基于快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償?shù)霓r(nóng)網(wǎng)低電壓治理研究

宋秀芳

（國(guó)網(wǎng)北京通州供電公司，北京 101100）

基于快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償?shù)霓r(nóng)網(wǎng)低電壓治理研究

宋秀芳

（國(guó)網(wǎng)北京通州供電公司，北京 101100）

隨著用電負(fù)荷的快速攀升，農(nóng)網(wǎng)低電壓現(xiàn)象日漸凸顯。本文首先對(duì)各類(lèi)低電壓治理方式進(jìn)行比較，著重闡述了配電網(wǎng)串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)的原理，分析該技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)；其次介紹串補(bǔ)技術(shù)中的快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償裝置的構(gòu)造及工作特性；最后以某供電公司下轄 10kV金山線(xiàn)為對(duì)象，進(jìn)行快速開(kāi)關(guān)型串補(bǔ)裝置低電壓治理效果的探討。結(jié)果顯示，快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償裝置在解決農(nóng)網(wǎng)低電壓方面的效果十分明顯，值得進(jìn)一步推廣。

串聯(lián)補(bǔ)償裝置；低電壓治理；電壓質(zhì)量；補(bǔ)償效果

對(duì)于配電線(xiàn)路，當(dāng)供電半徑增大時(shí)，受端電壓下降將成為一個(gè)突出問(wèn)題[1]，而采用串聯(lián)補(bǔ)償可減小線(xiàn)路電抗，實(shí)時(shí)改善“魚(yú)刺”狀配電線(xiàn)路沿線(xiàn)電壓分布，降低配電線(xiàn)路末端的電壓下沉幅度，且以上行為具有對(duì)負(fù)荷的“自適應(yīng)”[2]。近年來(lái)，農(nóng)網(wǎng)區(qū)域的電力負(fù)荷呈現(xiàn)連續(xù)性的快速增長(zhǎng)，使得配網(wǎng)在結(jié)構(gòu)、線(xiàn)徑等方面的改造明顯跟不上，針對(duì)電壓質(zhì)量的各類(lèi)投訴有了顯著躍增。選擇合理的低電壓治理方案，成為當(dāng)前配網(wǎng)運(yùn)維領(lǐng)域的迫切任務(wù)。本文在研究 10kV線(xiàn)路串聯(lián)補(bǔ)償最新技術(shù)基礎(chǔ)上，就農(nóng)網(wǎng)低電壓治理展開(kāi)實(shí)踐嘗試。

1 各類(lèi)低電壓治理方式的比較

針對(duì)農(nóng)網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}，常用的技術(shù)措施主要有：調(diào)整配變分接頭位置、增大導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑、增加電源點(diǎn)和采用分散式并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置等[3]。對(duì)以上方法進(jìn)行分析：①第一種方法不涉及資金投入，最容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)節(jié)配變分接頭需要頻繁停電、試驗(yàn)，且作用范圍有限（即調(diào)節(jié)后一般僅對(duì)離配變較近的負(fù)荷點(diǎn)有效）；②第二種方法不但投入大，而且改造期間的停電時(shí)間較久；③第三種方法在當(dāng)前應(yīng)用較廣，其主要功效是提高功率因數(shù)和降低線(xiàn)損，但存在開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁、響應(yīng)速度慢、維護(hù)量大、使用壽命短以及補(bǔ)償精度差等問(wèn)題[4]，同時(shí)在電壓改善上對(duì)線(xiàn)路負(fù)載不能自適應(yīng)（即線(xiàn)路重載時(shí)電壓提升不明顯，線(xiàn)路輕載時(shí)電壓容易越限）。雖然近幾年 SVC，STATCOM 等基于電力電子的無(wú)功補(bǔ)償裝備發(fā)展迅猛，但因其價(jià)格過(guò)于昂貴，未能在農(nóng)網(wǎng)中大規(guī)模應(yīng)用。

除上述措施外，近些年還興起基于線(xiàn)路中串聯(lián)電容器的補(bǔ)償措施，該類(lèi)措施可改善 10kV輻射狀饋線(xiàn)的電壓分布，可減小電壓跌落幅度以及提升線(xiàn)路輸送容量[5]。

2 串補(bǔ)技術(shù)改善線(xiàn)路電壓特性的原理分析

首先分析不加串補(bǔ)設(shè)備的線(xiàn)路的電壓降，其次分析有串補(bǔ)設(shè)備線(xiàn)路的電壓降，將二者進(jìn)行對(duì)比。

1）正常10kV線(xiàn)路（即不加串補(bǔ)電容）的等效電路可用圖1來(lái)表示。

圖1 不加串補(bǔ)裝置的10kV線(xiàn)路的等效電路

圖2 10kV線(xiàn)路不加串補(bǔ)時(shí)的線(xiàn)路向量圖

圖2中，φ為負(fù)荷功角，θ為線(xiàn)路首端功角。由圖2的向量圖可得，此時(shí)線(xiàn)路首、末端的線(xiàn)電壓之差為

顯然，由式（1）可知，在感性負(fù)載下（用戶(hù)的負(fù)載一般呈感性），線(xiàn)路末端電壓肯定會(huì)低于首端。

2）線(xiàn)路中加入容抗值為XC的電容器后，電路圖如圖3所示，向量圖如圖4所示。

圖3 加入串補(bǔ)設(shè)備后的10kV線(xiàn)路等效電路

圖4 加入串補(bǔ)設(shè)備后的線(xiàn)路向量圖

圖4中，θ′為加入串補(bǔ)后線(xiàn)路首端功率因數(shù)角。此時(shí)線(xiàn)路首、末端線(xiàn)電壓之差為

由式（2）可知，串聯(lián)電容器的加入減小了線(xiàn)路電抗，使線(xiàn)路電壓得以抬升，抬升值為顯然，因該抬升值與線(xiàn)路電流大小成正比，所以串補(bǔ)技術(shù)在改善電壓幅值方面是隨負(fù)荷變化自適應(yīng)的，即線(xiàn)路負(fù)荷大→線(xiàn)路電流大→電壓抬升大→線(xiàn)路電壓降小，線(xiàn)路負(fù)荷輕→線(xiàn)路電流小→電壓抬升小→線(xiàn)路電壓不會(huì)超限。因此，將串補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用在10kV線(xiàn)路電壓補(bǔ)償上具有良好的效果[6]。

3 快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償裝置的介紹

串補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是讓串聯(lián)補(bǔ)償電容器能承受短路時(shí)高電壓的沖擊，為此涉及一系列附加設(shè)備的開(kāi)發(fā)。當(dāng)前，基于 10kV線(xiàn)路串補(bǔ)技術(shù)的最前沿設(shè)備為快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償裝置，如圖5所示。

圖5 快速開(kāi)關(guān)型串補(bǔ)裝置結(jié)構(gòu)圖

由圖5可知，該類(lèi)設(shè)備主要由串聯(lián)補(bǔ)償電容器、氧化鋅組件、限流阻尼器、放電開(kāi)關(guān)、采樣 PT以及控制器（圖中未畫(huà)出）等組成。其中，快速開(kāi)關(guān)是核心元件。下面將設(shè)備工作情況闡述如下。

1）正常運(yùn)行時(shí)，將補(bǔ)償電容串聯(lián)在線(xiàn)路中，根據(jù)補(bǔ)償深度要求合理配置。

2）在串聯(lián)補(bǔ)償電容投入運(yùn)行的條件下系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，電容器兩端的電壓將隨著電流的上升而提高，控制模塊通過(guò)采樣 PT檢測(cè)到電容兩端電壓升高后控制放電開(kāi)關(guān)合閘，補(bǔ)償電容器通過(guò)限流阻尼器和放電開(kāi)關(guān)放電，放電電流由限流阻尼器限制到允許范圍內(nèi)，將補(bǔ)償電容完全短接，以避免串聯(lián)補(bǔ)償電容導(dǎo)致線(xiàn)路短路電流的明顯加大。

3）與電容并聯(lián)的氧化鋅由多路串、并聯(lián)閥片組成，具備多點(diǎn)動(dòng)態(tài)均能特性，在電容短接前能夠迅速吸收過(guò)電壓的多余能量，確保把電容過(guò)電壓控制在額定安全范圍，電容的容量可以得到極大的縮減，在降低設(shè)備成本的同時(shí)，設(shè)備的體積得到了有效的控制，可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)路中進(jìn)行多點(diǎn)補(bǔ)償。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 案列說(shuō)明及分析

國(guó)網(wǎng)下屬某供電公司下轄 10kV金山線(xiàn)主供淡水魚(yú)養(yǎng)殖，主要用電設(shè)備為增氧機(jī)、投料機(jī)、排補(bǔ)水水泵等。10kV金山線(xiàn)的特點(diǎn)是供電半徑較長(zhǎng)、負(fù)荷重。2014年度該線(xiàn)路最大電流為 380A，最大負(fù)載率為92%，末端電壓最低已達(dá)8kV，經(jīng)常造成養(yǎng)魚(yú)設(shè)備無(wú)法正常啟動(dòng)，對(duì)該線(xiàn)路進(jìn)行低電壓治理迫在眉睫。

供電公司專(zhuān)家經(jīng)過(guò)分析后認(rèn)為，造成10金山線(xiàn)出現(xiàn)大面積低電壓現(xiàn)象的原因主要是，線(xiàn)路供電半徑過(guò)大、部分線(xiàn)路線(xiàn)徑偏小等。鑒于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、元件在短時(shí)間得不到改善，并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償、有載調(diào)壓等方式存在較大不足，因此，選擇某款快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償裝置進(jìn)行低電壓治理。

4.2 方案設(shè)計(jì)研究

進(jìn)行 10kV線(xiàn)路串補(bǔ)方案設(shè)計(jì)，主要關(guān)注點(diǎn)為安裝點(diǎn)選擇、補(bǔ)償度計(jì)算、串補(bǔ)設(shè)備元件參數(shù)計(jì)算等。

1）安裝點(diǎn)選擇。本案例中，專(zhuān)家們?cè)诔浞至私饩€(xiàn)路負(fù)荷分布、各線(xiàn)路區(qū)間阻抗基礎(chǔ)上，初步選定線(xiàn)路#41桿、#44桿、50#桿處為串補(bǔ)設(shè)備安裝待選處（具體選擇哪個(gè)桿子需經(jīng)歷軟件計(jì)算）。

2）補(bǔ)償度計(jì)算。配網(wǎng)線(xiàn)路阻抗的特點(diǎn)是電阻分量大（R/XL一般超50%），因此進(jìn)行串補(bǔ)的補(bǔ)償度應(yīng)大于輸電線(xiàn)路串補(bǔ)。設(shè)計(jì)時(shí)需按初定的補(bǔ)償度進(jìn)行電壓補(bǔ)償效果驗(yàn)證，并不斷反饋式調(diào)整直至補(bǔ)償效果到達(dá)預(yù)期。

3）串補(bǔ)設(shè)備元器件參數(shù)計(jì)算。就是將線(xiàn)路參數(shù)、負(fù)荷潮流、串補(bǔ)裝置參數(shù)整合到一起建模，通過(guò)模擬運(yùn)行效果來(lái)調(diào)整串補(bǔ)參數(shù)，最終完成參數(shù)設(shè)計(jì)。本案例中，對(duì)各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷按照恒功率建模，對(duì)線(xiàn)路參數(shù)及串補(bǔ)參數(shù)按照定阻抗建模，并使用 Mathcad軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。具體步驟為：①串聯(lián)線(xiàn)路電壓分布計(jì)算，即輸入各類(lèi)線(xiàn)路參數(shù)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)和支路數(shù)，建立節(jié)點(diǎn)電壓方程，求出串補(bǔ)前后各節(jié)點(diǎn)電壓、各段線(xiàn)路電流、負(fù)荷潮流以及功率因數(shù)；②補(bǔ)償效果仿真分析，即通過(guò)程序繪制相關(guān)波形，查看補(bǔ)償效果；③串聯(lián)電容器組參數(shù)計(jì)算，即計(jì)算確定串聯(lián)補(bǔ)償裝置的額定電氣量參數(shù)（電壓、容量、每相串并聯(lián)數(shù)、單元電容器的額定參數(shù)等）；④系統(tǒng)異常情況下的模擬計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)異常導(dǎo)致串補(bǔ)裝置保護(hù)間隙放電時(shí)電容器組兩端電壓和流過(guò)電容器組的電流進(jìn)行仿真分析，以校核串聯(lián)電容器的設(shè)計(jì)參數(shù)是否滿(mǎn)足需要；⑤阻尼回路參數(shù)計(jì)算。通過(guò)對(duì)電容器退出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)放電阻尼效果的仿真分析，確定阻尼回路各元件如阻尼電阻、阻尼電抗等的參數(shù)，并對(duì)避雷器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

4.3 實(shí)際串補(bǔ)效果

在完成各類(lèi)計(jì)算、校核后，供電公司專(zhuān)家經(jīng)過(guò)綜合考量，最終確定在10金山線(xiàn)主干#44加裝一臺(tái)串聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置，該裝置的主要參數(shù)見(jiàn)表 1。補(bǔ)償前后的效果比對(duì)如圖6所示。圖6說(shuō)明：①兩次測(cè)量時(shí)間均選擇在農(nóng)忙期間，因該期間最容易出現(xiàn)低電壓；②補(bǔ)償前，#44桿以后的電壓直線(xiàn)下降；③補(bǔ)償后雖然對(duì)補(bǔ)償點(diǎn)前方的電壓無(wú)抬升，但對(duì)補(bǔ)償點(diǎn)之后的電壓抬升效果十分明顯。

Study on the Rural Governance Low Voltage Compensation Type based on Fast Switch Series

Song Xiufang
(Tongzhou Power Supply Company,Beijing 101100)

With the rapid rise of the electricity load,power grid low voltage phenomenon increasingly prominent.First of all,the paper compares the different types of low voltage control methods,and emphatically expounds the principle of the series compensation technology of distribution network,analyzes the characteristics and advantages of the technology.Secondly,the construction of the fast switching type series compensation device in series compensation technology is introduced in this paper.Finally a power company under the jurisdiction of Chongwen 10kV line as the object of study of low voltage control effect of fast switching type series compensation device.The results showed that the fast switch type series compensation device in low voltage power to solve the effect is very obvious,it is worthy of further promotion.

series compensation device；low voltage control；voltage quality；compensation effect

表1 補(bǔ)償裝置的參數(shù)選定