某供電區(qū)域“低電壓”治理技術(shù)方案

杜嚴(yán)行，劉群濤，呂琨璐

（國(guó)網(wǎng)寧夏寧東供電公司, 寧夏 銀川 750411）

配電網(wǎng)直接面向用戶供電，提供合格的電壓質(zhì)量顯得尤為重要，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，用戶對(duì)供電電壓質(zhì)量要求也越來越高，設(shè)備對(duì)電壓質(zhì)量的敏感性逐漸增強(qiáng)，尤其是一些生產(chǎn)過程或產(chǎn)品具有“高、精、尖”特征的用戶。

1 “低電壓”現(xiàn)象及原因分析

某區(qū)域地負(fù)荷主要通過電網(wǎng)末端35 kV 李家寨變電站的10 kV 雙堆子線及張記梁線供電，兩條線路均為單輻射狀線路，供電半徑平均長(zhǎng)達(dá)27 km。10 kV 雙堆子線全長(zhǎng)53.87 km，其中主干線線長(zhǎng)6.11 km，線徑為L(zhǎng)GJ-120。各分支長(zhǎng)為47.76 km，線徑為 JKLGYJ-95、JKLGYJ-50、LGJ-120 和 LGJ-35裸導(dǎo)線，最遠(yuǎn)供電線路為伊澇灣四隊(duì)支線，供電半徑為24.605 km。10 kV 張記梁線全長(zhǎng)70.84 km，其中主干線線長(zhǎng)5.08 km，線徑為JKLGYJ-185，各分支長(zhǎng)為65.76 km，線徑為JKLYJ-95、JKLYJ-50、LGJ-70和LGJ-35裸導(dǎo)線，最遠(yuǎn)供電線路為伊澇灣四隊(duì)支線，供電半徑為30.38 km。隨著土地確權(quán)流轉(zhuǎn)政策的執(zhí)行和精準(zhǔn)扶貧實(shí)施，該地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向?yàn)榇罅Πl(fā)展為農(nóng)牧業(yè)，農(nóng)民大規(guī)模返鄉(xiāng)開荒種地，導(dǎo)致用電負(fù)荷主要為電機(jī)性質(zhì)的機(jī)井灌溉負(fù)荷，每到夏季灌溉期及干旱季節(jié)，大致每年5—10 月，該地區(qū)農(nóng)民不間斷抽水灌溉，導(dǎo)致配電變壓器重載或過載運(yùn)行，由于負(fù)荷重且居民居住較分散，某口機(jī)井距離較遠(yuǎn)，平均間距1 km，導(dǎo)致該地區(qū)雙堆子、郭記溝等70 個(gè)配變變臺(tái)在該時(shí)間段內(nèi)存在“低電壓”問題，排灌期過后電壓恢復(fù)正常。另一方面，由于地處干旱地帶，由于夏季農(nóng)業(yè)用水需求，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民無序打井或者更換電機(jī)增容，排灌負(fù)荷呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，使“低電壓”現(xiàn)象再一次加劇。

按照“低電壓”分類標(biāo)準(zhǔn)[1]，該地區(qū)“低電壓”屬于季節(jié)性“低電壓”；結(jié)合配電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際，在李家寨變電站內(nèi)采取主變調(diào)檔或者投電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償調(diào)壓措施，即使將10 kV 母線電壓提升至10.5 kV，兩條線路末端依然會(huì)出現(xiàn)“低電壓”，嚴(yán)重影響所供區(qū)域居民的生產(chǎn)生活。按照“低電壓”的發(fā)生位置，該“低電壓”屬于10 kV 線路末端及配變臺(tái)區(qū)“低電壓”。地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、供電半徑大且季節(jié)性灌溉負(fù)荷重是導(dǎo)致產(chǎn)生“低電壓”的實(shí)際原因。

2 治理技術(shù)方案及其選擇

2.1 新建變電站

新建變電站，提供電源支撐是改善配電網(wǎng)供電電壓水平的一種方案，其本質(zhì)原理是通過建設(shè)新的供電電源點(diǎn)，有效縮短供電半徑以改善供電電壓，但是該方案投資成本巨大，建設(shè)周期長(zhǎng)，受電力系統(tǒng)規(guī)劃約束限制條件較多，適應(yīng)性較差。該供電區(qū)域處在寧陜交界且位于哈巴湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，受國(guó)家自然保護(hù)區(qū)有關(guān)法律法規(guī)及國(guó)家自然環(huán)境有關(guān)保護(hù)政策影響與限制，該供電地區(qū)無法實(shí)施通過新建35 kV變電站電源布點(diǎn)來縮短10 kV線路供電半徑達(dá)到改善配電線路“低電壓”的想法或計(jì)劃。

2.2 線路安裝調(diào)壓器

目前安裝較為廣泛的是SVR 饋線自動(dòng)調(diào)壓器，調(diào)壓器本體采用三相自耦式變壓器，是一種通過跟蹤線路電壓變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)自耦變壓器變比來保證輸出電壓穩(wěn)定的裝置[2-4]。本體自耦變壓器的串勵(lì)線圈是一個(gè)有多個(gè)抽頭的繞組，這些抽頭通過有載分接開關(guān)的不同接點(diǎn)串聯(lián)在輸入輸出之間，改變分接位置，從而改變自耦變壓器變比，達(dá)到調(diào)整電壓的目的?；谠撜{(diào)壓技術(shù)方案，供電所也在兩條10 kV“低電壓”配網(wǎng)線路安裝了該型調(diào)壓器，投資大，效果不是很明顯，治標(biāo)不治本；同時(shí)調(diào)壓器安裝容量有限，實(shí)際分接開關(guān)頻繁動(dòng)作，可靠性變差，調(diào)節(jié)速度響應(yīng)慢，未達(dá)到有效治理供電區(qū)域“低電壓”的目的。

2.3 安裝分散式10 kV線路柱上無功補(bǔ)償裝置

該技術(shù)方案是采用無功優(yōu)化算法，將一定容量的高壓無功補(bǔ)償裝置（C、SVC、SVG）分散安裝在供電線路距離遠(yuǎn)、負(fù)荷重、功率因數(shù)低的10 kV架空線路上的適當(dāng)位置[5]，依靠無功補(bǔ)償裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)或人工手動(dòng)進(jìn)行控制，經(jīng)過控制系統(tǒng)發(fā)出需要補(bǔ)償?shù)臒o功，進(jìn)行線路調(diào)壓，其本質(zhì)上屬于無功功率補(bǔ)償調(diào)壓。其優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)時(shí)補(bǔ)償配電線路所需無功，但是一方面由于安裝設(shè)備多且分散，造成配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，維護(hù)及檢修工作量增加，投資也不少，同時(shí)采取自動(dòng)化控制，對(duì)于通信、設(shè)備可靠性要求苛刻；另一方面，采取此種方案會(huì)對(duì)線路上一些輕載的臺(tái)區(qū)線損有所影響。

2.4 采用傳統(tǒng)固定串補(bǔ)技術(shù)

圖1 配電線路串聯(lián)補(bǔ)償電容器簡(jiǎn)圖

如圖1 所示，若忽略電壓降落橫分量的影響，線路電壓損耗可計(jì)算表示為：

從式（1）中可以看出，只要選擇恰當(dāng)，使電容器容抗值接近線路的感抗值時(shí)，線路電壓損耗就很小，由U=Us-ΔU可知，母線節(jié)點(diǎn)2 處電壓變化也就相應(yīng)很小，達(dá)到調(diào)壓作用。由技術(shù)原理可知，串聯(lián)補(bǔ)償電容具有縮短電氣距離，隨負(fù)荷變化自適應(yīng)補(bǔ)償特點(diǎn)，串聯(lián)補(bǔ)償是抵消一部分線路電感，在效果上相當(dāng)于為負(fù)荷提供一個(gè)電壓特性很穩(wěn)定的電壓源，這就是串聯(lián)補(bǔ)償電容調(diào)壓的最大優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)串補(bǔ)技術(shù)，改變了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，若參數(shù)選擇不當(dāng)可能會(huì)與系統(tǒng)感性參數(shù)發(fā)生系統(tǒng)諧振，因此上串聯(lián)電容器的容值選擇比較關(guān)鍵，另外串聯(lián)固定電容差不利于線路負(fù)荷發(fā)展裕量的需要，若負(fù)荷發(fā)展迅速，容量又要重新核定，安裝更換帶來不便。

2.5 配電可控串補(bǔ)技術(shù)[5]

配電網(wǎng)可控串補(bǔ)技術(shù)實(shí)質(zhì)是由固定串補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展而來，其容量補(bǔ)償容量可調(diào)節(jié)，該型裝置主要由電容器組、晶閘管開關(guān)與旁路接觸器及保護(hù)系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)等組成。近些年還出現(xiàn)了快速開關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償裝置[6]，配電線路可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 配電線路可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)圖

配電可控串補(bǔ)裝置適應(yīng)了配電線路負(fù)荷發(fā)展的需要，真正做到了補(bǔ)償“自適應(yīng)”。配網(wǎng)可控串補(bǔ)裝置具有旁路功能、無線通信功能，電容器阻抗保護(hù)功能，同時(shí)充分考慮了對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，不會(huì)對(duì)線路參數(shù)造成影響，他在工作時(shí)線路保護(hù)判據(jù)尚未開始判斷，也不會(huì)對(duì)原有線路保護(hù)的判斷和動(dòng)作產(chǎn)生影響，響應(yīng)速度快，靈敏度高，可靠性較高。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題探討

3.1 安裝位置的選擇

可控串補(bǔ)工程應(yīng)用的第一個(gè)問題就是安裝位置的選擇。配電線路長(zhǎng)，分支多，負(fù)荷分布不均，只有安裝位置科學(xué)合理，串補(bǔ)的補(bǔ)償作用才能得到最大發(fā)揮，治理“低電壓”的效果才能明顯體現(xiàn)。

就一條配電線路而言，串補(bǔ)安裝位置既不能太靠近線路前端，也不能太靠近線路末端。要以滿足各點(diǎn)電壓值為基本出發(fā)點(diǎn)，一般的選擇原則為：若負(fù)荷集中在電力線路末端時(shí)，串補(bǔ)應(yīng)裝在末端；若電力線路沿線有若干個(gè)負(fù)荷，可將串補(bǔ)安裝在串補(bǔ)前其電壓損耗為線路總電壓損耗的1/2位置處[7]。

以李家寨變電站10 kV 張記梁線為例，該條線路長(zhǎng)度為61.555 km，負(fù)荷都集中在線路末端，故串補(bǔ)裝置應(yīng)該安裝在線路靠近負(fù)荷側(cè)，擬安裝在139號(hào)桿處。

3.2 補(bǔ)償度的選擇

定義補(bǔ)償度kb為串補(bǔ)裝置的容抗值XC與被補(bǔ)償配電線路原本感抗值XL之比，表示為：

將式（2）代入文中式（1）中可得

由式（3）可知，合理增大補(bǔ)償度可有效減少線路壓降，使串補(bǔ)效果更加明顯。應(yīng)用在配電網(wǎng)中以調(diào)壓為目的的串補(bǔ)，實(shí)際工程應(yīng)用中補(bǔ)償度接近于1或者大于1，一般選擇在1～4之間[8]。

3.3 容量的選擇

按照?qǐng)D1 所示串補(bǔ)電氣簡(jiǎn)圖及網(wǎng)絡(luò)電壓分析，可得串補(bǔ)電容器的容抗的精確計(jì)算式[9]，進(jìn)而可以推導(dǎo)出串補(bǔ)的電容器容量選擇精確計(jì)算公式為式(4)所示，從而可以得到電容值如式（5）所示。

假設(shè)m、n分別為每相電容器組并聯(lián)的串?dāng)?shù)和串聯(lián)的個(gè)數(shù)，如圖3 所示；每個(gè)電容器的額定容量為QNC，每個(gè)電容器的額定電壓為UNC，額定電流為INC，通過電容器組的最大工作電流為IC.max，則有：

圖3 串補(bǔ)電容器組簡(jiǎn)圖

通過式（4）～（8）可以進(jìn)行串補(bǔ)參數(shù)選擇。

3.4 工程應(yīng)用注意事項(xiàng)

串補(bǔ)工作時(shí)，線路中串聯(lián)了一定容值的電容，若滿足f =1(2π LC)，就會(huì)出現(xiàn)諧振問題，影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此上應(yīng)切實(shí)考慮串補(bǔ)電容與系統(tǒng)電感發(fā)生諧振問題，文獻(xiàn)[10]指出，串補(bǔ)裝置引起的諧振頻率一般在次同步或者超同步頻率附近，因此上應(yīng)采取適當(dāng)措施進(jìn)行避免。文獻(xiàn)[11]給出了異步電機(jī)自激、帶空載變壓器合閘與串補(bǔ)引起參數(shù)諧振的有關(guān)措施，值得參考。

4 結(jié)束語

用戶對(duì)供電電壓的需求亟待從管理及技術(shù)層面采取手段治理配電網(wǎng)“低電壓”問題。本文通過分析某供電區(qū)域“低電壓”問題，從技術(shù)層面比較深入探討了“低電壓”治理技術(shù)方案，選擇了基于可控串補(bǔ)的技術(shù)方案，分析了串聯(lián)的安裝位置的選擇、串補(bǔ)補(bǔ)償度選擇、串補(bǔ)容量選擇及參數(shù)設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用注意事項(xiàng)等關(guān)鍵技術(shù)，為治理“低電壓”問題技術(shù)的工程實(shí)用化提供了參考。