農網長線路加裝串補改善 電壓質量的研究

周 鑫 李勝男 覃日升 俞 海

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217； 2.榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114000）

隨著經濟的發展，農村的年用電量和需求量不斷增加，隨之而來的問題也逐漸增多，例如長距離10kV 農電線路，由于電壓偏低，導致農村電壓質量偏低，農用機械無法正常運行，甚至無法正常起動，嚴重制約了農村地區經濟的發展。同時這也使農電網電壓合格率長期處于低水平，無法高質量的完成上級領導單位提出的農電網考核任務。

若在負荷附近新建變電站以提高末端電壓，則整體投資非常巨大，而農用負荷水平又偏低，10kV線路上長期運行電流只有幾十安培，總體負荷通常不到1MW，投資回報率非常低。如果考慮貸款利率，則投資回報是負的，經濟上不合理，因此需要考慮采用其他電壓治理方式。

經過多個方案分析對比，固定串聯補償方案可以較小的經濟代價取得了較高的電壓治理效果，且整個過程不需要人工干預，維護量小，是對6～35kV長距離輸電線路電壓治理的最優解決方案。

1 系統概況

大橋片區負荷相對集中在10kV 牛達線，10kV牛達線供電區域占大橋供電所的4/5，10kV 高壓客戶報裝基本上都在10kV 牛達線上搭接，受到10kV牛達線網架結構的限制，給高壓客戶報裝帶來了困難，且線路長、供電半徑大、導線截面小，主要大負荷分布在線路末端，造成末端客戶端電壓偏低。若變電站首端接近上限運行，造成線路首端與其他線路越上限。其綜合線損率為11.31%

由于新接入部分負荷，10kV 牛達線2014年1月至4月10kV 線損率8.82%，比2013年8.36%上升0.46 百分點，綜合線損率11.31%比2013年10.35% 上升0.96 百分點。帶隨后新增960kVA 變壓器容量負荷后，末端售電量會增多，所占電量比例會上升，10kV 線損率會增大。

2 中壓串補介紹

串聯補償應用最廣泛的領域，是220kV 及以上電壓等級的電網互聯、水火電長距離送出、加強網間聯系等領域。

串聯補償的基本原理是，在線路上串聯一個容性設備如電容器，其容抗與線路的電抗部分相抵消，從而縮短受電端和送電端之間的電氣距離。在220kV 及以上電網上，為了控制次同步振蕩，通常串聯補償度，即串聯容抗值與線路電抗值得比值，需要小于50%。國內串聯補償度基本介于30%到45%之間，如圖1所示。

圖1 串聯補償原理

對于低壓線路，由于其與火電廠電氣距離非常遠，補償容量相對發電機來說非常小，因此，不存在次同步振蕩問題，完全可以通過補償將線路等效電抗變為0 甚至是負值。根據電壓降落ΔU的計算 公式：

式中，P、Q為線路末端的有功和無功，R、X為線路等效電阻和電抗，U為線路末端電壓。當通常情況下P、Q，R、X均為正數，因此電壓降落是正的，于是末端電壓總是小于首端電壓。然而，當線路串聯電容器后，X將減少，甚至變為負值，于是ΔU完全有可能變為0 甚至是正值，于是就可以抬高負荷側電壓，將其控制在合理的范圍內，完成電壓治理任務。

串聯電容器所發出的無功總量為

在正常運行中，當負荷較重時，線路電流I較大，于是電容器發出的無功量增加；當負荷較輕時，線路電流I較小，于是電容器發出的無功量減少甚至為0。可以看出，串聯補償所發出的無功大小與負荷情況是同步變化的，避免了并聯補償時無功輸出與負荷變化恰好相反的弊端，因此，在治理長距離農用電網送電線路電壓偏低這一問題上，串聯補償具有其特殊的優勢。

3 中壓串補對牛達線電壓治理和降低線損的仿真結果

3.1 仿真建模簡介

本項目采用Matlab 的潮流計算工具包Matpower進行建模和仿真。建模過程共有以下幾步：

1）根據客戶提供的單線圖，定義每個節點的名稱和編號。

2）根據單線圖，查表計算出每條線路的R、X、C。

3）查閱最近18 個月的該線路平均以及最大的有功功率，無功功率以及視在功率。確定線路的平均以及最大負載率。

4）根據每個節點的變壓器參數，以及平均和最大負載率，核算出每個節點的平均和最大功率。

5）將并補和串補參數轉化為線路參數。

6）將以上數據按照Matpower 的格式輸入到文件中，并進行仿真。

仿真過程中的主要難點和解決：

1）如何選定串補所在位置

在選擇串補的位置時，要考慮以下幾個因素：

（1）不應過分靠近線路末端。原因是，如果靠近線路末端，那么當重載的時候，線路中間的變電站電壓太低，串補無法補償到其之前的線路。而對其后的線路具有較好的補償效果。

（2）不應過分靠近線路首端。由于經過串補補償之后，其隨后緊鄰的變電站電壓會大幅提升，接近線路始端的電壓，但是之后，電壓仍舊會持續下降，如果串補位于線路首端，則線路末端的變電站電壓仍舊會較低。

（3）盡量安裝在主干線上。有主干輸電線以及分支線，而分支線和主干線相比，其整體距離較短，電流較小，負荷較輕。所以當串補只能安裝1 套時，應優先安裝在電流大，距離長的主干線上。

根據以上原則，最終確定在牛達（三家良子）至牛達（牛達林區）之間安裝串補。

2）如何選定串補的容量

串補的容量主要由線路自身電抗以及串補度決定，本項目的串補設計為2 段，投入1 段串補度約為50%，投入2 段串補度總計約為100%。當線路輕載時，只投入1 段，線路重載時投入2 段。

3.2 電壓優化治理前的負荷潮流及電壓分布

按照用戶提供的參數，分別按照3 種情況進行仿真，分別是70%峰值負荷、100%峰值負荷和130%峰值負荷，70%負荷代表現在的平均潮流，100%峰值負荷代表現在的最大潮流，同時也代表未來的平均潮流，而130%峰值負荷則考慮了未來的負載增加后的最大潮流。

按照運行方式考慮，70%負荷可以代表小方式，100%負荷可以代表現在的大方式，130%負荷代表未來的大方式。

由于總共有70 多個節點，不可能全部都列出，所以僅列出一些典型的節點，圖2為70%峰值負荷（小方式）的情況下各典型節點的電壓標幺值。

圖2 治理前70%峰值負荷情況下節點電壓

從圖2可以看出，電壓最低的節點電壓標幺值為0.898p.u.，當大橋站電壓為1.05p.u.時，最低點電壓為0.943p.u.，高于0.93p.u.的下限。

圖3為100%峰值負荷（大方式）的情況下各典型節點的電壓標幺值。

圖3 治理前100%峰值負荷情況下節點電壓

從圖3可以看出，電壓最低的節點電壓標幺值為0.844p.u.，當大橋站電壓為1.05p.u.時，最低點電壓為0.886p.u.，低于0.93p.u.的下限。

圖4為130%峰值負荷（未來大方式）的情況下各典型節點的電壓標幺值。

圖4 治理前130%峰值負荷情況下節點電壓

從圖4可以看出，電壓最低的節點電壓標幺值僅為0.783p.u.，當大橋站電壓為1.05p.u.時，最低點電壓為0.822p.u.，已經低于0.93p.u.的下限，此時必須要有補償裝置來提升電壓。

表1 安裝串補裝置前牛達線損耗

因電壓過高后可能損壞負荷，因此線路首端電壓控制在1.05p.u.左右。從圖2至圖4可知：①線路電壓隨著距離的增加一路下降，距離大橋站較遠的玉溪華豐站電壓最低；②目前最大潮流和未來最大潮流情況下，牛達線的電壓水平是不合格的，必須通過安裝串補裝置進行改善。

3.3 電壓優化治理方案——10kV 串補裝置

理想的補償方式為分散補償，即每隔很短的距離就安裝一套串聯補償裝置。然而這種方式的成本太高，維護困難，且也沒有必要，不具有可行性。

建議在牛達林場（三家良子）到牛達林場（牛達林區）的干線上，安裝一套30Ω的串聯補償裝置，將其分成2 段，主要原因是30Ω的補償度較大，根據我公司在延邊串補的經驗，一般情況下，只要投入15Ω的串補就可以，剩余的容量在未來負荷增加后再投入。串補的關鍵技術參數為

串補電壓：10kV；

安裝套數：1 套；

串補容抗：30Ω/套；

分段：2 段，其中每段均為15Ω。

3.4 電壓優化治理后的負荷潮流及電壓分布

和上節類似，同樣對三種情況進行仿真，分別是安裝串補后的70%峰值負荷、100%峰值負荷和130%峰值負荷。圖5為70%峰值負荷（小方式）的情況下各典型節點的電壓標幺值。

圖5 治理后70%峰值負荷情況下節點電壓

從圖5可以看出，安裝串補后，節點電壓已經不再是一路下降，而是在串補之后大幅提升到了接近1p.u.，整條線路之中的最低電壓為0.949p.u.，好于未加串補時的0.898p.u.

圖6為100%峰值負荷（大方式）的情況下各典型節點的電壓標幺值。

圖6 治理后100%峰值負荷情況下節點電壓

從圖6可以看出，安裝串補后，節點電壓已經不再是一路下降，而是在串補之后大幅提升到了接近1p.u.，整條線路之中的最低電壓為0.924p.u.，當大橋站電壓為1.05p.u.時，最低點電壓為0.97p.u.，高于0.93p.u.的下限。

圖7為130%峰值負荷（未來大方式）的情況下各典型節點的電壓標幺值。

圖7 治理后130%峰值負荷情況下節點電壓

從圖7可以看出，安裝串補后，節點電壓已經不再是一路下降，而是在串補之后大幅提升到了接近1p.u.，整條線路之中的最低電壓為0.896p.u.，當大橋站電壓為1.05p.u.時，最低點電壓為0.94p.u.，高于0.93p.u.的下限。

表2 安裝串補裝置前后牛達線損耗對比

從以上的圖和表中可知，加裝低壓串聯補償裝置后，從70%負荷到130%負荷，整條牛達線電壓基本上都控制在0.93～1.05p.u.之間，電壓合格率大大上升。安裝串聯補償裝置后，牛達線的線損也大大降低，負荷越重，線損降低的越多。串補裝置的效益非常明顯。

4 結論

農電網絡面臨的突出問題是10kV 送電距離很長，末端電壓較低。采用串聯補償方案是在技術、經濟上都較為合理的方式。

本文以10kV 牛達線為例，討論了串聯補償安裝后的電壓治理和降低線損效果。此線路送電距離很長，全長約91.8km，已經大大超過常規10kV 線路的送電距離，因此，電壓合格率很低，線損較大。隨著負荷的不斷增長，青溝子線的電壓合格率問題，已經是困擾沿線農村經濟發展的嚴重問題。

為此，需在牛達線適當位置安裝串聯補償裝置，提供無功支持，增強調壓變作用，控制整條線路的電壓。經過初步研究，可考慮在牛達林場（三家良子）到牛達林場（牛達林區）的干線主干線上，加裝一套30Ω的串補裝置。潮流計算顯示，加裝串補后，70%及以上負荷水平下，整條線路的電壓基本均0.93～1.05pu 之間，大大增加了沿線的電壓合 格率。

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