非線性及不平衡負荷對電壓質(zhì)量影響分析

孫浩然，徐玉明

(連云港供電公司，江蘇連云港222004)

1 國內(nèi)20 kV配電網(wǎng)發(fā)展概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，社會對電能的需求越來越大，對電能質(zhì)量的要求也越來越高。面對目前10 kV配電系統(tǒng)容量小、電源布點密、線路占用空間大、有功損耗高等不足，以及在電網(wǎng)建設(shè)過程中面臨的市區(qū)土地資源緊缺、線路走廊有限等問題，配電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展面臨新的課題和挑戰(zhàn)[1]。1996年，江蘇省電力公司蘇州供電公司在蘇州工業(yè)園區(qū)配電網(wǎng)建設(shè)時，根據(jù)園區(qū)的負荷特點，經(jīng)過專家論證后決定采用20 kV電壓等級對園區(qū)進行供電[1，2]。10余年的運行實踐表明，城市配電網(wǎng)采用20 kV電壓等級是可行的，與10 kV配電網(wǎng)相比，在技術(shù)和經(jīng)濟上都具有一定的優(yōu)勢。鑒于此，江蘇省電力公司決定進行20 kV電壓等級在配電網(wǎng)中進行推廣，用其取代10 kV和35 kV 2個電壓等級。通過對配電網(wǎng)電壓等級進行合理設(shè)置和簡化，能減化配電網(wǎng)絡(luò)，減少電源布點，提高配電網(wǎng)的供電能力和供電可靠性，增大現(xiàn)有線路走廊的供電容量。

在20 kV配電網(wǎng)的建設(shè)和推廣過程中，對20 kV配電網(wǎng)的經(jīng)濟性論證、10 kV設(shè)備升壓到20 kV的改造工作、20 kV配電網(wǎng)的接地方式、20 kV變壓器的接線方式、20 kV配電設(shè)備的選擇等方面進行深入研究[3-6]。繼蘇州20 kV配電網(wǎng)成功應(yīng)用后，遼寧本溪南芬地區(qū)于2003年將66/10 kV系統(tǒng)改造成了66/20 kV系統(tǒng)；天津濱海新區(qū)、遼寧大連長興島、云南昆明的新機場、廣東佛山等地區(qū)也分別進行了20 kV電網(wǎng)的可行性研究[7-11]，掀起了20 kV電網(wǎng)研究推廣實施的熱潮。

2 電壓質(zhì)量的對比研究

20 kV（10 kV）配電網(wǎng)的供電示意如圖1所示，其中變壓器T表示電源通過多次變壓后為20 kV母線供電。饋線1為多條饋線中的一條，該饋線中含有1個分支，對于多分支饋線，分析方法相同。P+jQ為負載基波有功和無功功率，Ih為負載電流中的諧波成份。為了方便比較，假設(shè)20 kV和10 kV采用相同的供電方式，而且20 kV出線的負荷情況相同。從電源到20 kV（10 kV）母線之間的阻抗為系統(tǒng)等效阻抗Zs。

圖1 配電網(wǎng)供電示意圖

20 kV和10 kV對應(yīng)的等效電路如圖2所示。圖中Zs為系統(tǒng)側(cè)阻抗，Z1為從母線到分支1T接點的阻抗，Z2為從分支1T接點到線路末端的阻抗。用下標20和10對20 kV和10 kV系統(tǒng)的參數(shù)區(qū)分。

圖2 等效電路

在20 kV和10 kV設(shè)計時，出線開關(guān)B的遮斷電流有明確的限制，要求≤25 kA。因此，本文在20 kV和10 kV母線短路電流相同的情況下進行分析比較，此時出線開關(guān)的遮斷電流相同。在此前提下，設(shè)母線短路電流同為Ik，得：

即Zs(20)是Zs(10)的2倍。對于20 kV和10 kV系統(tǒng)中的饋線1，取相同的導(dǎo)線截面，即其阻抗相同。饋線的負荷功率相同時，在20 kV和10 kV供電系統(tǒng)中電流分別為：

由式（2）可知，功率相同時，20 kV的饋線電流是10 kV饋線電流的一半。采用10 kV或20 kV供電時，負荷的性質(zhì)不會改變，負載電流的總諧波畸變率（THD）和諧波成分不會改變，則：

同理，當(dāng)負荷不平衡，負載電流中含有負序分量時，20 kV和10 kV系統(tǒng)中負序電流分量I2(20)和I2(10)滿足：

2.1 電壓的諧波分析

在不考慮背景諧波的情況下，分析非線性負載對電壓諧波畸變的影響，諧波電流的等效電路如圖3所示。

圖3 諧波電流的等效電路

根據(jù)等效電路，得出20 kV及10 kV母線的諧波電壓為：

由上述分析得出Zsh(20)是Zsh(10)的2倍，由式（3）和式（5）得：

根據(jù)GB/T 14549—1993定義的諧波電壓含有率計算，諧波含有率分別為：

由此可得出，在20 kV供電系統(tǒng)中相同的負載條件下，母線的電壓畸變率僅為10 kV供電系統(tǒng)中的一半，這減小了非線性負載對其他用戶的影響。同理，進行分支1T接點的電壓畸變率的分析得：

通過式（8）以及上述分析可得：

在分支1的T接點，采用20 kV供電時電壓畸變率小于采用10 kV供電時電壓畸變率的一半。因此，采用20 kV供電時，非線性用戶對電能質(zhì)量的影響要比采用10 kV供電時要小得多。

2.2 電壓不平衡分析

在負載不平衡時，負載電流中將含有負序電流分量，在電源電壓對稱的情況下，分析不平衡負荷對電壓對稱性的影響進行分析。負序電流的等效電路如圖4所示。

圖4 負序電流的等效電路

與諧波電流分析相同，可計算母線負序電壓為：

采用20 kV和10 kV供電時，母線的負序電壓相同，根據(jù)GB/T 15543—1995不平衡度定義，其不平衡度為：

即在相同的不平衡負荷作用下，采用20 kV供電時母線電壓不平衡度是采用10 kV供電的一半。同樣分析分支1T接點的不平衡為：

即在分支1的T接點，采用20 kV供電時電壓不平衡度小于采用10 kV供電時電壓不平衡度的一半。因此，采用20 kV供電時，不對稱負荷對電能質(zhì)量的影響比采用10 kV供電時要小得多。

2.3 電壓降落分析

計算從母線到分支1T接點的電壓降落為：

從母線到分支2末端的電壓降落為：

從式（13，14）可知，在負荷相同的情況下，采用20 kV供電是分支1T接點和分支2末端的電壓降落僅為采用10 kV供電時電壓降落的一半。因此采用20 kV供電時電壓水平較高，供電半徑較大。

綜上所述，采用20 kV供電時，非線性負荷及不平衡負荷對電壓質(zhì)量的影響較采用10 kV供電時小，且供電時電壓水平較高，供電半徑大。

3 結(jié)束語

通過對20 kV和10 kV供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量方面的分析比較可知，采用20 kV供電時，非線性負荷及不平衡負荷所引起的電壓諧波含有率和電壓不平衡度都小于或等于采用10 kV供電時的一半。適應(yīng)目前配電網(wǎng)負荷性質(zhì)負載、負荷容量大、對電能質(zhì)量要求高的發(fā)展趨勢。

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