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摘要：文章指出了目前工程系統设计短路计算、变电站无功补偿的不合理之处，遵照规程规范并结合广州地区变电站的实际，重新进行了校核计算，计算思路、方法和建议可为实际工程提供技术参考。
关键词：主变，限流电抗器，短路计算，无功补偿计算
0 前言
变电站短路计算和无功补偿计算是工程设计的两个重要电气计算，系统设计人员对电网主要设备如变压器、线路等的阻抗问题已有充分认识，而对变低短路电流限制装置却因为对变电设计不甚了解而忽略，造成短路概念模糊和变电站无功计算不合理。本文根据变电站内实际设计，对这两大计算进行了重新梳理计算，短路计算采用标幺值方法，对比了限抗器安装前后的10kV母线短路电流水平；无功补偿采用的是有名值方法，计算结果说明以往不考虑限抗器无功损耗的做法是不合理的；此外计算过程还涉及了阻抗的归算问题，帮助厘清有关概念。本文可供系统及相关专业设计人员提供技术参考。
1 变电站主要设备参数
1.1主变参数
近年来随着负荷增长和短路电流增大，广州地区新建的220kV变电站一般选用240MVA容量的高阻抗变压器。这种变压器的容量比为240 /240 /80MVA；电压比为220±8×1.5%/115/10.5kV；阻抗电压Uk1-2%=14、Uk1-3%=35、Uk2-3%=21；Uk1%=14、Uk2%=0、Uk3%=21；空载电流：I0%=0.5。
1.2限抗参数
为控制10kV侧短路电流，在主变变低侧串联有短路电流限流装置，近年来大多装设的是XKK-10-4000-10电抗器，其主要参数是UN=10kV，IN=4kA，Xr%=10。根据电抗器阻抗有名值计算公式，得Xr=Xr%×UN/（√3 IN）=0.144Ω。
2 限流电抗器对短路电流的影响
若系统无特殊要求，一般来说广州地区的220kV变电站一般为主变并列运行方式，并且是高中压侧母线并列，但低压侧仍是分列运行。
本文短路电流计算采用标幺值算法。图1是普遍的一种变电站接线模型，假定n为并列主变台数，中低压母线均无电源接入，电网短路电流来源于220kV系统侧。此外由于高压电网中R< 由于这种主变的阻抗X2*=0，因此变电站10kV母线短路时的等值阻抗图可以简化为图2所示结构。
图1和图2的电抗值全部为同一基准容量下的标幺值。广州电网为南方电网的受端系统，可以假设220kV系统电源为无穷大，系统等效阻抗标幺值为X220*，那么未加装限流电抗器时10kV母线短路电流标幺值计算公式为：
加装限流电抗器后：
本文假定220kV系统短路电流分别取50kA（上限值）和20kA（较低值），变电站并列运行主变台数n最大为4，变电站主要设备参数值同前文。计算基准容量SB=100MVA，基准电压U220B=230kV，U10B=10.5kV，基准电流I220B=0.251kA，I10B =5.5kA，基准阻抗X220B=529Ω。
以I220=50kA，n=2为例，各元件在基准容量下的阻抗标幺值为：
由于以上变压器阻抗已归算至基准容量下、主变一次侧，因此有必要将限抗器阻抗也相应进行归算，限抗器阻抗归算至220kV侧Xr220= Xr10×（U220/U10）2=0.144×（220/10）2=69.696Ω，基准容量对应标幺值Xr*=
由表1计算可知，未加装限抗情况下，主变分列I10为34.7～36.5kA，并列运行情况下更超过42kA，且随着n的增大而增大，大大超过广州220kV变电站10kV断路器31.5kA的开断容量，因此，有必要在主变低压侧装设限流电抗器。
10kV侧装设了限流电抗器后，对10kV短路电流降低效果明显，主变不同运行方式下约为19～23kA，均在变电站10kV断路器的开断容量范围内。考虑到出站至用户侧的馈线尚有一定长度，且10kV馈线阻抗较大，对短路电流的衰减作用较为显著，因此，加装限抗后基本能将10kV电网短路水平控制在20kA以内，符合广州电网规划技术原则的要求。
图1为不考虑变电站中压、低压侧有电源接入的情况，若电网中还有地方电源，则实际短路水平还要大于表1结果。尽管随着小火电的退运，目前广州电网内的10kV电源已不多见，但随着国家对新能源产业支持和政策倾斜，预计气电、光伏等类型的分布式电源接入会增多，此类电源会带来短路电流的增大，需注意采取限制短路电流措施，如引导分散接入或增大限抗的阻值，避免增大10kV电网运行风险。
3 限流电抗器对无功补偿计算的影响
3.1 计算条件
1）功率因数：根据《广州电力系统主网调度规程》要求，要求高峰负荷时220kV侧≥0.98，110kV侧≥0.95，10kV侧≥0.9；低谷负荷时220kV侧≤0.95，110kV侧≤0.95，10kV侧≤0.9。
2）假定变电站220kV和110kV进出线路全部为架空线路，计算忽略线路的充电功率。
3）主变规模及负载率：3台，最大负载率取75%。
4）高中压侧的负荷分配：广州地区变电站10kV配电装置的最大通流容量一般为72MVA，考虑到需满足主变N-1要求，每台主变负载容量一般控制在45MVA以内。本例按每台主变10kV侧负载为45MVA，其余135MVA负载接在110kV侧进行计算。
3.2 计算分析
为说明问题且简化起见，本文仅对负荷较高时变电站无功补偿进行计算，忽略电压降落和电阻的影响。
计算采用有名值算法。根据计算条件和要求，图3所示的主变变高侧流入S1为180MVA，功率因数为0.98下的无功流入Q1为35.8Mvar；尽管变压器绕组无功损耗△QT远大于有功损耗△PT而不能忽略，但由于电网中通过的有功远大于无功，根据计算公式 可知Q值不大的变化对S值影响较小，因此工程计算中可近似认为S1=S2+S3，因此变低侧若负载容量为45MVA，绕组无功损耗远低于负载，可以近似认为10kV母线处的负载S3≈45MVA，同理S2≈135MVA，计算出对应电网要求的功率因数下的无功输出Q分别为19.6Mvar和42.15Mvar。为实现变电站无功流入和输出的自平衡，无功差额Q2+Q3–Q1=25.95Mvar需依靠容性无功补偿装置补偿。
此外，变压器和限流电抗器也会造成无功损耗。根据三绕组变压器无功损耗计算公式
变电站无功补偿目的是补偿无功流入与输出的差额以及无功网损，合计应补偿的无功容量应为QC=△QT+△QXR+（Q2+Q3–Q1）=50.7Mvar，则建议每台主变配置不少于6组电容器组。
以往工程设计中系统设计人员因对变电设计缺乏了解而未考虑补偿限抗的无功损耗，由本例计算可知，限抗的阻抗值是主变变低绕组的1.65倍，其无功损耗与变压器变低、励磁绕组无功损耗之和相当，忽略限抗无功损耗的做法是不合理的。因此，建议变电站无功补偿计算增加对限抗无功损耗的考虑和计算。
4 结束语
本文对变电站分别进行了无功补偿和短路电流的校核计算，结果表明：
1）广州地区的新建220kV变电站，主变一般为高中并列，变低独立运行模式。主变是否并列运行以及并列主变的台数会影响10kV侧短路电流水平大小；为将10kV电网短路电流控制在20kA左右，无论主变分裂或并列运行，以及10kV侧有无电源接入均需在变电站变低加装限制短路电流的电抗器。有分布式电源接入的电网，应尽量分散接入或提高变电站10kV限抗器的阻抗值以减少对10kV电网的影响。设计时应注意预留串抗或分裂电抗器的位置。
2）由于系统设计人员对变低配电设计的认识模糊，在变电站无功补偿时往往未考虑限流电抗器的影响。限流电抗器串联于变低绕组与10kV母线之间，其阻抗值是主变变低绕组的1.65倍，无功损耗与变低绕组、励磁绕组的损耗之和基本相当。因此，建议变电站无功补偿计算增加对限抗无功损耗的考虑和计算。
参 考 文 献
[1] 何仰赞等，电力系统分析，华中科技大学出版社.
[2] 马宏忠，电机学，高等教育出版社.
作者简介：
席云华（1982-），女，江西高安人，硕士，工程师，研究方向为电力系统规划设计。
关键词：主变，限流电抗器，短路计算，无功补偿计算
0 前言
变电站短路计算和无功补偿计算是工程设计的两个重要电气计算，系统设计人员对电网主要设备如变压器、线路等的阻抗问题已有充分认识，而对变低短路电流限制装置却因为对变电设计不甚了解而忽略，造成短路概念模糊和变电站无功计算不合理。本文根据变电站内实际设计，对这两大计算进行了重新梳理计算，短路计算采用标幺值方法，对比了限抗器安装前后的10kV母线短路电流水平；无功补偿采用的是有名值方法，计算结果说明以往不考虑限抗器无功损耗的做法是不合理的；此外计算过程还涉及了阻抗的归算问题，帮助厘清有关概念。本文可供系统及相关专业设计人员提供技术参考。
1 变电站主要设备参数
1.1主变参数
近年来随着负荷增长和短路电流增大，广州地区新建的220kV变电站一般选用240MVA容量的高阻抗变压器。这种变压器的容量比为240 /240 /80MVA；电压比为220±8×1.5%/115/10.5kV；阻抗电压Uk1-2%=14、Uk1-3%=35、Uk2-3%=21；Uk1%=14、Uk2%=0、Uk3%=21；空载电流：I0%=0.5。
1.2限抗参数
为控制10kV侧短路电流，在主变变低侧串联有短路电流限流装置，近年来大多装设的是XKK-10-4000-10电抗器，其主要参数是UN=10kV，IN=4kA，Xr%=10。根据电抗器阻抗有名值计算公式，得Xr=Xr%×UN/（√3 IN）=0.144Ω。
2 限流电抗器对短路电流的影响
若系统无特殊要求，一般来说广州地区的220kV变电站一般为主变并列运行方式，并且是高中压侧母线并列，但低压侧仍是分列运行。
本文短路电流计算采用标幺值算法。图1是普遍的一种变电站接线模型，假定n为并列主变台数，中低压母线均无电源接入，电网短路电流来源于220kV系统侧。此外由于高压电网中R<
图1和图2的电抗值全部为同一基准容量下的标幺值。广州电网为南方电网的受端系统，可以假设220kV系统电源为无穷大，系统等效阻抗标幺值为X220*，那么未加装限流电抗器时10kV母线短路电流标幺值计算公式为：
加装限流电抗器后：
本文假定220kV系统短路电流分别取50kA（上限值）和20kA（较低值），变电站并列运行主变台数n最大为4，变电站主要设备参数值同前文。计算基准容量SB=100MVA，基准电压U220B=230kV，U10B=10.5kV，基准电流I220B=0.251kA，I10B =5.5kA，基准阻抗X220B=529Ω。
以I220=50kA，n=2为例，各元件在基准容量下的阻抗标幺值为：
由于以上变压器阻抗已归算至基准容量下、主变一次侧，因此有必要将限抗器阻抗也相应进行归算，限抗器阻抗归算至220kV侧Xr220= Xr10×（U220/U10）2=0.144×（220/10）2=69.696Ω，基准容量对应标幺值Xr*=
由表1计算可知，未加装限抗情况下，主变分列I10为34.7～36.5kA，并列运行情况下更超过42kA，且随着n的增大而增大，大大超过广州220kV变电站10kV断路器31.5kA的开断容量，因此，有必要在主变低压侧装设限流电抗器。
10kV侧装设了限流电抗器后，对10kV短路电流降低效果明显，主变不同运行方式下约为19～23kA，均在变电站10kV断路器的开断容量范围内。考虑到出站至用户侧的馈线尚有一定长度，且10kV馈线阻抗较大，对短路电流的衰减作用较为显著，因此，加装限抗后基本能将10kV电网短路水平控制在20kA以内，符合广州电网规划技术原则的要求。
图1为不考虑变电站中压、低压侧有电源接入的情况，若电网中还有地方电源，则实际短路水平还要大于表1结果。尽管随着小火电的退运，目前广州电网内的10kV电源已不多见，但随着国家对新能源产业支持和政策倾斜，预计气电、光伏等类型的分布式电源接入会增多，此类电源会带来短路电流的增大，需注意采取限制短路电流措施，如引导分散接入或增大限抗的阻值，避免增大10kV电网运行风险。
3 限流电抗器对无功补偿计算的影响
3.1 计算条件
1）功率因数：根据《广州电力系统主网调度规程》要求，要求高峰负荷时220kV侧≥0.98，110kV侧≥0.95，10kV侧≥0.9；低谷负荷时220kV侧≤0.95，110kV侧≤0.95，10kV侧≤0.9。
2）假定变电站220kV和110kV进出线路全部为架空线路，计算忽略线路的充电功率。
3）主变规模及负载率：3台，最大负载率取75%。
4）高中压侧的负荷分配：广州地区变电站10kV配电装置的最大通流容量一般为72MVA，考虑到需满足主变N-1要求，每台主变负载容量一般控制在45MVA以内。本例按每台主变10kV侧负载为45MVA，其余135MVA负载接在110kV侧进行计算。
3.2 计算分析
为说明问题且简化起见，本文仅对负荷较高时变电站无功补偿进行计算，忽略电压降落和电阻的影响。
计算采用有名值算法。根据计算条件和要求，图3所示的主变变高侧流入S1为180MVA，功率因数为0.98下的无功流入Q1为35.8Mvar；尽管变压器绕组无功损耗△QT远大于有功损耗△PT而不能忽略，但由于电网中通过的有功远大于无功，根据计算公式 可知Q值不大的变化对S值影响较小，因此工程计算中可近似认为S1=S2+S3，因此变低侧若负载容量为45MVA，绕组无功损耗远低于负载，可以近似认为10kV母线处的负载S3≈45MVA，同理S2≈135MVA，计算出对应电网要求的功率因数下的无功输出Q分别为19.6Mvar和42.15Mvar。为实现变电站无功流入和输出的自平衡，无功差额Q2+Q3–Q1=25.95Mvar需依靠容性无功补偿装置补偿。
此外，变压器和限流电抗器也会造成无功损耗。根据三绕组变压器无功损耗计算公式
变电站无功补偿目的是补偿无功流入与输出的差额以及无功网损，合计应补偿的无功容量应为QC=△QT+△QXR+（Q2+Q3–Q1）=50.7Mvar，则建议每台主变配置不少于6组电容器组。
以往工程设计中系统设计人员因对变电设计缺乏了解而未考虑补偿限抗的无功损耗，由本例计算可知，限抗的阻抗值是主变变低绕组的1.65倍，其无功损耗与变压器变低、励磁绕组无功损耗之和相当，忽略限抗无功损耗的做法是不合理的。因此，建议变电站无功补偿计算增加对限抗无功损耗的考虑和计算。
4 结束语
本文对变电站分别进行了无功补偿和短路电流的校核计算，结果表明：
1）广州地区的新建220kV变电站，主变一般为高中并列，变低独立运行模式。主变是否并列运行以及并列主变的台数会影响10kV侧短路电流水平大小；为将10kV电网短路电流控制在20kA左右，无论主变分裂或并列运行，以及10kV侧有无电源接入均需在变电站变低加装限制短路电流的电抗器。有分布式电源接入的电网，应尽量分散接入或提高变电站10kV限抗器的阻抗值以减少对10kV电网的影响。设计时应注意预留串抗或分裂电抗器的位置。
2）由于系统设计人员对变低配电设计的认识模糊，在变电站无功补偿时往往未考虑限流电抗器的影响。限流电抗器串联于变低绕组与10kV母线之间，其阻抗值是主变变低绕组的1.65倍，无功损耗与变低绕组、励磁绕组的损耗之和基本相当。因此，建议变电站无功补偿计算增加对限抗无功损耗的考虑和计算。
参 考 文 献
[1] 何仰赞等，电力系统分析，华中科技大学出版社.
[2] 马宏忠，电机学，高等教育出版社.
作者简介：
席云华（1982-），女，江西高安人，硕士，工程师，研究方向为电力系统规划设计。