汪 栋

随着新疆电网的快速发展，电压等级逐步提高，输送距离越来越长，因此输电线路对电网的充电效应越来越明显。当电站送出线路末端轻载时，电网中的容性无功过剩将使线路末端电压过高，影响用户端电能质量和电网稳定。根据阿尔塔什水利枢纽工程接入系统报告，为平衡阿尔塔什水电站送出线路自身的充电功率，本期工程需在阿尔塔什水电站220 kV母线加装30 Mvar高压并联电抗器。

目前国内330 kV及以上超高压配电装置的部分线路侧，装设有并联电抗器；本电站高压电抗器装设在主电站内220 kV母线上，是新疆乃至国内比较少见的，本文就此对并联电抗器的作用做具体分析。

1 工程概况

新疆阿尔塔什水利枢纽工程电站总装机容量755 MW，位于喀什、克州、和田三地州中心区域，属于喀克电网（又称疆南电网）覆盖范围，其电力由南疆三地州电网（主要在莎车片区）消纳。目前疆南电网供电面积覆盖两地州大部分地区的电网，已形成以750 kV电压等级为支撑，以220 kV电压等级电网为主网架，110 kV及以下电压等级覆盖的输、配电网络。

阿尔塔什水利枢纽工程具有22.51亿m3水库容量，阿尔塔什水电站建成后，基荷、腰荷和峰荷均可承担。主电站装机采用4台175 MW混流式水轮发电机组，年利用小时数2 540 h，多年平均有效发电量17.78亿kW·h，发电机出口电压为15.75 kV，每台发电机与主变压器采用单元接线，220 kV GIS采用双母线接线，出线4回（其中2回至750莎车变，导线为LGJ-2×400，每回长约65 km；另2回出线1回至下游待建的錾高水电站，1回备用）。生态电站装机采用2台27.5 MW混流式水轮发电机组，年利用小时数7 418 h，多年平均有效发电量4.08亿kW·h，发电机出口电压为10.5 kV，每台发电机与主变压器采用单元接线，220 kV GIS采用单母线接线，以1回220 kV线路送至枢纽电站。

2 电站侧装设高压并联电抗器的必要性分析

根据《新疆电网2016年运行方式》及《疆南电网2016年运行方式》：疆南电网2016年底220 kV输电线路总长度为2 578 km，线路充电功率为364 Mvar，电抗器设备总容量为207.2 Mvar，电抗器补偿度为57.0%。根据《新疆“十三五”主电网专项规划》：2017—2020年，疆南电网预计新增220 kV线路长度554 km，新增充电功率99 Mvar。疆南电网水电站机组通过进相运行可以平衡疆南电网盈余容性无功，使容性无功和感性无功基本平衡，满足电网运行要求。

对照表1可以看出，阿尔塔什水电站在每年大部分时间里电站出力较低，此时送出线路处于轻载状态，线路电容产生的充电功率要远远大于线路电抗产生的感性无功，需采取措施来保持电网稳定运行。目前系统中可采取的措施主要有：（1）设置并联电抗器；（2）调节变压器分接头位置；（3）停运线路、主变；（4）利用发电机进相吸收无功功率。

表1 2020年疆南电网阿尔塔什水电站出力过程表 MW

阿尔塔什水电站双回送出线路容性充电功率为23.27 Mvar，阿尔塔什水电站机组均具有0.9的进相能力，主电站单台175 MW机组可进相无功85 Mvar，生态电站单台27.5 MW机组可进相无功14 Mvar。阿尔塔什主电站机组自身的进相能力可以平衡送出线路的产生的充电功率，保障阿尔塔什水电站送出线路不向主网输送容性无功；在冬季最小运行方式下，阿尔塔什水电站仅1台27.5 MW机组出力，可能造成阿尔塔什水电站母线电压较高，在此情况下可断开阿尔塔什水电站1回送出线路，减小充电功率。因此，从理论上分析，阿尔塔什水电站送出线路充电功率依靠机组自身进相能力可以基本平衡。

然而，发电机进相是一种特殊运行方式。在这种运行方式下，运行功角大，稳定裕度小。从设备运行角度来说，发电机进相运行会引起以下问题：（1）静态稳定性降低；（2）发电机端部的漏磁比在正常情况下有所增加，使端部的金属件发热，局部温度升高，同时端部震动也增加。进相深度越大，端部温升越高；（3）厂用电电压降低，不利于厂用设备的可靠运行；（4）由于机端电压降低，在输出功率不变的情况下发电机定子电流增加，易造成过负荷。可见长期保持发电机组的进相运行对电站的安全稳定运行是不利的。

电力调度部门认为：通过电站机组调节系统无功功率，操作繁琐，要受电站制约；且为了保证送电系统的可靠性，调度部门对电站的运行方式有限制要求，一般不允许断开1回送电线路运行。考虑到阿尔塔什电站在叶尔羌河下游河段梯级电站中的枢纽作用，所以，调度部门要求本电站高压母线上设置高压电抗器，不仅有利于疆南电网无功电压调节，也对梯级电站机组的安全运行起到了保障作用。

3 高压并联电抗器的功用

高压并联电抗器的功用，主要反映在以下几个方面：

（1）削弱空载或轻负载线路中的电容效应，降低工频暂态过电压，并进而限制操作过电压的幅值。目前电力系统中，线路充电功率是引起工频过电压的主要原因之一。在线路输送功率较小时（特别是空载时），线路电容产生的充电功率要远远大于线路电抗产生的感性无功，这就造成了电网容性无功过剩而造成电压升高；线路接入并联电抗器后，由于电抗器的感性无功功率部分地补偿了线路的容性无功功率，相当于减小了线路的长度，降低了工频电压升高。从线路首端看，在通常采用的欠补偿情况下，线路首端输入阻抗仍为容性，但数值增大，空载线路的电容电流减小，在同样电源电抗的条件下，降低了线路首端的电压升高。因此，并联电抗器的接入可以同时降低线路首端和末端的工频过电压。由于操作过电压的高频振荡分量是叠加在工频电压之上的，所以降低工频电压升高的大小能直接限制操作过电压的幅值。

（2）改善沿线电压分布和轻载线路中的无功分布，改善了系统稳定性及送电能力。当线路上传输的功率不等于自然功率时，则沿线各点电压将偏离额定值，有时甚至偏离较大，依靠并联电抗器的补偿，则可以抑制线路电压的升高。

（3）有利于消除同步电机带空载长线时可能出现的自励磁谐振现象。当同步发电机带容性负载（远距离输电线路空载或轻载运行）时，发电机的电压将会自发的建立，而不与发电机的励磁电流相对应（即发电机自励磁），此时系统电压将会升高，通过在长距离高压输电线路上接入并联电抗器，可以改变线路上的发电机端点的出口阻抗，能有效地防止发电机自励磁。

4 高压并联电抗器配置

本电站根据电网接入系统要求，高压并联电抗器装设在220 kV母线上，可供3回送至750莎车变的输电线路共同使用。母线与高压电抗器之间有断路器，运行比较灵活。在电站投运初期，电站仅部分机组运行时，线路输送的负载比较轻，无功损耗小，高压电抗器投入运行可防止对侧的变电站电压过高。当线路输送的负载达到经济输送容量时，线路的充电功率与线路的无功损失基本平衡，可以依靠母线和高压电抗器之间的断路器将高压电抗器切掉，以满足供电电压在合理的范围内。阿尔塔什水电站220 kV高压并联电抗器布置在主电站220 kV GIS的1回进线间隔上，其电气接线简图如图1所示。

目前高压并联电抗器主要使用在330 kV及以上超高压输电线路中，本次在电站内220 kV母线上装设高压电抗器，电抗器参数选择参照DL/T 271—2012《330～500 kV油浸式并联电抗器使用技术条件》进行。因220 kV线路与330 kV及以上的超高压输电线路相差较大，如：在330 kV及以上超高压远距离输电线路上为了提高线路输送容量和系统稳定度，往往需要采用单相快速重合闸，为了提高其动作成功率，采用电抗器中性点经小电抗接地的办法来补偿线路相间及相对地电容，加速潜供电弧自灭，有利于单相快速重合闸的实现；本电站220 kV输电线路，为防止机组并网断路器单相异常导通造成机组损伤，220 kV线路侧断路器采用三相机械联动式结构，不要求完成单相重合闸操作，且本电站高压并联电抗器装设在220 kV母线上，位于线路开关内侧，选择高压并联电抗器时可不考虑限制潜供电流和谐振过电压等限制，可只根据母线上连接线路充电功率的大小进行选择，中性点不需加装小电抗。

图1 阿尔塔什主电站高压并联电抗器电气接线

目前国内超高压输电线路中并联电抗器多采用分级式可控高抗，与常规的固定补偿式高抗的不同之处是其可根据系统的无功需要调节高抗的无功功率补偿，能有效解决限制过电压和无功调相调压之间的矛盾。本电站220 kV送出线路较为简单，根据电站接入系统要求，选择固定补偿式高抗，阿尔塔什主电站220 kV母线侧并联电抗器参数如下：

额定容量/kvar 10 000

额定电压/kV 242

最高运行电压/kV 252

额定电流/A 71.57

冷却方式 油浸自冷（ONAN）

接线方式 三个单相电抗器连接成星形接线，中性点直接

额定电抗/Ω 接地1 952。

根据《水电站机电设计手册》（电气一次部分）查得，220 kV LGJQ-2×400的双分裂导线100 km充电功率约为17.90 Mvar，本电站2回65 km长电路的充电功率为：17.90×2×65/100=23.27 Mvar，如仅考虑本电站的送出线路，高压并联电抗器补偿容量较线路充电功率大，处于过补偿状态，会造成线路的输送能力降低。但根据“叶尔羌河下游水电站的联合送出方案”，考虑到錾高水电站和恰木萨水电站的计划投产发电时间相差不长，电站备用的1回阿尔塔什—錾高—恰木萨—莎车750 kV变的220 kV线路约80 km长，其充电功率为：17.90×80/100=14.32 Mvar，可得：

式中 QL——并联电抗器容量，MVA；

QC——线路的充电功率，Mvar。

可见，阿尔塔什主电站220 kV母线侧并联电抗器容量可对近期建设的3级电站送出线路无功有较好的平衡作用。

5 高压并联电抗器设备布置

进行电站初设阶段设计时，根据计算，电站侧未配置高压并联电抗器。在收到《阿尔塔什水利枢纽工程接入系统工程接入系统设计报告》要求电站侧增设高压并联电抗器时，电站已进入技施阶段，在不增加开挖面积的前提下在电站处布置此高抗较为困难；且阿尔塔什主电站厂房布置在狭小的山区，三面环山（后边坡坡度1∶0.5，左右侧边坡坡度1∶1.5），一面临水，厂区边坡高70～100 m，开挖十分困难，而且属Ⅷ级地震烈度，为节约场地，4台主变压器均已布置在副厂房室内（1 617.00 m高程），变压器室上方为GIS室（1 629.00 m高程），出线布置在副厂房屋顶（1 640.90 m高程），整体机电布置相当紧凑。经过比选，电抗器选择布置在进场道路旁的平台上，封闭式布置，场地面积约35 m×10 m。电抗器与GIS进线间隔间通过220 kV单芯电缆连接，单根电缆长度约250 m，电缆需经金属氧化物电缆护层保护器（CP）接地。