變壓器分頭位置，時間常約數(shù)分鐘。
3．3 三次（整個系統(tǒng)）控制是以經(jīng)濟和安全準則優(yōu)化電網(wǎng)的運行狀態(tài)，對各二次控制區(qū)進行協(xié)調(diào)。
4 長沙電網(wǎng)無功電壓狀況分析
4．1 現(xiàn)狀
長沙地區(qū)處于湖南電網(wǎng)的負荷中心，境內(nèi)沒有大的電源支撐點。在季節(jié)性高峰負荷期間（尤其是夏季），省網(wǎng)220kV主系統(tǒng)電壓持續(xù)偏低，各主干聯(lián)絡線潮流大大增加，系統(tǒng)穩(wěn)定水平明顯降低。地區(qū)內(nèi)220kV、110kV變電容量及無功補償設備明顯不足，且分布不均，而負荷峰值卻連創(chuàng)歷史新高。
在持續(xù)高負荷的重壓下，大部分110kV、10kV城區(qū)線路均重載甚至過載運行，而且220kV主系統(tǒng)電壓本身又持續(xù)偏低，使系統(tǒng)無功損耗進一步增大，多種因素相交錯，導致地區(qū)系統(tǒng)的無功電壓狀況急劇惡化，詳見表1。在這種情況下，作為地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度，能保證系統(tǒng)穩(wěn)定、主設備安全和A類電壓合格已相當不易，經(jīng)濟性、可靠性和電壓穩(wěn)定性根本無從談起。
|
變電站 |
主變
容量
（MVA） |
無功
補償
容量
（kVar） |
有功
負荷
（MW） |
主變高
壓側(cè)下
網(wǎng)無功
（Mvar） |
功率
因數(shù) |
補償度
（kVar/kW） |
|
樹木嶺 |
2×180 |
52800 |
320 |
100 |
0.9487 |
0.165 |
|
天 頂 |
3×120 |
73800 |
310 |
85 |
0.9644 |
0.238 |
|
榔 梨 |
2×120 |
48000 |
200 |
70 |
0.9439 |
0.240 |
|
撈刀河 |
2×180 |
48000 |
330 |
130 |
0.9304 |
0.145 |
表1 長沙城區(qū)220kV變電站實測典型數(shù)據(jù)（2001年7月，非同時）
由于長沙地區(qū)的生活用電和第三產(chǎn)業(yè)、輕工業(yè)用電迅速增長，而耗能型重工業(yè)發(fā)展滯后，在高峰負荷猛增的同時，反映日負荷特性的峰谷差也急劇增大，日負荷曲線的波動性明顯提高。由于處于省網(wǎng)負荷中心，本身受省網(wǎng)運行方式影響很大，加上負荷因素，造成地區(qū)系統(tǒng)電壓波動幅度增加，往往是負荷高峰時所有無功補償設備全部投入還難以滿足需求，而低谷時幾乎全部退出仍有可能越上限，調(diào)整的難度很大。
4．2 調(diào)控方法和措施
我們在嚴格遵守無功功率分層分區(qū)、就地平衡的原則下，盡量使各220kV站和相關(guān)110kV站緊密配合，采取電容器投退與分頭調(diào)整相結(jié)合的方法，充分發(fā)揮各站已有無功補償設備的作用，尤其在高峰負荷時，盡最大可能減少各無功界面的無功流量，降低功率損耗，保證電壓水平。
近幾年來，隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)大規(guī)模改造，長沙電網(wǎng)從500kV主系統(tǒng)到380V、220V用戶接入線，各個電壓層次都有很大變化。綜合各種調(diào)壓手段，我們目前主要采用的是有載調(diào)壓變壓器加并聯(lián)電容器，并輔之以無功電壓綜合控制裝置的調(diào)壓模式。截止2001年底，長沙電網(wǎng)110kV及以上主變有載調(diào)壓率已超過90%，城區(qū)高達98%。長沙城區(qū)的所有局屬110kV變電站已全部實現(xiàn)無人值班。為適應無人值班工作的要求及電壓調(diào)整的需要，絕大部分變電站已安裝了無功電壓綜合控制裝置，功能在不斷完善。
按照無功電力管理要求，大力加強對電網(wǎng)無功平衡具有重要作用的用戶在裝電容器的運行管理，這些用戶約占全地區(qū)總?cè)萘康?SPAN lang=EN-US>40%。在地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度端，其于CC-2000調(diào)度自動化系統(tǒng)軟件平臺的無功電壓/潮流計算高級軟件已開始應用于實際調(diào)度管理，電網(wǎng)運行管理正逐步由經(jīng)驗調(diào)度向科學調(diào)度轉(zhuǎn)變。通過電網(wǎng)各級管理人員的艱苦努力，雖然經(jīng)歷了季節(jié)性高峰負荷的嚴峻考驗，2000年、2001年長沙城區(qū)10kV A類電壓合格率仍然達到了99.36%和99.54%。
5 結(jié)束語
湖南電網(wǎng)已經(jīng)安全穩(wěn)定運行21年，這與電網(wǎng)建設取得的巨大成績密不可分，但從另一個角度看，這幾年用電負荷也在迅速增長，加上“典型受端系統(tǒng)”的格局仍沒有得到根本改變，還經(jīng)常要疲于應付過載和穩(wěn)定性問題，并且峰谷差急劇增大導致電壓調(diào)控非常困難，這說明我們的電網(wǎng)還難以完全勝任各種負荷水平下對電網(wǎng)供電能力和質(zhì)量的要求。這需要我們在充分科學論證的前提下加快電網(wǎng)建設速度，提高設備和調(diào)控手段的技術(shù)含量，其中還包括對已有設備的更新、改造，加大新設備、新技術(shù)、新方法在生產(chǎn)實踐中的推廣應用力度。只有全方位入手，多管齊下，才能維護電網(wǎng)持續(xù)安全穩(wěn)定運行的大好局面。
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通信設施安全技術(shù)
車間安全生產(chǎn)注意事項
