基于快速開關(guān)型的10kV線路串聯(lián)補償技術(shù)應(yīng)用及效果分析

程治真韋建波韋碧琳張建民楊 波

（1.廣西電網(wǎng)有限責任公司河池供電局，廣西 河池 547000；2.四方華能電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，北京 100085）

基于快速開關(guān)型的10kV線路串聯(lián)補償技術(shù)應(yīng)用及效果分析

程治真1韋建波1韋碧琳1張建民2楊 波2

（1.廣西電網(wǎng)有限責任公司河池供電局，廣西 河池 547000；2.四方華能電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，北京 100085）

串聯(lián)補償技術(shù)對于提升配電網(wǎng)線路的傳輸能力及穩(wěn)定性有非常重要的作用。本文以廣西河池10kV亮山線路的串聯(lián)補償技術(shù)應(yīng)用為案例，在論述固定串聯(lián)補償技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，分析了10kV亮山線路運行的現(xiàn)狀和電壓問題，提出了基于快速開關(guān)的串聯(lián)補償方案，通過選擇串聯(lián)補償點和確定串聯(lián)補償容量，完成了方案的實施。實施效果表明：基于快速開關(guān)型的串聯(lián)補償方案具有較好的線路末端電壓提升能力和線路輸送穩(wěn)定能力，適合在10kV亮山線路中應(yīng)用。

串聯(lián)補償；快速開關(guān)；電壓質(zhì)量；輸送能力

近年來，我國社會與經(jīng)濟的獲得了極大的發(fā)展，電能需求隨之不斷擴大，但電能質(zhì)量問題始終是國內(nèi)電網(wǎng)中面臨的重要問題之一，電能質(zhì)量過低所導(dǎo)致的諸多問題嚴重影響了國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)、通信設(shè)備和醫(yī)療裝置等一些敏感用戶的正常使用，甚至?xí)斐蓢乐氐纳鐣涣加绊?。對電能質(zhì)量而言，電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量和波形質(zhì)量是其主要的指標，其中電壓質(zhì)量是最重要的指標。在配電網(wǎng)中，電壓質(zhì)量往往是衡量配電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)質(zhì)量的重要參數(shù)，當前，改善電壓質(zhì)量已經(jīng)成為了國內(nèi)電網(wǎng)可持續(xù)運行的重要目標。然而，由于我國配電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展相對落后，配電網(wǎng)線路的建設(shè)和維護也未被充分重視，再加上越來越龐大的配電網(wǎng)規(guī)模，使得國內(nèi)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量問題凸顯，典型的如供電半徑問題、配電變壓器分布問題、電壓偏低或偏高問題等。在這樣的背景下，串聯(lián)補償技術(shù)應(yīng)運而生，產(chǎn)生于 20世紀 50年代的串聯(lián)補償技術(shù)已經(jīng)在我國得到了一定的應(yīng)用，此類技術(shù)能夠有效提升配電網(wǎng)線路的傳輸效率，穩(wěn)定電網(wǎng)運行，實現(xiàn)對配電網(wǎng)偏高或偏低電壓問題的解決。從應(yīng)用情況來看，串聯(lián)補償技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用多以500kV及220kV等高壓電網(wǎng)為主，在如今快速開關(guān)技術(shù)等發(fā)展的前提下，串聯(lián)補償技術(shù)在110kV以下中低壓配電網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)成為可能。為此，本文選擇廣西河池 10kV亮山線路為案例，研究其基于快速開關(guān)的串聯(lián)補償技術(shù)應(yīng)用方案，并分析應(yīng)用的效果。

1 固定串聯(lián)補償技術(shù)的基本原理

串聯(lián)補償技術(shù)是在遠距離、高電壓輸送運行狀態(tài)下逐步成熟的一項技術(shù)。該技術(shù)主要借助對電容器的串聯(lián)，實現(xiàn)對交流輸電線路中電抗的補償。利用串聯(lián)補償技術(shù)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對輸電線路效率的提升，而且能強化電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是在電能質(zhì)量改善方面，具有較為明顯的效果和優(yōu)勢。

當前，串聯(lián)補償技術(shù)共分為兩類，分別為固定串聯(lián)補償技術(shù)和可控串聯(lián)補償技術(shù)。由于可控串聯(lián)補償技術(shù)具有較高的技術(shù)復(fù)雜度以及較大的投資需求，使得其在實際應(yīng)用中的范圍并不廣泛，只有個別發(fā)達國家的變電站中有所應(yīng)用；固定串聯(lián)補償技術(shù)則具有比可控串聯(lián)補償技術(shù)更低的使用成本，更廣的使用范圍，在世界上已經(jīng)擁有了50多年的使用歷史。

固定串聯(lián)補償技術(shù)的基本原理如圖1所示。

圖1 固定串聯(lián)補償技術(shù)基本原理圖

從圖1不難看出，固定串聯(lián)補償技術(shù)中的基本組成包括電容器、MOV、旁路開關(guān)、阻尼繞組、觸發(fā)間隙等，其中電容器是以組的方式存在的，通常由多個電容器串聯(lián)組成。MOV為某類金屬氧化物限壓器，具有能夠有效吸收能量的功能，由于在串聯(lián)補償裝置線路中有可能產(chǎn)生相對較大的電流，從而導(dǎo)致電容器組上的過電壓過高，為此，需要對電容器組進行保護，MOV的主要作用是對電容器組兩端的過電壓進行抑制，達到對串聯(lián)補償裝置中電容器組保護的目標。旁路開關(guān)是一種隔離斷路器，它的主要作用是對串聯(lián)電容器組、MOV以及觸發(fā)間隙的投入及退出提供支撐。阻尼繞組的主要作用是對電容器的放電電流進行一定的限制，實現(xiàn)對串聯(lián)補償電容器組、觸發(fā)間隙、旁路開關(guān)由于放電電流異常而產(chǎn)生故障。觸發(fā)間隙則是為串聯(lián)補償電容器組及MOV提供又一層保護的，它在MOV承擔的電流或吸收的能量出現(xiàn)超負荷時被觸發(fā)。

2 廣西河池10kV亮山線路串聯(lián)補償技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 廣西河池10kV亮山線路運行概述

廣西河池10KV亮山線路分布在大化縣山區(qū)，該線路由于受山區(qū)地理環(huán)境的影響，使得其輸送線路過程，配電末端電壓相對較低，對末端用電客戶造成了一定的影響。廣西河池 10kV亮山線路接線模式為單輻射，供電半徑相對較長，導(dǎo)線型號較小，所面對的末端客戶種類復(fù)雜，既有工業(yè)用電客戶，也有居民用電和農(nóng)業(yè)用電客戶。亮山線主線全長13.17km，分支線總長 43.203km，所使用的導(dǎo)線型號全部為LGJ-35。

目前，10kV亮山線路存在著嚴重的末端用戶電壓較低的問題，在一些負荷較重的節(jié)點，電壓損耗現(xiàn)象非常嚴重。筆者通過對該線路現(xiàn)場多個節(jié)點進行負荷接入情況觀測，按照功率因數(shù)0.9、最大負荷為2051kW、35kV流水站10kV母線電壓按照線路的最低電壓10.50kV考慮，進行仿真計算后得到10kV亮山線路主干線各主要觀測點電壓情況見表1。

表1 10kV亮山線路最大負荷時觀測點電壓情況

觀測數(shù)據(jù)顯示（表 1），10kV亮山線路在一些負荷較重的觀測點表現(xiàn)出非常嚴重的電壓損失，如觀測點 26#、48#、80#與母線電壓相比均有較大幅度的下降，其中觀測點 26#桿電壓與母線電壓相比下降了 0.480kV，降幅達到 4.58%，而末端觀測點137#桿的電壓下降值更為明顯，達到1.29kV,降低幅度為 12.33%。這一電壓降低值已經(jīng)明顯超過了GB/12325中規(guī)定的10kV電網(wǎng)電壓正、負偏差絕對值之和不得超過10%的標準，而且從觀測點#105桿之后，所有觀測點的電壓均小于 9.4kV，從而對該片區(qū)末端工業(yè)用電、居民用電造成極大困擾。

2.2 基于快速開關(guān)型的河池10kV亮山線路串聯(lián)補償方案設(shè)計

鑒于 10kV亮山線路存在的較為嚴重的電壓損耗問題，筆者為其設(shè)計一種新型的串聯(lián)補償方案，旨在提升該線路的末端電壓，降低線路電壓損耗，提升線路輸送能力。此次設(shè)計的串聯(lián)補償方案是基于快速開關(guān)元件的。

1）快速開關(guān)型串聯(lián)補償裝置分析

快速開關(guān)型串聯(lián)補償裝置是一種基于快速開關(guān)元件快速短接功能，從而能夠極大的降低串聯(lián)補償設(shè)備造價的新型裝置。此類新型裝置可以充分借助快速開關(guān)元件的特點，實現(xiàn)很短時間內(nèi)的電容器與金屬氧化物（如氧化鋅）的短接，降低金屬氧化物與電容器的額定電壓，最終實現(xiàn)核心設(shè)備成本的降低。此次使用的基于快速開關(guān)的固定串聯(lián)補償設(shè)備原理如圖2所示。

圖2 基于快速開關(guān)型的串聯(lián)補償裝置原理圖

在此類串聯(lián)補償裝置中，當電容器在運行中系統(tǒng)出現(xiàn)短路時，會使電容器出現(xiàn)電壓升高的情況，根據(jù)電容器的電壓來控制快速開關(guān)的合閘，電容器在電流限制的范圍內(nèi)完成短接，在此之前可由金屬氧化物快速完成能量吸收，保證電容器過電壓處于安全的范圍內(nèi)，這便可以降低電容的容量，減少成本，進行更可靠的控制，促進多點補償?shù)膶崿F(xiàn)。

2）串聯(lián)補償方案中補償點的選擇與分析

本次基于快速開關(guān)型 10kV亮山線路的串聯(lián)補償方案，需要首先對補償點進行選擇，選擇的基本原則同時兼顧便捷與實用的原則，充分結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，在每條線路中預(yù)先通過觀測點中進行串連補償裝置的安裝，展開仿真分析，獲得補償裝置最佳的安裝觀測點。筆者在本次方案中預(yù)選觀測點#61，但該點并非是最佳效果的補償點，最終計算得到的安裝點為觀測點#53，這兩個觀測點的距離為0.768km。在仿真分析過程中，可以分別就#61與#53的補償裝置安裝效果進行比較分析。以最大負荷率為25%的條件為基礎(chǔ)，分別在不同的補償量情況下，可得到預(yù)選點和實際串聯(lián)補償裝置安裝電的補償效果并不相同，具體見表2和表3。

表2 補償容抗6Ω時觀測點#61的補償效果

表3 補償容抗6Ω時觀測點#53的補償效果

從表2與表3的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，在最大負荷率相同的情況下，補償容抗相同時，在觀測點#53和#61均能滿足后續(xù)各觀測點的電壓均能需求，但在#53處安裝補償裝置的效果是更好的，電壓損耗更低。

3）串聯(lián)補償方案中串補容量的選擇與分析

根據(jù)選擇的串聯(lián)補償裝置安裝點，得到其距離變電站的實際距離為5.09km，結(jié)合10kV亮山線的全線感抗值 5.27Ω，可以對該線路串聯(lián)補償容量的最佳值進行計算。借助仿真分析，得到在不同串補容量的情況下，每個觀測點電壓的變化，具體見表4。

表4 不同串補容量的電壓分布情況

從表4中不難發(fā)現(xiàn)，串補容量越大，末端電壓的損耗率越低，補償效果就越好，但是，在考慮到串補點這一因素的基礎(chǔ)上，同時考慮 10kV亮山線路未來負荷的發(fā)展因素的基礎(chǔ)上，筆者建議選擇串補容量為6Ω和10Ω，對應(yīng)的補償度分別為113.85%和189.75%。

綜上所述，基于快速開關(guān)型的 10kV亮山線路串聯(lián)補償方案最終選擇在觀測點#53處安裝補償裝置，串補容量可選擇6Ω或10Ω。

3 應(yīng)用效果分析

基于快速開關(guān)型的 10kV亮山線路串聯(lián)補償方案的設(shè)計與應(yīng)用，不論是對線路末端電壓的提升，還是對線路輸送能力的提升都是十分明顯的，這是本次固定串聯(lián)補償方案應(yīng)用的主要效果，具體分析如下。

3.1 串聯(lián)補償方案實施后對線路電壓的提升效果

筆者將上述設(shè)計的串聯(lián)補償方案應(yīng)用在 10kV亮山線路中，當母線電壓為10.5kV，最大負荷率為25%的條件時，通過仿真計算，可以得到串聯(lián)補償方案實施前后的線路末端電壓提升效果（見表5）。

從表5中不難看出，線路中的末端電壓提升效果受串補容量的影響較大，當串補容量為6Ω時，末端電壓從 0.22kV 到 0.42kV，最大的提升量為0.42kV；當串補容量為10Ω時，末端電壓從0.34V到0.67kV，最大的提升量為0.67kV。

同時，考慮到 10kV亮山線路未來存在的負荷增加的情況，筆者針對該串聯(lián)補償方案，仿真計算了未來負荷率為33.5%的條件下，母線電壓10.5kV時，該方案實施前后的線路末端電壓提升效果（見表6）。

表5 串聯(lián)補償方案實施前后的線路末端電壓提升效果（最大負荷率=25%）

表6 串聯(lián)補償方案實施前后的線路末端電壓提升效果（未來負荷率=33.5%）

從表6中不難看出，線路中的末端電壓提升效果受串補容量的影響較大，當串補容量為6Ω時，末端電壓提升量從 0.32kV到 0.60kV，最大的提升量為0.60kV；當串補容量為10Ω時，末端電壓提升量從0.47kV到0.93kV，最大的提升量為0.93kV。

顯然，從線路電壓的提升效果方面來看，不論是當前負荷還是在未來負荷情況下，通過基于快速開關(guān)型的 10kV亮山線路串聯(lián)補償方案的補償效果是滿足實際需求的，可以有效解決當前亮山線路末端電壓過低的問題。

3.2 串聯(lián)補償方案實施后對線路輸送能力的提升

基于快速開關(guān)型的 10kV線路串聯(lián)補償技術(shù)和裝置，能夠降低相同負荷下的負荷電流，這使得該方案的實施除了能夠?qū)崿F(xiàn)線路電壓提升之外，還能夠有效提升線路的輸送能力。筆者以末端電壓不低于9.4kV為基本的條件，得出串聯(lián)補償方案實施前后的線路輸送功率的負荷率見表7。

表7 線路輸送能力（串補容量=6Ω）

從表7中發(fā)現(xiàn)，實施該串聯(lián)補償方案之后，10kV亮山線路的整體輸送能力提高了14.03%。因此，可以說，基于快速開關(guān)型串聯(lián)補償方案的實施，能哦古有效提升線路的輸送能力，可以適當打開傳統(tǒng)的由于末端電壓受限而導(dǎo)致的瓶頸。

此外，在最大負荷率條件下，還可以對串聯(lián)補償方案實施前后的線路損耗情況進行比較，結(jié)果見表8。

表8 最大負荷率情況下的線路損耗情況（功率因數(shù)=0.9，串補容量=6Ω）

根據(jù)表8的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在最大負荷率情況下，串聯(lián)補償方案實施前后的線路損耗有著明顯的降低。在上述條件下，按照工業(yè)用電每度電1元計算，在功率因數(shù)在 0.9時最大負荷時節(jié)約電量為 55386 kW·h，每年節(jié)約資金5.54萬元。

4 結(jié)論

基于快速開關(guān)型的串聯(lián)補償技術(shù)是一項新型的，具有更高安全性和更好補償效果的技術(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用在廣西河池大化供電公司 10kV亮山線路中時，不論在正常負荷還是在未來重負荷的情況下，均能實現(xiàn)對線路末端電壓的有效提升；同時還在一定程度上能夠有效降低線路的損耗，提升線路輸送能力。此外，快速開關(guān)型串聯(lián)補償裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，在提高整個系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的作用也非常明顯?？梢灶A(yù)見，基于快速開關(guān)型串聯(lián)補償技術(shù)在 10kV亮山線路中的應(yīng)用，必然會產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。

[1]任強,楊濤,謝偉崢,等.串聯(lián)補償裝置與并聯(lián)補償裝置兼容運行[J].電力電容器與無功補償,2011,32(1)：1-4,15.

[2]張媛媛,班連庚,項祖濤,等.1000kV特高壓固定串聯(lián)補償裝置關(guān)鍵元件工作條件研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2013(8)：2218-2224.

[3]卓谷穎,江道灼,梁一橋,等.改善配網(wǎng)電壓質(zhì)量的固定串補技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013(8)：61-67.

[4]楊尚瑾,許海,宋曉通,等.輻射狀配電線路串聯(lián)和并聯(lián)補償?shù)募嫒菪訹J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(3)：763-768.

[5]梁宗裕.新型串聯(lián)高電壓補償系統(tǒng)在中衛(wèi)電網(wǎng)的應(yīng)用[J].寧夏電力,2014(4)：28-32.

[6]袁敬中.大房 500kV串聯(lián)補償站控制與保護[J].電力系統(tǒng)自動化,2002,26(11)：66-69.

[7]劉學(xué)博,韋統(tǒng)振,韓立博,等.配電網(wǎng)串聯(lián)補償設(shè)備保護控制策略研究[J].電力電子技術(shù),2014,48(8)：11-15.

Analysis on the Application of Series Compensation Technology based on the Fast Switch for a 10kV Line

Cheng Zhizhen1Wei Jianbo1Wei Bilin1Zhang Jianmin2Yang Bo2
(1.Hechi Power Supply Bureau,Guangxi Power Grid Co.,Ltd,Hechi,Guangxi 547000；2.Sifang&Huaneng Power System Control Co.,Ltd,Beijing 100085)

The series compensation technology plays an important role to improve the line’s transmission capacity and stability of the distribution network .This paper puts the application of series compensation in 10kV Liangshan line of Hechi area in Guangxi Province as a case,discusses the principle of the fixed series compensation technology,analyses the current situation and problems of 10kV Liangshan line,proposes a series compensation scheme based on fast switch.By selecting the installation location and calculating the series compensation capacity,the plan has been completed.Implementation effect showed that：The series compensation scheme based on fast switching mode has a better ability to improve the terminal voltage and the stability of the transmission line,and is suitable for application in Liangshan 10kV lines.

series compensation；fast switch；voltage quality；transmission capability

程治真（1961-）男，碩士，高級工程師，長期從事配網(wǎng)運行調(diào)度工作。