低壓線路終端模塊化智能型無功補償裝置的設計

湯 雍 張啟蒙 王 剛 于瑞龍 徐 園

（1. 國網浙江象山縣供電公司，浙江 象山 315700；2. 寧波天元電氣集團有限公司，浙江 象山 315700）

隨著我國城鄉居民生活用電性質從過去單一的照明用電向以空調、電熱水器、洗衣機、冰箱、電視機、電腦等電力電子設備等家用電器為主的生活用電的轉換，供電電網的電能質量問題已經成為城鄉居民向電力企業反映的主要問題之一。

另外，國家電網對農村電能的考核也由原本的低壓變配電站實施的計量電能考核（電能損耗由村級公攤于每家農戶）轉變為與城市居民生活同價同售的一家一戶計量電能考核模式，低壓網線、變配電設備的電能損失也轉由電力企業自行承擔。然而，國家電網系統雖經過幾次大規模的改造，也未能有效的降低城鄉低壓網線的電能損耗，特別是因為農村低壓網線的電路一般均較長，線損及壓降大，電能損耗繼續維持在較高的百分率，城鄉電價同價同售目標的實施給電力企業造成的資金損失和社會能源浪費是比較慘重的。

因此，對直接影響到城鄉居民生活用電的供電系統來說，改造低壓變配電設施，提高電能質量，降低低壓網線的電能損失，不僅是城鄉居民對電力企業提出的要求，也是電力企業做好節能降耗工作的一項重要任務，也是一種社會責任。本文就不改變城鄉低壓電網目前的現狀，也就是說不采取增加變電站布點，減小供電半徑；不增大導線截面等措施的需因涉及面廣，投資巨大，建設周期長，很難短期內解決的傳統的解決方法之外，探討設計一種投資小、安裝改造方便，又能有效提高城鄉低壓電網電能質量、降低電能損耗、安全可靠的“低壓線路終端模塊化智能型無功補償裝置”產品（以下簡稱“裝置”）。

1 城鄉低壓電網現狀及存在的主要電能質量問題

1.1 城鄉低壓電網現狀

農村電網及城市的居民生活用電設施經國家和電網公司的幾次大規模改造后，安全供電水平和電能質量不斷的得到提高，但部分地區受建設資金、地理條件、技術水平等多方因素制抑，與日益高速增長的用電要求無法同步，也雖然沿海發達地區在改造過程中或事后根據電能的質量狀況和要求，在變配電站設備上已陸續增設了低壓集中無功補償裝置，有的地區還在部分低壓網線的分支上另設了無功補償箱，但是其效能并不是很理想；因為，城鄉居民用電的性質與其他用電性質相比有其比較特殊的性質，特征是：以單相、小負荷功率設備的大量組合為主，負荷的隨機性高、波動幅度大、動作頻繁，基荷所占比重較小，三相負荷的平衡差值也無法事先預知，且在不同季節、工作日和節假日以及每一天里的不同時段，負荷功率幅值的變化大，安裝地點分散，無人管理，諧波源負荷設備多、雜、散，電網線路長，壓降大、線損大[1]。

1.2 存在的主要電能質量問題

經勘查、測量、分析及用戶反映等信息確認，目前城鄉居民用電的低壓電網，特別是在我國沿海的一些經濟特別發達的地區，因用電增速快、感性負荷多而引起的電能質量問題，特別是距離變配電站線路較長的終端處的電能質量問題主要有：①電壓偏低或過高或閃變，功率因數低；②由電力設備改造等引起的停電頻繁；③線損等引起的電能損耗嚴重；④諧波電源日勢嚴重等。

2 電能質量問題產生的原因分析

1）低壓網線過長而產生的線損和壓降大，高峰時節用電負荷的急增，所有網線電流的增大，線損、壓降也同步增加，從而使得長距離用戶端的電壓偏低。

2）變配電站設備上裝設的無功補償箱，因其一般由于場地等因素造成：①補償容量不足；②步投容量或叫級差大，無分相補償功能；③接觸器作為投切開關，產生沖擊涌流，投切精度低，自動投切的響應速度慢。

3）部分變配電站的電力變壓器已改造為具有自動有載調壓功能的變壓器，升高了網線首端電壓。

4）為解決用戶反映提出的電能質量問題所需的應急措施——改造線路或調整三相負荷平衡或增容等所需的頻繁停電現象人為制造了電能質量問題。

5）大量感性用電設備和節能節電裝置等的一些變頻電子類設備的增加，必須給予電網充入大量的諧波電源。

另外，大容量設備起動或停止也會引起網線電壓的波動和閃變，產生瞬態的低電壓或高電壓現象。

3 電能質量問題解決措施的探討

3.1 電能質量問題現狀的解決措施及其存在的缺陷

目前電力企業為解決本文所述的或其他存在的一些電能質量問題，采取的措施主要有以下幾種：

1）變配電站設備上增設無功補償箱，或在某些線路節點上增設無功補償箱[2]。缺陷是：補償容量小，不能滿足居民用電所需的無功電流急劇增長的需要，存在欠補現象；無單相補償功能引起的三相補償不平衡；步投容量大，與居民用電設備特征不相適應而造成的補償效果不達標、投切震蕩；機械式接觸器投切開關有投切產生沖擊涌流、投切精度低、自動投切的響應速度慢等的低技術特征，使得網線電壓閃變現象嚴重；無法降低網線的電能損耗，也無法減小長距離線路的壓降。

2）增加變電站設備，送入負荷中心，降低供電半徑。缺陷是：投資大，改造設置困難，建設周期長，停電范圍廣、時間長，也只能解決網線的低電壓問題。

3）更換導線截面和/或實施三相負荷平衡的調整。作業工程量大，需停電作業，只能降低網線的電壓降值及少量的熱損耗，也由于用電負荷特征所定性的無法實現三相負荷基本平衡的分配問題。

4）對配電變壓器進行有載調壓的改造。缺陷是：投資大，建設周期長，停電范圍廣、時間長；有載調壓的調整速度較慢，難以對電壓的較快波動做出及時反應，從而造成線路首端用電戶的電壓過高現象，時有發生用電設備損壞的情況；網線的電能損耗等電能質量問題也不能優化。

3.2 解決電能質量問題需達到技術目標值的探討

用電設備需消耗的無功功率主要是靠上級電網遠距離輸送的，由于大量的無功功率在電網中流動，造成線損、電壓降增大，降低了電能質量、電網的經濟效益和變配電變壓器的供電能力。因此，直接在低壓電網終端上加裝適量的無功補償電容器，補償用電設備的大部分無功需求，使無功盡可能就地達到平衡，減少無功在電網中的流動，這對降低線損和線路電壓降、改善電能質量和提高供電能力是本文所述的設計技術目標所要求的。

與變配電站設備上的集中補償相比，低壓線路終端無功補償更能獲得如下幾個方面的運行效果和功能：①降低線路電流流通，減小線損率；②減小電壓損失，改善終端電壓質量；③釋放系統容量，提高線路供電能力。在相同供電能力下，可節約線路投資。另外，還有助于減輕上級開關設備的負荷，甚至降低其容量規格[3]。

因此，在低壓網線終端上增設具有一定功效的無功補償裝置，是提高低壓網線電能質量，盡量使變壓器、網線等電力輸送設備處于經濟運行狀態，損耗降到最小，實現城鄉電網同價同售的最有效途徑之一，綜合以上論述，探討設計的“裝置”需達到的技術目標值應如下。

1）按城鄉低壓電網線路沒有預留“裝置”安裝空間的特性，“裝置”的設計結構應確保體積小和可同時適用柱上安裝、落地安裝、墻壁安裝等的適應戶外環境使用特性的耐候性要求；也需確保“裝置”的安裝方便，安裝費用省的功能要求，安裝時應不應需將原有線路等設施作大的改造（如需切斷電源和/或拆卸或剪斷線路重新連接等等工序內容）。

2）按城鄉居民的生活用電的特征需求，所配“裝置”的性能必須具有：①步投容量小，以滿足小負荷功率設備的補償要求；②需有智能的且高靈敏度的控制機理，使得設備投切的動態響應時間小，且還得具有分相補償功能等等的特性。確保“裝置”在電容器的投入和切除的時刻不產生尖峰電流，避免電容器在投入時刻與實際負載功率增加所同步產生無功負荷增量時刻差的短時補償滯后欠補現象，避免電容器在切除時刻與實際負載功率減小所同步產生無功負荷減小時刻差的短時補償超前的過補現象發生，以消除“裝置”投切時刻給網線造成電壓閃變現象。

3）“裝置”的管理和維護工作較其他設備來說受一定條件的限制和困難，因此應確保“裝置”具有高免維護性、高可靠性、高使用壽命等的特性。

另外，諧波危害也是本次設計探討必須考慮的一個重要科題。根據城鄉居民用電設備的特征分析，主要產生的諧波源是以3～7次為主，3次諧波的占有量為最大，電流諧波含量（THDi%）主要在5%～40%之間。研究分析表明，抑制或減小電流諧波是提高供電電壓質量的可靠保證，因此，城鄉電網的諧波治理方法和所能達到的目標主要有以下幾種：利用居民生活電器設備類型多、雜、容量小，且均是基本按家庭、樓層或區域為單元結構安裝于同一母線上的特性，利用各類電氣設備所產生諧波的相互補償作用，可降低電網諧波含量；城鄉電網配電網線之中心線（N線）的選配一般均與相線是同規格的，所以中心線的載流量相對較大，基本能避免N線過載發熱損壞的現象；城鄉電網配電變壓器的選配現基本是按 D,Yn11的接線組別選型的，該接線組別的變壓器能將3次諧波電流抑制在D接線高壓繞組的閉合回路間流通，所以相電壓中沒有3次諧波分量，這樣就抑制了高次諧波電流，從而使 N線中諧波電流減小的目的。因此，當城鄉電網未能實現上述的功能要求時，可從增大N線的截面、盡量做到三相電流分配的平衡和進行變壓器聯接組方式的改造等方面著手，就能基本滿足達到城鄉電網諧波的治理要求[4]。也因此，在“裝置”電器元件的選型上，必須滿足對諧波電源不敏感的功能要求。

3.3 “裝置”設計技術的探討

先進科學技術生產力的高速發展、進步，徹底打破了產品開發設計上的技術瓶頸，電力市場上的具有先進技術基礎和先進技術性能的電器元器件和各類電子電氣產品的推廣使用，如新一代的智能型綜合控制器、投切電容器專用的復合開關、無油化電容器等產品的開發與投運，是本文探討設計 “裝置”的基礎。本文詳述通過以下幾方面的設計，探討實現“裝置”的預期目標：

2015 年李克強總理在政府工作報告提出“大眾創業、萬眾創新”、“中國制造2025”，掀起了創新創業的熱潮。信息技術，特別是AI 技術的快速發展迅速推動著現代工業的發展，我們已經步入人工智能與“互聯網+”的“工業4.0”時代。過去勞動密集型的制造業需要轉型升級，為了服務科技與經濟的發展，培養新時期創新人才，高等教育需要做出相應的改革與創新。

1）“裝置”主電路連接原理及安裝位置的確定

（1）“裝置”主電路連接原理如圖1所示，“裝置”安裝位置的確定如圖2所示。

（2）“裝置”的配置原則。

按無功補償的功能原理：只能降低裝設點以上線路和設備因輸送無功功率所產生的損耗。所以，“裝置”用的取樣互感器只允許裝設于需控制的負載線路上的電源端位置上。

圖1 低壓線路終端模塊化智能型無功補償裝置主電路連接原理圖

圖2 低壓線路終端模塊化智能型無功補償裝置安裝位置示意圖

無功補償容量的配置，按理論的方式推算是比較困難的，因此，一般按高峰負載容量的 0.8倍計算即可。一般情況下，選配兩路分補就可基本滿足平衡三相分補的要求（三相嚴重不平衡線路可特殊增加分補量），且宜選取步投較小的電容器；當所需選配的總容量較小時，可全部選取分補投切的方式。

2）“裝置”的技術設計需滿足的功能要求

（1）“裝置”的設計采用模塊化的結構設計，將“裝置”所需的元器件（控制器、保護設備、投切開關、電容器等功能單元）按一定的機理要求集成在一個單元內，形成標準化控制模塊和補償模塊兩種結構，其中：控制模塊內置有總電源控制保護斷路器，一次電纜連接端子及二次設備保護熔斷器和連接端子，無功分相電流指示儀，兩路電容器、復合開關及電容器控制保護斷路器，電容器放電指示燈，總電源指示燈，測控儀，電流互感器，過壓保護器等，電容器為Y接法的單相分補功能的并聯電容器；補償模塊內置有一次電纜連接端子及二次設備保護熔斷器和連接端子、電容器放電指示燈、三相△接法的共補功能的并聯電容器、電容器控制保護斷路器、復合開關等；每套裝置一般可內配兩組補償模塊，且第一組補償模塊內的第一個電容器的容量是其他電容器的 1/2倍；控制模塊和補償模塊間的一次電纜和二次電纜只通過一次電纜連接端子及二次連接端子間連接即可實現智能型無功補償裝置。具體結構如圖3至圖6。

圖3 低壓線路終端模塊化智能型無功補償裝置

圖5 低壓線路終端模塊化智能型無功補償裝置結構圖三

圖6 低壓線路終端模塊化智能型無功補償裝置結構圖四

圖示說明：

①圖3為“裝置”的正視且按圖4的A—A剖視的結構圖；圖4為“裝置”的右視且按圖3的B—B剖視的結構圖；圖5為圖3的C—C剖視結構圖；圖6為圖3的D—D剖視結構圖。

②“裝置”結構圖中序號標示：不銹鋼外殼1；控制模塊 2；補償模塊3；接地螺釘 4；總線纜與取樣信號線纜的進線孔5；頂蓋6；安裝底板7。

（2）“裝置”的整體機械結構外殼采用不銹鋼制作，并采用空氣自然對流散熱的設計新技術，增強了設備散熱的可靠性，防護等級高，使用壽命長。

（3）“裝置”所使用的元器件全部采用具有高耐熱性和對諧波不敏感的特殊性能要求的產品，確保能在戶外環境下、一定諧波電源下、過電壓狀態下等不良條件下可靠工作和可靠壽命的特殊性要求。

（4）“裝置”在補償容量設計上采用小電容器容量步投，而又有大的總容量補償的功能要求。

（5）“裝置”在電氣功能設計上采用當前國內外最先進的微機智能控制技術（智能型綜合控制器）、復合開關的控制投切技術及顯示和實時檢測功能、無線網絡管理控制功能。微機智能控制技術與復合開關的組合，可自動智能識別“裝置”的補償容量，在線跟蹤負載無功的變化，并對電壓智能控制，以無功功率及功率因數為投切門限值，以用戶設定的功率因數為投切參考值，依據模糊控制理論，根據負載三相中每一相無功功率的大小智能選擇電容器組合，依據“取平補齊”的原則投入電網，實現電容器投切的智能控制，自動及時快速的投入或切除無功電容容量，既可支持快速跟蹤無功補償，也可支持穩態補償，也可手動控制，絕不產生投切震蕩現象；同時可對自身故障進行自診斷，通過顯示屏和通信口直接顯示、輸出故障及其故障類型，利于現場故障查找和確診。復合開關的控制投切技術能將可控硅與無功耗開關實現無縫軟連接，采用微機智能控制，實現過零投切，從而使“裝置”在接通和斷開的瞬間具有可控硅即動態補償的優點，而在投入工作時又具有無功耗開關即接觸器的無功耗優點；其實現方式是：投入時在電壓過零瞬間可控硅開關先過零觸發，穩定后再將接觸器開關吸合導通，然后再斷開可控硅開關；而在切除時是先將可控硅開關投入，接觸器開關再斷開，可控硅開關再在電流過零時斷開，從而實現零電流切除。由于可控硅開關是在電壓過零時投入或在電流過零時切除，因此無涌流沖擊，無操作過電壓，無電弧重燃，無觸點；延時后由接觸器開關吸合、導通，不會產生諧波，并且導通后采用無功耗開關工作，無功耗開關的接觸電阻小，裝置平時不耗電，因而不發熱，徹底避免了可控硅開關的燒毀現象，無功耗開關投切時不產生電弧，因而大大延長了使用壽命。同時也對同機運行的其他電器不造成危害，真正達到了節能降耗的目的。“裝置”的顯示和實時檢測功能、無線網絡管理控制功能使得“裝置”具有顯示和實時檢測電壓、電流、功率因數、頻率、有功和無功功率、有功和無功電度、諧波含量、已投補償容量、CT變比、零序電流和時鐘及可與“用電負荷管理終端”、“負控終端”、“配電監測計量終端”等進行通信，既可采集終端傳輸的各種電參量，用于“裝置”，也可自動切換到本身的采集電路；同時可將無功補償的各種數據傳給終端，然后由終端的GPRS/CDMA傳到主站等電力線路所需的測量和通信功能。

（6）“裝置”的總線纜與供電線路的連接設計采用穿刺型線夾裝置。這種裝置使得設備在安裝時可帶電作業，施工安全、可靠、方便。

（7）“裝置”上取樣互感器的設計采用具有開口式安裝功能的適用于戶外環境的外包耐候性能特佳的硅膠絕緣層的電流互感器。該互感器的耐候性、防老化性、防雨性高，其安裝或拆下可在不斷開低壓網線主電路的狀態下作業。

4 效益分析

本文敘述的“裝置”，假設安裝于圖2所示的住戶分支上，該分支樹支放射式供應10戶用電，保守參數按平均每戶高峰基本用電功率為 2.5kW，該功率下的用電時間每年 90天、每天 6h，功率因數從0.78改善至 0.97計算，“裝置”的無功補償容量設定為：單相分補1×3kvar×2路，三相共補3kvar×1路+6kvar×3路。該用電負荷下的時間段內的“裝置”至少能產生以下的經濟效益。

1）改善用電設備功率因數，線損率降低了：

2）提高用電設備的供電電壓質量，能使偏低的用電電壓恢復至正常標準電壓范圍。根據理論計算分析及無功補償技術的實際效能成果考查經驗，約投入5kvar電容能升高約1V的電壓值。

3）降低線路電能損耗，增加線路的使用效率。年可少損失電量 2.5×10×6×90×35.3%≈4765kW·h，電價按0.60元/kW·h計算，折合電費4765×0.60≈2860元。就算原變電站設備（包括集中補償裝置）所需的投資已無法變動，只按本“裝置”的增設需總投資1.2萬元核計，根據以上測算，約 4年內便可收回投資，按“裝置”的使用壽命為15年計算，在壽命期內可節約能源損耗31460元。

4）降低大氣的碳排放及更合理的適應和滿足現代發展城鄉居民生活用電的需要，并確保用電的可靠性。線路末端電壓明顯提高，電能質量明顯改善，消除了高峰時無法用電的現象，其社會效益更不容忽視。

5 結論

通過對“裝置”的設計探討，并經效能分析計算，在現代先進科學技術生產力的推動下，采用本探討設計的“裝置”來實現提高城鄉低壓電網的供電質量，特別是提高低壓長線路未端的供電電壓值，降低低壓網線的電能損耗等，應是一個比較理想且適時成熟的選項。

[1]弋東方, 張曦, 弋戈. 一種提高農村用電供電質量的靈活解決方案[J]. 供用電, 2011(3): 31-32.

[2]孫寧雷. 低壓線路無功分段補償法降損實踐[J]. 農村電工, 2007(4): 5-6.

[3]趙宏偉, 張曉清, 王步云, 等. 低壓終端線路無功補償技術[J]. 電力系統及其自動化學報, 2002(2)：46-48.

[4]逢京, 陸東, 張寶華. 談體育場館的諧波治理[C].北京: 中國（國際）建筑電氣節能技術論壇論文集·諧波治理與節能, 2008: 124-133.