更換導(dǎo)線型號(hào)改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量的機(jī)理分析

湯 毅

（廣州供電局有限公司，廣東廣州 511400）

0 引言

對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的要求是在滿足安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的前提下，盡可能向用戶提供優(yōu)質(zhì)電能，同時(shí)供電企業(yè)追求自身的經(jīng)濟(jì)效益，減小對(duì)周圍環(huán)境的損害[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)供電質(zhì)量的關(guān)注程度越來越高，其中配電網(wǎng)直接與用電用戶相關(guān)聯(lián)，最受關(guān)注的電能質(zhì)量問題是用戶處電壓幅值偏離額定電壓的問題，即所謂電壓偏移的概念[2]。

對(duì)于我國的電力系統(tǒng)，常要求35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%；20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%；220 V單相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的+7%，-10%[3]。然而，在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，由于種種客觀存在的原因，往往會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)中某個(gè)負(fù)荷點(diǎn)或某個(gè)局部區(qū)域的電壓偏差超出允許范圍的情況，其原因往往為設(shè)備陳舊、負(fù)荷水平高、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理等。通常改善電壓質(zhì)量常用的措施有[4]：（1）合理選擇變壓器變比；（2）改變線路參數(shù)；（3）改變無功分布；（4）改變電源點(diǎn)電壓。

本文探討的是如何通過更換配電網(wǎng)中輸電線路線型來改變線路參數(shù)，進(jìn)而縮小電壓偏差，改善電壓質(zhì)量。首先分析了改變線路參數(shù)影響電壓降落的機(jī)理，然后探討了同時(shí)改變線路參數(shù)與改變變壓器變比來改善電壓質(zhì)量的可行性，最后通過實(shí)際配電網(wǎng)的算例驗(yàn)證了本文所得出結(jié)論的正確性。

1 更換線型縮小電壓偏差的機(jī)理

圖1給出了一個(gè)高度簡(jiǎn)化后的配電網(wǎng)示意圖，圖中示出了高中低三個(gè)電壓等級(jí)的情況，研究的目標(biāo)是如何盡可能降低負(fù)荷處電壓Vt的電壓偏移量（與額定電壓差別的絕對(duì)值）。

經(jīng)過簡(jiǎn)單的公式推導(dǎo)可得到負(fù)荷電壓幅值的計(jì)算公式如下：

圖1 影響配電網(wǎng)電壓偏移因素示意圖

其中V為中壓電網(wǎng)的額定電壓，常為10.5 kV。從式（1）可見，影響負(fù)荷電壓幅值的因素羅列如下。

（1）電源點(diǎn)電壓

即圖1中的 ||V˙s，通常該數(shù)值無法通過在中低壓配電網(wǎng)中施加措施加以改變，故在進(jìn)行配電網(wǎng)電壓質(zhì)量優(yōu)化的過程中不將其作為可能的措施。

（2）變壓器變比

即圖1中的k1和k2。k1為更高電壓等級(jí)（如220 kV或110 kV）降壓到10 kV的降壓變壓器的變比，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整將影響到整條10 kV饋線的電壓水平，故常在全線電壓偏高或偏低時(shí)進(jìn)行調(diào)整來達(dá)到改善電壓質(zhì)量效果。k2為10 kV降壓到380 V的降壓變壓器的變比，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整常只影響本臺(tái)區(qū)及有限的相鄰區(qū)域的電壓水平，從優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的角度來說更適于用來進(jìn)行局部電壓質(zhì)量的優(yōu)化。

（3）輸電線路和變壓器的阻抗

改變輸電線路或變壓器的阻抗可以控制電壓降落量，進(jìn)而達(dá)到改變負(fù)荷點(diǎn)電壓的目的。然而，通常這兩種設(shè)備的阻抗是很難直接進(jìn)行改變的，只能通過改變?cè)O(shè)備型號(hào)的辦法來實(shí)現(xiàn)，故相應(yīng)改善電壓質(zhì)量的措施相對(duì)來說成本比較高。

通常所說的配網(wǎng)重構(gòu)的策略從某種意義上來說也可以理解成改變了輸電線路的阻抗，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變意味著從所關(guān)心負(fù)荷節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間形成的端口看進(jìn)去，等值的戴維南等效電路入端阻抗發(fā)生了變化。

（4）功率分布

改變電網(wǎng)中傳輸?shù)某绷?，尤其是改變無功功率的傳輸量，對(duì)全網(wǎng)的電壓降落都起到重要影響。前文中所述通過在電網(wǎng)中適當(dāng)位置投入并聯(lián)無功功率補(bǔ)償，本質(zhì)上就是一種改變功率在電網(wǎng)中分布的一種非常直接的措施。

本文關(guān)注的是通過改變輸電線路和變壓器的阻抗來改善電能質(zhì)量的問題。改變變壓器的型號(hào)通常即為淘汰落后變壓器，將其更換成新型變壓器。這常屬于規(guī)劃層面的問題，需要投資較大，改造的工作量也較大。而更換輸電線路的線徑相對(duì)來說容易一些，相對(duì)來說更容易作為一種改善電壓質(zhì)量的措施。

眾所周知，導(dǎo)線的截面積越大，同樣材料和長度的總阻抗就越小，傳輸功率造成的電壓降也就越小。因此，為了降低電壓偏低的幅度，可以考慮更換截面積更大的導(dǎo)線。然而，在長度固定的情況下，截面積更大也就意味著所需材料越多，故造價(jià)就越高，同時(shí)施工的難度也加大。因此在考慮通過更換導(dǎo)線型號(hào)改善電能質(zhì)量時(shí)需結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮，科學(xué)決策。

2 變壓器分接頭檔位對(duì)電壓偏差的影響

圖2考慮一個(gè)降壓變壓器及所帶低壓臺(tái)區(qū)的情況。為作機(jī)理性的理論推導(dǎo)，將低壓臺(tái)區(qū)簡(jiǎn)化為一條線路。通過變壓器的功率為P+jQ，高壓側(cè)實(shí)際電壓為V1，歸算到高壓側(cè)的阻抗為RT+jXT。

圖2 降壓變壓器及簡(jiǎn)化后低壓臺(tái)區(qū)

歸算到高壓側(cè)的變壓器電壓損耗為：

負(fù)荷點(diǎn)電壓為

其中V2N為低壓側(cè)額定電壓，為一常數(shù)，V1t對(duì)應(yīng)高壓側(cè)分接頭位置，顯然負(fù)荷點(diǎn)電壓V2與V1t間為減函數(shù)關(guān)系，其示意圖可見圖3。

粗略地說，當(dāng)負(fù)荷輕時(shí)若負(fù)荷點(diǎn)電壓本身已偏高，則調(diào)低變壓器抽頭有助于降低電壓偏移量。若負(fù)荷已經(jīng)很重，則應(yīng)調(diào)高變壓器抽頭來降低電壓偏移量。在實(shí)際電網(wǎng)中負(fù)荷點(diǎn)電壓與變壓器高壓側(cè)母線實(shí)際電壓也是密切相關(guān)的，而該電壓由配電網(wǎng)潮流的實(shí)際情況來確定，無法直接寫出解析的關(guān)系式。故變壓器抽頭位置與電壓偏移間關(guān)系還應(yīng)依據(jù)具體情況來確定。

圖3 變壓器分接頭檔位與電壓偏移間關(guān)系

改變變壓器分接頭檔位不會(huì)改變變壓器內(nèi)部電壓損耗的數(shù)值，也不會(huì)改變低壓臺(tái)區(qū)電壓變化的幅度，僅是把低壓臺(tái)區(qū)電壓的取值范圍相對(duì)于額定電壓的位置做了適當(dāng)調(diào)整。前文提到的通過更換線路型號(hào)降低電壓偏移量的措施有可能收效不顯著，若能與此處提到的改變變壓器分接頭檔位的措施相結(jié)合，則可收到事半功倍的效果。后文的實(shí)際配電網(wǎng)算例驗(yàn)證了這一結(jié)論。

3 實(shí)際案例

考慮廣州地區(qū)某實(shí)際配電饋線的電壓質(zhì)量問題，該饋線的10 kV部分接線圖見圖4。

該饋線的某低壓臺(tái)區(qū)存在電壓偏低的現(xiàn)象，若對(duì)應(yīng)配電變壓器分接頭處于額定電壓處（10 kV），則電壓最低點(diǎn)偏移量達(dá)到-9.91%。該低壓臺(tái)區(qū)的地理接線圖見圖5。

若僅考慮調(diào)整變壓器變比來改變電壓偏移量，得到的結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器分接頭檔位對(duì)電壓偏移量的影響

從表1中可見若需將低壓臺(tái)區(qū)最大電壓偏移量降到±7%以內(nèi)，需將變壓器分接頭調(diào)整至9.5 kV位置，這就要求變壓器具有充足的分接頭檔位。若按通常2.5%一個(gè)檔位計(jì)算，此變壓器至少應(yīng)有5個(gè)分接頭檔位（-5.0%，-2.5%，0%，2.5%，5.0%），在中低壓配電網(wǎng)中不一定始終可以滿足。

圖4 某實(shí)際饋線的10kV接線圖5 某低壓臺(tái)區(qū)地理接線圖

圖5 所示的低壓臺(tái)區(qū)中基本為一放射型網(wǎng)絡(luò)，即負(fù)荷節(jié)點(diǎn)直接與降壓變壓器低壓母線出口相連。在此情況下，為改善電壓最低點(diǎn)電能質(zhì)量，可以考慮更換電源點(diǎn)到該負(fù)荷點(diǎn)間的輸電線路型號(hào)。本例中待研究的線路原為120 mm2截面積，中列出了變壓器分接頭處于10 kV位置時(shí)增大導(dǎo)線截面積對(duì)該點(diǎn)電壓偏移量的影響。

圖4 某實(shí)際饋線的10kV接線圖5 某低壓臺(tái)區(qū)地理接線圖

表2表明若僅考慮更換導(dǎo)線型號(hào)的措施，需將導(dǎo)線截面積增大為原來的2倍（240 mm2）才能將末端負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓偏移量降低到±7%以內(nèi)，這顯然是極不經(jīng)濟(jì)的，在工程實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)。

表2 變壓器分接頭為10 kV時(shí)更換線型的效果

若同時(shí)考慮調(diào)整變壓器變比和更換導(dǎo)線型號(hào)的措施，所得結(jié)果大為改善。例如若將變壓器運(yùn)行的分接頭置于9.75 kV位置，則可得到所示的更換導(dǎo)線截面積對(duì)電壓質(zhì)量的改善效果。

表3 變壓器分接頭為9.75 kV時(shí)更換線型的效果

可見僅需將變壓器分接頭調(diào)低一檔（這對(duì)于所有的配電變壓器都是可以做到的），則只要將導(dǎo)線的截面積增大到150 mm2即可將末端節(jié)點(diǎn)電壓偏移量降低到5.6%，效果顯著。

4 結(jié)論

在配電網(wǎng)中減小電壓偏移量是改善電能質(zhì)量的重要內(nèi)容。由于影響因素眾多，因果關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致很難得出通用的改善方案。

本文探討一種具體的改善電能質(zhì)量的措施——更換輸電線導(dǎo)線型號(hào)的機(jī)理，并詳細(xì)分析了其與改變配電變壓器分接頭檔位等其他措施相結(jié)合來獲得綜合改善效果的具體問題。通過對(duì)一個(gè)實(shí)際配電網(wǎng)的深入分析，可以發(fā)現(xiàn)采取綜合措施比采取任何一種單獨(dú)的措施都有優(yōu)越得多的電能質(zhì)量改善效果。

本文的結(jié)論具有一定的通用性，但在不同配電網(wǎng)中實(shí)施時(shí)要結(jié)合配電網(wǎng)的實(shí)際情況才能制定出最合理的優(yōu)化方案。

［1］何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析（上）［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

［2］程浩忠.電能質(zhì)量［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［3］GB/T 12325-2008.電能質(zhì)量：供電電壓偏差［S］.

［4］何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析（下）［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.