“低電壓”問題產(chǎn)生機理及其治理思路探析

徐田磊，趙瑜杰，張 懿

(國網(wǎng)成都市青白江供電公司，四川 成都 610300)

“低電壓”問題產(chǎn)生機理及其治理思路探析

徐田磊，趙瑜杰，張 懿

(國網(wǎng)成都市青白江供電公司，四川 成都 610300)

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，電力用戶用電規(guī)模不斷擴大，用電需求逐步提高，供需矛盾持續(xù)加劇，低電壓問題不斷涌現(xiàn)，嚴重影響電力企業(yè)供電服務水平。從原理上對低電壓問題產(chǎn)生的原因進行深入分析，結(jié)合電力供應實際，對不同類別低電壓問題，通過仿真驗證，提出一系列完整治理思路。最后，通過對不同治理思路工程實際造價、工程量的分析，為電力企業(yè)低電壓治理工作提供一定參考。

低電壓；線路損耗；壓降；治理

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展，城鄉(xiāng)居民生活水平不斷提高，配電網(wǎng)用電性質(zhì)也發(fā)生了根本改變，用電需求進入更高層次。配電網(wǎng)尤其是廣大農(nóng)村電力供需矛盾加劇，供電低電壓現(xiàn)象不斷涌現(xiàn)[1]。由低電壓問題所引起的配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題受到全社會高度關注，改善配電網(wǎng)供電質(zhì)量，已經(jīng)成為社會發(fā)展共識。

1 低電壓問題產(chǎn)生機理分析

負荷功率流經(jīng)電力線路產(chǎn)生的有功損耗以及無功損耗，是引起線路壓降的主要原因。根據(jù)電力線路等值串聯(lián)阻抗支路模型以及相量圖，如圖1所示，對線路壓降進行分析可得

(1)

由于配電網(wǎng)功率因數(shù)較高，圖1(b)中δ<10τ，因此線路垂直壓降δU可以忽略，在此基礎上對式(1)進行進一步簡化設置可得

(2)

(a)等值電路

(b)相量圖圖1 串聯(lián)阻抗支路等值電路及相量圖

1.1 低壓線路供電能力不足

根據(jù)式(2)，線路阻抗是影響線路壓降的關鍵性參數(shù)，線路截面積過小，線路電阻變大，將增大線路壓降。由于電網(wǎng)建設發(fā)展的歷史原因，部分地區(qū)低壓配電網(wǎng)線路因建設時間早，選型標準不高，線路線徑小，線路阻抗大，導致線路供電能力不足[2]；與此同時，電力負荷的不斷增長使原有的用電標準不能達到現(xiàn)有要求，原有線徑配電網(wǎng)線路已不能滿足現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展需求。

1.2 供電半徑大

根據(jù)電力行業(yè)標準，低壓配電網(wǎng)線路供電半徑不超過0.4 km,而在部分地區(qū)尤其是農(nóng)村地區(qū)，由于山區(qū)、丘陵等特殊地形，負荷分布較為散亂，供電半徑過大，致使電源點布置不合理。此外，農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，居民雜亂無章擴建現(xiàn)象嚴重，增大低壓供電半徑，部分地區(qū)供電半徑長達數(shù)公里，致使配電變壓器臺區(qū)不能深入負荷中心[3]。

1.3 無功補償能力不足

隨著越來越多異步電動機等大功率電器的使用，配電網(wǎng)傳輸感性無功增大，導致線路功率因數(shù)低，線路壓降大[4]。對存在“低電壓”情況的臺區(qū)進行現(xiàn)場查勘，發(fā)現(xiàn)這部分臺區(qū)配電變壓器側(cè)無功補償容量和線路無功補償容量普遍不足，導致低壓線路無功損耗加大，末端電壓過低。

1.4 配電變壓器供電能力不足

隨著社會生產(chǎn)力的不斷提高，城市地區(qū)生產(chǎn)、生活用電負荷迅速增長，而在農(nóng)村地區(qū)由于生活水平的不斷提高，“一村一品”的農(nóng)產(chǎn)品逐步走向市場；特別是受“家電下鄉(xiāng)”政策的激勵，空調(diào)等大容量電器普遍進入農(nóng)村家庭，農(nóng)村用電負荷也快速增加。部分地區(qū)原有配電變壓器臺區(qū)供電容量不足，負荷率較高，線路損耗加大，導致末端用戶電壓偏低。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

2.1 現(xiàn)場調(diào)查

四川省成都市青白江區(qū)龍王鎮(zhèn)、人和鄉(xiāng)由于特有的山區(qū)地形以及農(nóng)網(wǎng)建設等原因，存在典型的低電壓問題。通過對該區(qū)域紅福路油坊村公變進行現(xiàn)場調(diào)查，得到如下數(shù)據(jù)：

電源側(cè)：10 kV線路長度約20 km，臺區(qū)配電變壓器型號為S7-50/10,容量50 kVA,接線為Y-Yn0,變壓器擋位已調(diào)至最高擋位Ⅲ檔(9 500/400)。

出線側(cè)：出線側(cè)裝有并聯(lián)補償裝置。出線架空電纜型號為LGJ-25/4型鋼芯鋁絞線，根據(jù)油坊村配電變壓器數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)，2016年3月某日24 h電壓數(shù)據(jù)中，臺區(qū)配電變壓器出口側(cè)母線電壓統(tǒng)計如表1所示。

表1 臺區(qū)配電變壓器出口側(cè)母線電壓統(tǒng)計表

用戶側(cè)：臺區(qū)最遠用戶220 V低壓線路約4 km。用戶家中大功率電器有電飯煲、冰箱等。沿線用戶電壓逐次降低。在用電高峰期，約有一半的用戶用電電壓低于190 V，其中最末端用戶電壓低至150 V。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

油坊村臺區(qū)的電源側(cè)電壓基本合格，但是存在比較嚴重的三相不平衡現(xiàn)象。臺區(qū)末端低電壓現(xiàn)象嚴重，主要是由于低壓供電半徑過長，線路損耗過大造成的；同時，由于負荷存在分散性和不確定性，會造成比較大的三相不平衡度。

3 仿真分析

3.1 模型搭建與驗證

研究工作在仿真軟件Matlab平臺上采用Simulink組件搭建低電壓臺區(qū)的模型，利用SimPowerSystem庫中適當元件模塊搭建系統(tǒng)模型，并對照油坊村公變實際物理系統(tǒng)設置模型元件中對應的參數(shù)，建立配電網(wǎng)三相的Simulink模型，對配電網(wǎng)電壓進行仿真，如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)三相仿真模型電路簡圖

仿真模型參數(shù)設置如下：變壓器參數(shù)設置為型號S7-50/10,容量50 kVA,接線為Y-Yn0；線路參數(shù)依照LGJ-25/4型號鋼芯鋁絞線直流電阻1.131 Ω/km，三段線路參考現(xiàn)場實際情況，分別設置為10 km、15 km以及20 km，負荷功率因數(shù)設置為0.90。調(diào)整負荷率模擬臺區(qū)24 h負荷情況，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 變壓器出線電壓仿真結(jié)果

圖4 線路末端負荷電壓仿真結(jié)果

由圖3可知，臺區(qū)變壓器出線電壓波動區(qū)間為218～230.5 V，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為214.8～228.5 V；末端負荷處最低電壓仿真結(jié)果為146 V,現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為150 V。對比可知，仿真模型通過合理的簡化以及精準的參數(shù)設置，反映了臺區(qū)現(xiàn)場情況，模型具有較高的可靠性。

3.2 增加線路截面積

根據(jù)現(xiàn)場查勘數(shù)據(jù)，油坊村公變出線架空電纜型號為LGJ-25/4型號鋼芯鋁絞線，該類導線直流電阻為1.131 Ω/km。通過將仿真模型導線替換為LGJ-35/6型鋼筋鋁絞線，該類導線直流電阻為0.823 Ω/km?？傻脠D5仿真結(jié)果。

圖5 不同截面導線下末端負荷電壓仿真結(jié)果

通過增加導線截面積降低線路阻抗，可以改善線路末端負荷電壓，根據(jù)圖5可知，當臺區(qū)負荷率低于35%時，采用LGJ35/6型鋼芯鋁絞線可以將末端負荷電壓提升至200 V，在高負荷率下，由于供電半徑長，線路阻抗仍較大，末端負荷電壓低于200 V，此時可以繼續(xù)增大線路截面積，改善末端負荷電壓。

3.3 增加串聯(lián)補償裝置

負荷功率通過線路電抗時，產(chǎn)生的無功損耗，引起線路壓降，通過增加串聯(lián)補償裝置，引入容性電抗，可以降低線路無功損耗，考慮負荷為感性負載，串聯(lián)補償采用過補償形式，采用0.677 9 Ω容抗補償裝置，線路電抗為0.645 6 Ω，補償系數(shù)為105%，仿真結(jié)果見圖6。

圖6 增加串聯(lián)補償裝置前后末端負荷電壓仿真結(jié)果

由圖6可以看出，引入串聯(lián)補償裝置后，末端負荷電壓得到改善，電壓補償效果隨負荷率增加而加大，在高負荷率情況下電壓提升值近40 V。

3.4 增加并聯(lián)補償裝置

感性負荷功率通過配電網(wǎng)線路傳輸時，會在線路阻抗上產(chǎn)生有功損耗以及無功損耗，進而影響降低負荷電壓，增加并聯(lián)補償裝置。對配電變壓器進行集中補償，負荷自然功率因數(shù)為0.9，補償采用動態(tài)補償法，將負荷功率因數(shù)提升至0.95，補償容量由式(3)確定。運行仿真模型可得圖7結(jié)果。

Qc=P×[tan(cos-10.9)-tan(cos-10.95)]

(3)

圖7 增加并聯(lián)補償裝置前后末端負荷電壓仿真結(jié)果

治理思路適用低電壓類別增加線路截面積供電半徑較小,負荷容量大,線路供電能力不足遷移變壓器供電半徑大,變壓器布置不合理,且現(xiàn)場具備遷移條件增加串聯(lián)補償裝置線路電抗較大,負荷容量大增加并聯(lián)補償裝置功率因數(shù)低,無功補償不足

表3 油坊村公變不同治理思路費用明細

采用并聯(lián)補償裝置后，提高了線路功率因數(shù)，對末端負荷電壓質(zhì)量進行了改善。針對功率因數(shù)較低類型低電壓臺區(qū)，可以采用并聯(lián)無功補償裝置對低電壓問題進行治理。

3.5 遷移變壓器

供電半徑過大，是廣大農(nóng)村低電壓問題產(chǎn)生的主要原因之一。由于部分地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃未能對負荷發(fā)展進行合理預測，致使配電變壓器地理分布不合理，供電半徑過大。通過遷移配電網(wǎng)變壓器，使臺區(qū)位于負荷中心，減小供電半徑，可以降低線路壓降。結(jié)合油坊村實際地形特點，對仿真模型參數(shù)進行調(diào)整，使臺區(qū)供電半徑不大于1.5 km,通過仿真驗證可得圖8。

圖8 遷移變壓器前后末端負荷電壓仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果分析可知，調(diào)整變壓器至負荷中心，可以有效降低線路壓降。針對配電變壓器地理分布不合理這一類低電壓問題，可以采用遷移變壓器的方法進行治理。

4 低電壓治理思路探究

從低電壓問題產(chǎn)生的理論機理出發(fā)，借助Matlab仿真平臺，分析并提出了低電壓問題一系列的治理思路，針對不同類別的低電壓問題提出不同解決思路。如針對線路功率因數(shù)低、配電變壓器及線路無功補償不足臺區(qū)，僅通過采用并聯(lián)無功補償裝置，就能解決低電壓問題。

低電壓問題是配電網(wǎng)絡普遍存在的問題，實現(xiàn)低電壓問題的有效治理，急需電網(wǎng)建立發(fā)展長效機制，采取低電壓治理的綜合整治系統(tǒng)措施，從管理和技術兩方面快速、高效治理農(nóng)村低電壓,確?！靶罗r(nóng)村、新電力、新服務”順利推展。為了向電力企業(yè)低電壓治理工作提供更多可靠性參考，從實際工程造價角度出發(fā)，對不同低電壓治理思路的工程費用進行估算，以油坊村公變治理為例進行治理費用對比，具體造價計算見表3。

5 結(jié) 論

1)廣大地區(qū)配電網(wǎng)尤其是農(nóng)村低壓配電網(wǎng)絡存在嚴重的低電壓問題，低電壓問題產(chǎn)生的主要原因有低壓線路供電能力不足、無功補償不足、供電半徑大、配電變壓器供電能力不足等。

2)通過Simulink仿真分析，增加線路截面積、增加串聯(lián)補償裝置、增加并聯(lián)補償裝置、遷移變壓器等實際可行的低電壓治理措施，可以有效改善低電壓用戶電能質(zhì)量。

3)所提出的一系列低電壓問題治理措施，適用于不同類別的低電壓問題治理，且改造費用存在差異。電力企業(yè)可以就不同的低電壓問題，在綜合考慮工程造價的基礎上，選取經(jīng)濟性好、治理效益佳的治理方案對低電壓問題進行治理。

[1] 潘朝毅.針對如何解決農(nóng)村配網(wǎng)低電壓問題的探討[J].廣東科技，2011(24):159-160.

[2] 焦玉振.解決電網(wǎng)低電壓的基本技術手段[J].農(nóng)村電工，2012，20(4):31.

[3] 貢德忠，劉永軍.客戶端低電壓產(chǎn)生的原因及解決方案[J].城市建設理論研究(電子版)，2011(32).

[4] 張高峰，黃芳.農(nóng)村低壓問題的解決措施[J].農(nóng)電技術，2011(3)： 26-27.

With the continuous development of economic society, the scale of electricity has been constantly expanding and the demand of electricity has been gradually increasing. This phenomenon accelerates the inconsistency of power supply and demand, and the "low voltage" problems occur frequently, which seriously affects the service level of power supply. Firstly the formation mechanism of the "low voltage" problem is analyzed, and then aiming at different kinds of "low voltage" problems, a series of solution ideas verified by simulation are proposed combining with the power supply reality. Finally, some references are provided for power enterprises to solve the "low voltage" problem through analyzing the price and work amount of various solution ideas.

low voltage; line loss; voltage drop; solution ideas

TM727.1

A

1003-6954(2017)03-0048-04

2016-01-26)

徐田磊(1992)，本科，從事電能計量、線損管理工作，主要研究課題為縣級供電企業(yè)線損管理。