35kV级电压调节式自动无功补偿装置的设计

35 kV级电压调节式自动无功补偿装置的设计*

王晓侃，王 亮

(河南机电职业学院，河南 新郑 451191)

摘 要：针对目前电网负荷急剧增大，对电网感性无功要求与日俱增，设计一种适用于35 kV级的电压调节式自动无功补偿装置。该装置采用端部调压的自耦联结方式，根据所有档位中最大的结构容量，合理选取变压器的铁心直径，每个档位的视在容量与结构容量都不相同，同时铁心铁轭采用上圆下D的铁心形式，在内线圈与铁心之间加入软角环，减小了绝缘距离，降低了成本。因此，该装置在很大程度上提高了功率因数，降低了输电损耗，改善了电能质量，提高了设备安全运行水平，同时也增加了供电企业的经济效益。

关键词：无功补偿；电压调节器；电磁设计

随着国民经济的快速增长，城乡电力负荷不断增加，供电缺口日益严重。降低线路损耗可以提高电能的输送效率，相应地减小发电机装机容量，节省基本建设投资。据统计，电力系统线路损耗约占输送功率的7%，可见，降低线路损耗是实现节能减排的一项重要工作。

功率因数是电力系统电能质量的一项重要指标，它与线路损耗关系很大。如果一个系统功率因数太低，会消耗电网大量的无功，线路中的电流就会过大，相应就会造成线路损耗过大，同时还会造成线路电压波动大，对用电设备危害很大。

无功补偿是提高功率因数的一项有效措施，并联电容器是目前最主要的无功补偿方法。其主要特点是价格低、效率高和运行成本低，在保护完善的情况下可靠性也很高。由于电网负荷随时间有一定的波动，固定容量的电容器无功补偿虽然在电网中也有一定的应用，但由于它不能根据无功需求自动进行调节，因而在负荷较重时无功补偿较需求不足，造成功率因数仍然偏低；在负荷较轻时无功补偿较需求过多，甚至可能造成功率因数为负数，电压非预期的升高及引起电磁谐振，危害系统及设备的正常运行[1-3]。

本文设计的35 kV级电压调节式自动无功补偿装置可以随着负荷大小自动调节无功补偿量，无功补偿效果好，其在当前无功补偿领域应用较广。

1 电压调节式自动无功补偿装置原理

电压调节式自动无功补偿是笔者设计研究的一项新型专利技术。由电容的无功补偿量Q=2πfcu2可以看出，若能适时改变加在电容器两端的电压，就可以实现自动无功补偿的目的。若电容器不变，端电压从100%Ue降到50%Ue，其输出无功补偿容量就可在(100%～25%)Qh下进行调节，改变电压调节精度就可以改变无功补偿容量调节精度。其中，Ue为额定电压，Qh为电容最大补偿量。

电压调节式自动无功补偿装置由三部分组成：电力电容器、电压调节器和控制器。其中，电压调节器调节电容器的端电压，调节电容器容性无功功率的输出；控制器根据系统运行情况，依系统电流、电压、有功功率、无功功率及功率因数进行分析运算，按最佳设定要求控制电压调节器输出电压，调节电容器无功功率。电压调节式自动无功补偿装置结构图如图1所示。

图1 电压调节式自动无功补偿装置结构图

电压调节式自动无功补偿装置的电容器采用固定接入不进行分组，不进行投切，其输出容量可以根据系统需要进行精细调节。以电压调节器调节电容器端电压，取消了电抗器，使电容器长期稳定工作在额定电压以下，延长了电容器的寿命。因此，电压调节式自动无功补偿装置运行可靠性高，可以解决其他自动无功补偿装置的过电压、涌流、谐波电流、寿命短和运行可靠性低等问题。

电压调节器是电压调节式自动无功补偿装置的一个重要组成部分，也是非常关键的一个部分。本文重点进行了电压调节器的设计研究。

2 电压调节器设计

2.1 电压调节器设计要求

根据电压调节式自动无功补偿装置原理可知，电压调节器的调节范围是100%Ue降到50%Ue，并且是带着负载进行调压，这就要求电压调节器是有载调压变压器。根据需求，其输出电压共分成9个档位，每档调压精度为6.25%。

电压调节器的负载是一组固定的电容器，负载的阻抗是不变的，这就决定了调压器在每个档位的电压和电流都是变化的。它的每一档位的输出电流就是它所对应的电压除以电容器的阻抗[4-5]。

由于电压调节器中流过的电流是容性的，而容性电流具有一定的升压效应，电压调节器的电压往往较额定值会高一些，并且波动比较大，这就要求电压调节器具有较强的过电压能力；同时，由于调压器本身有一定的漏电抗，为使调压器的漏电抗不对电容器的运行产生太大的影响，要求电压调节器的阻抗电压<>

电压调节式自动无功补偿装置电压调节器具体设计要求如下。

1)电压调节器的成本一定要低。如果成本过高，即使产品能够实现，也没有很高的实用价值。

2)电压调节器损耗一定要低。自动无功补偿是为了降低线路损耗，如果调压器损耗过高，再进行无功补偿也没有意义。

3)设备运行的可靠性一定要高，应有较强的抗突发短路能力。

4)产品在每个档位的电流相差较大，具体到同一根导线，电流的变化也很大，应保证导线在每个档位的温升不超限值。

5)电压调节器开关档位多，线圈出头多，引线结构复杂，应考虑到整体产品的工艺性。

2.2 电压调节器实现原理

电压调节器若按传统的变压器来制造，结构容量与视在容量相同，设备造价高，损耗也很高。由于电压调节器副边电压最小为原边电压的50%，调压器高低压电压比并不大。由变压器的理论可知，此时用自耦变压器可大大降低变压器的结构容量，减小损耗，节约成本。对于自耦变压器来说，变压器的联结方式是Ya0。

由于中部调压的开关较为常见，开关选型比较方便，笔者首先研究了中部调压的电压调节器，接线原理图如图2所示。

图2 中部调压的电压调节器接线原理图

以OSZ—12000/35为例，每一档位的电压、电流及结构容量见表1。

表1 中部调压的电压调节器电压、电流及结构容量表

档位输入电压/V输入电流/A输出电压/V输出电流/A结构容量/kVA938500179 9538500179 950838500158 1636094168 71703738500137 7833688157 461313638500118 8031281146 211828538500101 2228875134 97225043850085 0626469123 72257833850070 2924063112 47281323850056 9421656101 22295313850044 991925089 983000

根据变压器的原理，对下述调压器的端部调压联结方式(见图3)进行了研究。同样以OSZ—12000/35为例，每一档位的电压、电流及结构容量见表2。

图3 端部调压联结方式接线原理图

表2 端部调压的电压调节器电压、电流及结构容量表

档位输入电压/V输入电流/A输出电压/V输出电流/A结构容量/kVA938500179 9538500179 950838500158 1636094168 71659738500137 7833688157 461148638500118 8031281146 211485538500101 2228875134 97168843850085 0626469123 72177233850070 2924063112 47175823850056 9421656101 22166113850044 991925089 981500

由表1和表2可以看出，第2种调压方式的最大结构容量只有第1种调压方式的59.1%，在不考虑其他因素的情况下，变压器的损耗和成本与容量的0.75次方基本呈正比例关系，所以在有载分接开关等其他因素能够实现的情况下，第2种方案应当是首选。

开关应选用35 kV的V型有载分接开关，V型开关的电流可以做到500 A，级电压1 500 V，开关档位也可做到9档，都可以满足该调压器的要求。

2.3 电磁方案计算

由于此调压器属于特种变压器，没有可以参考的设计原则，在电磁方案计算过程中，很多公式都要利用最基本的电磁理论进行推导。

1)各绕组、各档位电压、电流计算。变压器的具体接线图如图4所示，由于变压器调压范围大，而且每一个档位的电压、电流差别都很大，从原理上来说，有8个调压线圈、1个基本线圈，而且每个调压线圈在每个档位工作状态的电流差别很大，同时这些调压线圈在一些档位作为调压线圈，在另一些档位是作为基本线圈使用的。调压器各个线圈在每个档位、每个工作状态上的电流都应进行计算，以便导线选用、损耗及散热计算等[6-7]。

图4 自动无功补偿装置的接线图

首先，调压器在9号档位最高输出电压下是满容量，这时变压器的一二次电流为：

Ii9=Io9=

在n号档位时，计算如下。

调压器输出电压为：

Uon=Ui[1-(9-n)×6.25%]

由于调压器的负载是固定电容器，调压器的输出电流为：

Ion=Io9[1-(9-n)×6.25%]

调压器的结构容量为：

pn=3UonIon

调压器的输入电流为：

Iin=

调压器的调压线圈电流：

Itn=Iin

调压器的基本线圈电流为：

Ijn=Ion-Iin

2)铁心直径的选择。每个档位的结构容量通过上述过程可以全部算出，然后根据所有档位中最大的结构容量，查找设计手册中的经验公式来选取变压器的铁心直径，并对周围的铁心直径进行优化，以达到最优的设计方案。在计算过程中，设计原则上只有以5为倍数的铁心直径数据[8]，为进一步扩大优化范围，计算出最优化的方案，笔者自编计算程序，对优化范围内以1 mm为精度的铁心数据全部进行了计算，利用此铁心数据电磁方案以铁心直径1 mm精度进行优化，优化选取范围宽而细，优化效果好，有效地节约了成本[9]。

3)导线的选择。根据调压器的每个档位的最大通过电流，各个线圈选取相应的导线。

4)调压线圈结构。由于变压器档位较多，线圈出头不易引出，调压线圈采用单螺旋结构，出头辐向引出，并且螺旋式线圈按匝分布均匀，变压器外部短路时受到的轴向力小。

5)损耗和阻抗。对变压器每个档位的损耗及阻抗电压都应分别计算，以保证其能满足设计要求。

6)温升。对于变压器线圈的温升计算，由于每个档位导线中流过的电流不同，线圈温升计算应按最大电流进行计算。

3 电压调节式自动无功补偿装置试验及应用

电压调节式自动无功补偿装置试制完成后，首先在厂内进行了试验，变压器一切参数满足设计要求。为了进一步检测产品的性能，把该装置送到沈阳虎石台国家变压器质量监督检验中心进行全面检测。结果为通过了该中心的全部例行试验、型式试验和包括突发短路在内的特殊试验，检测数据和设计要求基本吻合，获得了试验合格证书。电压调节式自动无功补偿装置的主要试验数据见表3。

表3 电压调节式自动无功补偿装置的主要试验数据

序号测试项目测量值标准或技术条件要求结论1空载电流精确度0 06%≤0 1%(偏差+30%)合格2空载损耗2800W≤3050W(偏差+15%)合格3负载损耗(75℃)15275W≤16600W(偏差+15%)合格4短路阻抗率1 32%≤2%合格5温升试验油顶层温升：47 1K公用线圈温升：49 8K串联线圈温升：48 1K≤55K≤65K≤65K合格6声级测定声功率级：65dB≤65dB合格

目前，该装置已经在吉林通榆风电场、吉林中广核大安风电场、龙源康平富饶山风电场、依兰龙源马鞍山风电场、国电兴城风力发电场、巴彦淖尔富汇风电场、协和能源太仆寺旗贡宝拉格风电场、大庆瑞好风电场、白银平川风电场、达里风电场、尚义风电场、国华瑞丰风电场、华能大理大风坝风电场和大唐赤峰东山风电场等地应用。用户一致认为，该装置大大降低了电力系统的线路损耗，提高了供电质量，同时可将有限的装机容量充分利用，节省了发配电设备的基本建设投资，缓解了供电矛盾。通过河南省科技成果鉴定，专家一致认定该装置达到了国内领先水平，建议大力推广和应用。截至目前，该装置已经为公司带来产值9 000万元，利税900万元。

3 结语

35 kV电压调节式自动无功补偿装置的电容器采用固定接入不进行分组，不进行投切，其输出容量可以根据系统需要进行精细调节。以电压调节器调节电容器端电压，取消了电抗器，使电容器长期稳定工作在额定电压以下，可以延长电容器的寿命。电压调节式自动无功补偿装置的应用，在一定程度上解决了其他自动无功补偿装置存在的问题，整机运行状态正常，自动无功补偿效果非常好。

参考文献：

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* 河南省教育技术装备和实践教育研究重点课题(GZS013)

责任编辑 郑练

Design on the 35 kV Level Automatic Reactive Power Compensation Device based on Voltage Regulation

WANG Xiaokan, WANG Liang

(Henan Mechanical and Electrical Vocational College, Xinzheng 451191, China)

Abstract：When the current power grid load increases sharply and the power grid demand of the inductive reactive power is growing every day, the 35 kV level automatic reactive power compensation device based on voltage regulation is designed. The device uses the end variable voltage of the auto coupling way that it could select the core diameter of the transformer according to the largest structure capacity in all positions, the apparent capacity and structure capacity is not the same in each position. The iron core and yoke form are the up circle and the down D, and at the same time, it reduces the insulation distance between the inner ring and the core join soft corner ring, and all this way could reduce the cost of whole device. So it can greatly improve the power factor and reduce the transmission loss, improve the power quality, improve the safe operation level of the equipment, and also increase the economic benefit of power supply enterprises.

Key words：reactive power compensation, voltage regulator, electromagnetic design

中图分类号：TM 41

文献标志码：A

作者简介：王晓侃(1980-)，男，副教授，主要从事智能机电控制技术等方面的研究。

收稿日期：2016-09-20