10kV配電網(wǎng)二次系統(tǒng)電源配置

王世平 張運(yùn)龍 蔡文輝 曾杰 王家華

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局）

0 引言

能源工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，對(duì)節(jié)約用能起到舉足輕重的作用。通過對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的改造，不僅能夠達(dá)到國家的節(jié)能降耗指標(biāo)，而且能夠改善企業(yè)的整體效益。本文就10 kV配電網(wǎng)絡(luò)存在的問題進(jìn)行了探討，探討了10kV配電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)約能源措施。

1 配網(wǎng)二次電源配置現(xiàn)狀概述

目前，10kV開關(guān)場和開關(guān)場二次系統(tǒng)有交流供電和直流供電兩種方案，一般采用直流電源，通過整流裝置配置電池。交流電源的配置一般有兩種方式：低壓側(cè)電源和從低壓電源中取出變壓器。由于設(shè)備投資成本和對(duì)直流系統(tǒng)的專業(yè)維護(hù)要求，大多數(shù)配電盤都不能配備直流電源。所以，在上述電廠中，主、副兩級(jí)都是由 AC電源來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)前配電系統(tǒng)中，大部分二次供電都是從變電站進(jìn)行的。大部 分的分配電路都是利用電機(jī)二次繞組的輸出，再由一個(gè)小的變壓器把它轉(zhuǎn)變成220V的 AC，僅有幾個(gè)關(guān)鍵的切換采用了DC供電。

特別是設(shè)置值不夠。110kV火力發(fā)電廠或10kV火力發(fā)電廠由負(fù)載管理站輸送，其電力供應(yīng)距離為1/2以上。按照相對(duì)負(fù)載的分布情況，10 kV配電網(wǎng)絡(luò)的供電范圍為1500～4000km，低電壓的輸電線路為150～400m，超出此區(qū)間不但會(huì)增大線損，也無法保障電力的品質(zhì)。施工忽略了實(shí)際，一味地跟隨潮流，只管電壓的穩(wěn)定性，使變壓器數(shù)量多，繞線，增加工程投資，造成電能損耗。輸電線路的斷面選取不科學(xué)，主要有線徑小、線電阻大、線損與電阻之間的較大等形態(tài)，難以對(duì)工作電壓進(jìn)行有效調(diào)控和運(yùn)行電壓偏小。在同等負(fù)荷的情況下，工作電壓略低于額定值，則負(fù)荷電流增大，從而導(dǎo)致?lián)p失增大。隨著電源因子cosφ的降低，配電系統(tǒng)的電壓、電路容量也隨之增大，從而使電力系統(tǒng)的線路和電力系統(tǒng)的損失增大。三相負(fù)荷不合理會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的輸電線路及變壓器的損失增大，而在低電壓端負(fù)荷均衡時(shí)，三相負(fù)荷也會(huì)得到均衡，而三相負(fù)荷則會(huì)在較高電壓端得到體現(xiàn)。如果出現(xiàn)重大的事故，高壓線路的電力損失將達(dá)到原來的12.5%。變壓器的損失是負(fù)荷損失，在所有條件下，其工作電壓基本上保持不變，也就是說，全負(fù)荷損失是不變的。通常情況下，線路負(fù)荷損失與變壓器負(fù)荷電流的平方成正比關(guān)系，三相負(fù)荷失衡會(huì)使其損失增大。通過多個(gè)資料的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)三相負(fù)荷失衡情況下，三相負(fù)荷非均衡狀態(tài)下，其損失是三個(gè)典型的三相負(fù)荷損失。另外，由于負(fù)載特性不穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載超過某一時(shí)段，將導(dǎo)致更大的變壓器容量，從而導(dǎo)致電力設(shè)備投資的成本和電力消耗。由此，變壓器的負(fù)載損耗會(huì)在不同的運(yùn)行模式下發(fā)生變化，例如，在變壓器、電能表等計(jì)量檢定裝置的更新、拆除或重新裝備過程中，不計(jì)算能耗，數(shù)據(jù)信息缺失時(shí)出現(xiàn)估計(jì)情況，指示的能耗不計(jì)入下一輪統(tǒng)計(jì)。在電力工人的日常工作中，抄表方式不同，漏抄表、預(yù)抄表或不抄表，都會(huì)導(dǎo)致很多施工空白。儀表安裝順序不合理容易偷電，有的家庭調(diào)整電表的接線方式，改變量規(guī)，導(dǎo)致電表出現(xiàn)誤差。此外，部分地區(qū)電網(wǎng)布局不合理，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)差，致使電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)展緩慢，自動(dòng)供電效率低下[1]。

2 10kV配電網(wǎng)的管理現(xiàn)狀

（1）配電變壓器的問題

配電網(wǎng)中將存在無法比擬的線性損耗，線路損耗不僅能直觀地體現(xiàn)出職工的工作能力，而且還能作為一個(gè)企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。要做好直線虧損的治理，就必須通過優(yōu)化企業(yè)的外部過程來提高企業(yè)的經(jīng)營效益。目前，國內(nèi)一些地方的電力系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)電力負(fù)荷的要求，從而造成電力系統(tǒng)的資源浪費(fèi)。另外，由于電能表的安裝損耗比較大，使得測(cè)量精度降低。

（2）配電網(wǎng)管理不到位

通過對(duì)10kV配網(wǎng)管理現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)部分配網(wǎng)設(shè)備的配置和管理并不理想。此外，在檢查配電設(shè)備時(shí)，人員的維護(hù)方法相對(duì)落后，無法準(zhǔn)確檢測(cè)配電網(wǎng)絡(luò)中的問題，不及時(shí)修復(fù)會(huì)增加故障的概率。由此，還存在一些經(jīng)濟(jì)技術(shù)問題，配網(wǎng)設(shè)備的使用壽命比較長，耗電量沒有減少。而且，如果員工不仔細(xì)抄表，還會(huì)出現(xiàn)未知的用電問題。

（3）無功補(bǔ)償力度投入欠缺

目前國內(nèi)各供電公司對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)缺乏統(tǒng)一的補(bǔ)償裝置，導(dǎo)致了系統(tǒng)的無功損失增大，從而影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定。通過對(duì)一些變電所進(jìn)行的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)一些變電所存在的問題，其原因在于電容容量過大，無法將其全部的能量讓渡到裝置自身，從而導(dǎo)致了對(duì)電力系統(tǒng)的資源消耗。另外，在減少投資回報(bào)率方面，還需投入一定的資金和時(shí)間[2]。

3 直流電源配置

為了確保10 kV重要的開關(guān)變電所的安全運(yùn)行，通常使用斷路器、直流控制系統(tǒng)、獨(dú)立整流設(shè)備和電池組來進(jìn)行實(shí)時(shí)充電，直流系統(tǒng)在斷路器斷電后斷電。內(nèi)置充電板及蓄電池屏風(fēng)，雙路AC輸入開關(guān)，兩路AC輸入端均有電氣互鎖，確保了充電器屏幕的選擇性供電。在一個(gè)AC斷電時(shí)，另外的AC輸入會(huì)被自動(dòng)地利用，在AC的兩個(gè)輸入端斷開，則停止充電，電池為裝置和運(yùn)行供電。為了確保避免一次設(shè)備發(fā)生故障，不會(huì)對(duì)整部設(shè)備造成任何的干擾。為了達(dá)到對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和自動(dòng)化的目的，需要確保直流電源能夠在正常和浮動(dòng)兩種狀態(tài)下進(jìn)行任意的轉(zhuǎn)換，并且對(duì)充電技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視。整個(gè)電網(wǎng)的DC、蓄電池的組態(tài)，不僅投入巨大，還需要專業(yè)的維修和費(fèi)用，而且由于實(shí)際的配電網(wǎng)運(yùn)維人員的職業(yè)素養(yǎng)等諸多原因，使得其運(yùn)營狀態(tài)不容樂觀[3]。

4 交流電源配置

（1）低壓側(cè)外引電源

不能供應(yīng) AC電力，所以配送站和貨盤不能正常工作。為了確保對(duì)站場的控制系統(tǒng)的電力供應(yīng)，采用了采用外接的電纜進(jìn)行直流輸電。電力輸送后，由一根饋線連接到低壓配電箱。10 kV高壓箱次回路一般都是由外部DC電源來提供，而不會(huì)對(duì)其進(jìn)行操作和保護(hù)。

（2）互感器抽取低壓電源

在分配和傳輸現(xiàn)場結(jié)束后，100V的變電站和被控制的電源可以從變壓器柜或電機(jī)中移除。為了確保計(jì)量精確、避免漏電，許多站點(diǎn)及所需要的計(jì)量柜均設(shè)有獨(dú)立的專用計(jì)量電機(jī)，而電機(jī)則采用獨(dú)立的二次繞組，并配有鉛密封。因此，可在進(jìn)線柜內(nèi)設(shè)置一臺(tái)進(jìn)線電機(jī)，并使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換率為10/0.1/0.1的次級(jí)線圈和一個(gè)0.2min電平的線圈作為進(jìn)線功率監(jiān)控器，精確度為0.5度繞組，作為控制電源繪制。如果需要220V交流電，產(chǎn)生220V次級(jí)電壓的次級(jí)繞組可以通過小型變壓器轉(zhuǎn)換[4]。

5 嵌入式壁掛電源系統(tǒng)

嵌入式供電系統(tǒng)是目前正在應(yīng)用和推廣的新型供電系統(tǒng)之一，原理與一般直流電源系統(tǒng)基本相同，只是電池容量比較小，220V系統(tǒng)一般為38A，110V系統(tǒng)一般為65A。一般為一體化設(shè)計(jì)，由配電箱和電池箱組成，配電箱是心臟，負(fù)責(zé)管理電池充放電和電路電源。交流輸入采用電機(jī)二次線圈交流輸出，可自動(dòng)切換市電交流電源，該系統(tǒng)不僅具有直流電力系統(tǒng)的安全可靠，而且可采用嵌入式安裝方式，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，適用于帶開關(guān)電纜的分箱、智能開閉、智能箱式變電站、環(huán)網(wǎng)柜和其他地方[5]。主要缺點(diǎn)是電池容量小，可能導(dǎo)致電池操作和維護(hù)不當(dāng)，當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，表示電池?zé)o法正常供電。

6 全系統(tǒng)直流微斷分級(jí)配置

控制電源和保護(hù)電源的直流供電電路應(yīng)采用獨(dú)立的直流開路電源供電，各保護(hù)電源、自動(dòng)儀表電源和控制電路電源開路電源的安全數(shù)量應(yīng)予以規(guī)定。為防止開路直流電路（直流熔斷器）誤動(dòng)作引起的擴(kuò)容事故，應(yīng)注意在安裝直流主輸出電路和用熔斷器進(jìn)行直流切換時(shí)，熔斷器必須分相分布，分步協(xié)調(diào)。在直流段上安裝微型氣動(dòng)開關(guān)時(shí)，保險(xiǎn)絲應(yīng)與微型氣動(dòng)開關(guān)相配合；當(dāng)將小型的空氣切換器置于DC和DC分支時(shí)，一定要保證有一個(gè)較低的氣壓切換。氣閘可選擇性地配合，保險(xiǎn)絲不能與上一次DC斷路器相連接，DC回路的空氣切換只具備DC的特點(diǎn)，而應(yīng)該優(yōu)先使用同一工廠和站點(diǎn)的自動(dòng)空氣切換。新建、擴(kuò)建、技改工程均需配備自動(dòng)氣閘，并逐步取代保險(xiǎn)絲的DC線路。若將原有的DC保險(xiǎn)絲替換成無發(fā)熱的微型氣閘，并具備一定的截?cái)郉C負(fù)荷的容量，則其工作電流的最大值為1.5～2.0。

與斷路器相配的原理：當(dāng) LG的開關(guān)連接時(shí)，多個(gè)斷路器是通過一套保護(hù)設(shè)備和兩個(gè)不同的復(fù)式斷路器來進(jìn)行的，每個(gè)斷路器的工作線路應(yīng)該通過一個(gè)專門的空氣開關(guān)（DC保險(xiǎn)絲）來驅(qū)動(dòng)，而保護(hù)設(shè)備的DC線路應(yīng)該是通過一個(gè)專門的電源來提供DC-空氣切換（DC保險(xiǎn)絲）。該系統(tǒng)需要另外一套DC空氣切換（DC），若有兩套絕緣線圈，每一次短路都需要使用一個(gè)專門的氣動(dòng)開關(guān)（DC保險(xiǎn)絲）。保護(hù)原理：每個(gè)單獨(dú)的保護(hù)設(shè)備，每個(gè)終端都要特別地為DC/DC/DC保險(xiǎn)絲（DC保險(xiǎn)絲）供電，所有的DC保護(hù)線路都應(yīng)該包含短路保護(hù)的繞組回路，只有在反向端子上才能得到正、負(fù)DC供電，其他獨(dú)立保護(hù)的線路，如短路保護(hù)，均不能接受來自其他獨(dú)立保護(hù)端子對(duì)的正、負(fù)DC供電。若一套單獨(dú)的保護(hù)繼電器及線路被分開放置于不同的開關(guān)箱，也應(yīng)由相同的指定接線端提供。兩套保護(hù)性設(shè)備的DC邏輯線路通過各種保險(xiǎn)絲或不同的特殊終端而沒有電氣連接。如果需要的話，它應(yīng)該被彈出一個(gè)空的連接點(diǎn)。

7 新型電源系統(tǒng)研究概述

使用直流系統(tǒng)和電池配置時(shí)，成本高，經(jīng)濟(jì)性差。如果電池的運(yùn)行和維護(hù)條件較差，當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，電池可能無法正常向二次系統(tǒng)供電。目前大多采用交流電源配置方案，但在這種配置中，配電系統(tǒng)失電后，所有二次系統(tǒng)都會(huì)失電，所有保護(hù)都不起作用，因此需要對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。電容儲(chǔ)能可用于無縫提供備用電源，當(dāng)電流丟失時(shí)，電容器由放電過程觸發(fā)[6]。但是，使用帶有電容儲(chǔ)能的開關(guān)電源作為備用電源的最大問題是其工作容量受限于電容。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，一種新型的儲(chǔ)能元件超級(jí)電容器逐漸發(fā)展起來，其容量可以達(dá)到法拉第級(jí)別甚至數(shù)千法拉第，它是在電池和傳統(tǒng)電容器之間儲(chǔ)存能量的元件。冷凝器系統(tǒng)中沒有絕緣體，為了達(dá)到電化學(xué)平衡，電荷在電極和電解質(zhì)界面之間自動(dòng)分配，形成陰陽離子界面，從而達(dá)到節(jié)能的目的。由于極板為活性炭，有效表面積大，可以獲得較大的比電容，適用于短時(shí)間大電流放電。

如果超級(jí)電容器可以作為保護(hù)裝置的開關(guān)電源的儲(chǔ)能元件，那么這種供電系統(tǒng)應(yīng)該是配電二次系統(tǒng)更好的供電選擇，它主要由AC-DC轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、保護(hù)電路和超級(jí)電容組成。正常工作時(shí)，單相交流電經(jīng)過AC-DC變換器后，直流輸出電壓滿足要求，一部分經(jīng)過Buck-Boost變換器，為設(shè)備各部件提供恒定的直流電源。另一部分為超級(jí)電容器充電以補(bǔ)償泄漏損失，同時(shí)保持電壓穩(wěn)定。當(dāng)交流電正常啟動(dòng)時(shí)，AC-DC轉(zhuǎn)換器為超級(jí)電容器充電。當(dāng)電量超過低壓保護(hù)值時(shí)，變壓器開始工作，為二次系統(tǒng)供電。在一定電壓下充電時(shí)，超級(jí)電容處于浮空狀態(tài)。在充電過程中，AC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨著超級(jí)電容的增加而緩慢上升，但由于備用批量轉(zhuǎn)換器的調(diào)整，仍然可以為保護(hù)裝置提供穩(wěn)定的輸出電壓。當(dāng)交流電失電時(shí)，超級(jí)電容開始放電，通過Buck-Boost變換器為二次系統(tǒng)提供穩(wěn)定的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)的不間斷供電。當(dāng)超級(jí)電容器電壓下降到設(shè)定的低壓保護(hù)值時(shí)，系統(tǒng)通過低壓保護(hù)電路停止向配電網(wǎng)二次系統(tǒng)供電，并發(fā)出開關(guān)管和降壓變壓器的信號(hào)[5]。新開關(guān)電源系統(tǒng)的組成如下圖所示。

圖 新開關(guān)電源系統(tǒng)的組成

8 結(jié)束語

目前，10kV配電網(wǎng)二次供電系統(tǒng)的配置方案較多。新型電源系統(tǒng)采用超級(jí)電容作為保護(hù)裝置開關(guān)電源的儲(chǔ)能元件，具有電容儲(chǔ)能的電源在失去正常供電后，可以滿足保護(hù)、操作和通信設(shè)備的需要，實(shí)現(xiàn)不間斷供電，能滿足停電后預(yù)期時(shí)間的要求，滿足一定的電氣性能指標(biāo)要求。超級(jí)電容器在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用會(huì)根據(jù)負(fù)載的大小和重要性產(chǎn)生不同的解決方案，這些方案的合理選擇，可以解決電池給電力系統(tǒng)帶來的環(huán)保、維護(hù)、使用壽命等問題，提高電力系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和可用性。隨著超級(jí)電容器的不斷發(fā)展，新型電力系統(tǒng)將在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。