低壓公共配電網優化工程方案可行性研究及工程的初步實施

鄔宏偉，陳柏軍，朱振洪，陸 強

（國網余姚市供電公司，寧波 315400）

由于低壓公共配電網技改工程對電網安全、優質、經濟運行具有重要作用，因此低壓公共配電網優化措施是電力部門和用戶共同關注的問題。合理選擇優化方案，能有效改善系統的電壓穩定性，保證電網的電壓質量，降低有功網損，提高發、輸變電設備的利用率和使用效益。

1 低壓公共配電網優化補償方案比較

電網優化，就其概念而言就是借助于各類改善電能質量裝置，平衡三相電流，同時提高系統的功率因數，降低能耗，改善電網電壓質量。

1.1 低壓公共配電網優化補償方案選擇原則

電力網中損耗以低壓配電網所占比重最大。為了最大限度地減少傳輸損耗，提高輸配電設備的效率，就要對低壓公共配電網各類改善電能質量設備進行合理優化配置，低壓公共配電網優化方案有變電站降損裝置、配變降損裝置、配電線路降損裝置和用電設備降損裝置。四種方案示意圖見圖1所示。

圖1 某縣級供電公司配電網及其常見無功補償方式示意圖

1.2 變電站集中補償

變電站降損裝置包括并聯電容器、同步調相機、靜止補償器等，主要目的是平衡輸電網的無功功率，改善輸電網的功率因數，提高系統終端變電所的母線電壓，補償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。這些降損裝置一般集中接在變電站10kV母線上，因此具有管理容易、維護方便等優點，但這種方案對10kV配電網的降損不起作用。

1.3 配電線路降損裝置

大量配電變壓器要消耗無功，很多低壓公用變壓器沒有安裝降損裝置，大量的無功沿線傳輸使得配電網的網損居高難下，這種情況下可考慮安裝配電線路降損裝置。

配電線路降損裝置既通過在線路桿塔上安裝降損裝置實現降損目的。但由于配電線路降損裝置遠離變電站，因此存在保護難配置、控制成本高、維護工作量大、受安裝環境限制等問題。因此，配電線路降損裝置的不宜安裝過多；控制方式應從簡，降損裝置的容量也不宜過大，避免出現過大馬拉小車的浪費現象；保護也要從簡，可采用熔斷器和避雷器作為過電流和過電壓保護。

此類配電線路降損裝置主要提供線路和公用變壓器需要的無功，工程問題關鍵是選擇降損裝置進行補償的地點和容量，其補償地點和容量的實用優化算法見于眾多文獻資料，本文不做重點闡述。配電線路降損裝置，適用于功率因數低、負荷重的長線路。屬于特定的降損裝置，因此存在適應能力差，重載情況下降損度不足等問題。此外，這類配電線路降損裝置自動控制方式仍是需研究的課題。

1.4 低壓供配網節電裝置

低壓供配網節電裝置系統結構如圖2所示，其中 ACB：AirCircuit Break空氣斷路器，ATS：Auto Transfer Switch 自動轉換開關，它是一種大功率接觸式雙投開關，在電網電壓低于設定值、負載電流大于額定值時，可將節電裝置自動切換到旁路狀態，也可按照用戶需要設置成手動狀態。TR是指“Z”線圈繞組，其組成是利用“平衡控制變壓系統”的特殊繞組，相互之間交叉連接，如圖3“Z”線圈繞組、圖4低壓供配網節電裝置三相繞組匹配圖所示，通過互相補償鐵心的磁通量，最大限度地保持各相之間磁勢的一致，從而保持三相平衡，降低零線電流，進一步強化了對于電力系統中破壞力最強的三次諧波的抑制作用的節電裝置。其具體節電功能及原理如下：

（1）平衡三相電流和電壓

圖2 低壓供配網節電裝置系統結構圖

圖3 “Z”線圈繞組示意圖

圖4 低壓供配網節電裝置三相繞組匹配圖

原理：如圖4所示，在低壓供配網節電裝置內的機芯中，三相纏繞在三個鐵芯上的線圈中磁通量復數的和始終為零，當某相的電流或電壓增高時，必然引起另外兩相磁通量的增加，在其線圈中感生更高的電壓和電流，使三相電源相互趨于平衡。

作用：使用電器時，負荷端的運行可引起電網內電壓和電流的不均衡，這種不均衡性帶來的“相位差”會產生損耗并導致用電效率的下降，零序電流增大，同時也降低了電器的效率，縮短了電器的使用壽命，嚴重時會導致電器設備不能正常工作。低壓供配網節電裝置利用“平衡控制電磁轉換系統”機芯線圈的相互交叉連接，可以消除各相間的電壓和電流的不均衡，維持控制其平衡性。

（2）抑制高次諧波

原理：在低壓供配網節電裝置的機芯中存在著一個電流線圈，它是一個天然的電感器，具有自感及其與其他五組線圈之間的互感，合成為一個對高頻電流電壓和電路中的瞬變能夠產生巨大阻擋作用的天然屏障，具有遏制高次諧波的作用，其電壓、電流改善如圖5所示。

作用：隨著非線性負荷的快速增長，電網的諧波對普通用電戶的干擾在不斷加劇，因此控制公用電網的諧波危害，是保障電網和用戶的安全、經濟運行和正常生產的關鍵。

圖5 高次諧波抑制示意圖

高次諧波的存在，會引起電器設備和連接導線不正常的發熱，導致鐵損、銅損和漂移損耗增加，這正是導致電力變壓器及周邊設備使用壽命縮短、效率降低的主要原因。低壓供配網節電裝置中，設計有濾波繞組，該濾波繞組和其原有線圈繞組相結合，它不僅能有效地將濾除有害諧波，同時還可以緩沖電網電壓的瞬變和浪涌電流。

（3）功率因數補償

原理：對于任何一相電源而言，輸入電壓在經過三相平衡電磁式節電器的機芯后，其輸出電壓的相位都會與輸入電壓相反（滯后180°），由其中的電壓線圈在電流線圈中所感生的自感電流與輸出電壓的相位相比較，也滯后了90°，低壓供配網節電裝置機芯設計本身具有使電流線圈中感應出滯后于輸入電壓270°的功率因數校正電流的天然特性（相當于產生了一個超前90°的電流）。

作用：從電源端看入時，負載的功率因數得到了補償，減少了供電線路的有功損耗。

（4）有效調節過剩電壓

原理：在低壓供配網節電裝置中，具有可以改變電流線圈中的電壓的調整設置，通過自動控制器，三相平衡電磁式節電器可以根據用電設備的運行情況，適時調整電源電壓，達到切除過剩電壓的目的。

作用：供電部門為了補償長途輸送電力時的電壓損耗，有時會向距離變電所或發電廠距離較近的用電單位提供高于國家標準的端口電壓。因此很多用電單位的三相電壓因此會高于用電器的額定電壓380V，基本上在400V或以上，這不但會對終端用戶的用電設備產生不良影響，降低了設備的使用壽命，而且亦會是電氣設備超負荷工作，造成不必要的浪費。為了有效解決此問題，三相平衡系統節電器的設計可針對用戶的實際用電情況調整過剩電壓、減少用戶端的浪費，提高用戶的經濟效益。

（5）低壓供配網節電裝置的主要優點

1）針對整個電力系統的所有隱性電力浪費因素進行綜合調整，一次性解決三相不平衡、高次諧波、過剩電壓等電力浪費和污染問題。

2）使用范圍廣泛，凡是低壓用電系統大都適用，無需對逐個電力負載進行安裝改造。

3）與電力變壓器一比一大容量匹配，工程安裝簡單不麻煩。

4）低壓電力系統電能浪費通常高達5%～20%，負載設備的容量大、用電額度巨大，相對保證了較高的投資收益率，一般可以達到30%以上，節能量與用電額度成線性關系，長期使用，收益巨大。

5）根據工況對癥下藥，量身定制，技術層面的針對性強。

6）對用戶的生產工藝、產品質量和產量沒有任何影響。

7）自身損耗低于標稱容量的0.3%。

8）半永久性使用壽命，長達30年以上。因為主回路沒有電子元器件，所以穩定性高，故障率低，基本上屬于免維護產品。

9）改善電網電力品質，有效保護用電負載，延長負載使用壽命。

1.5 應用低壓供配網節電裝置的經濟分析

在配變低壓供配網節電裝置能有效降低配電變及以上輸配電網的損耗。由于計算整個電網損耗涉及因素多，工作量大，以圖1某縣級供電公司配電子網為例，計算說明低壓供配網節電裝置進行無功補償具有巨大的直接和間接效益。

（1）改造前購電線損綜合成本

某縣級公司公配變抄表到戶售電量×電網購電平均電價×｛1÷［（1-低壓公配網技術線損率）×（1-低壓公配變技術線損率）×（1-高壓電網綜合技術線損率）］-1｝

=10 665.81×0.4383×｛1÷［（1-8.81%）×（1-2%）×（1-3.31%）］-1｝=735.34萬元

（2）改造后購電線損綜合成本

某縣級公配變抄表到戶售電量×電網購電平均電價×（1-客戶平均技術線損率）×｛1÷［（1-低壓公配網技術線損率）×（1-低壓公配變技術線損率）×（1-高壓電網綜合技術線損率）］-1｝=10665.81×0.4383×（1-8%）×｛1÷［（1-5.286%）×（1-1.6%）×（1-3.31%）］-1｝=512.71萬元

（3）改造后購電減少線損綜合成本

改造前某縣級公司購電的線損綜合成本-改造后省公司購電的線損綜合成本=735.34-512.71=222.63萬元

（4）改造后某縣級供電公司少售電量減少電費收入

某縣級公配變抄表到戶售電量×公配網到戶平均售電電價=10 665.81×0.622 8×8%=531.41萬元

（5）改造后減少購電成本支出

某縣級公配變抄表到戶售電量×電網購電平均電價×客戶平均技術線損率÷［（1-低壓公配網技術線損率）×（1-低壓公配變技術線損率）×（1-高壓電網綜合技術線損率）］=10 665.81×0.438 3×8%÷［（1-5.286%）×（1-1.6%）×（1-3.31%）］=415.00萬元

（6）改造后實際減少電費收入

改造后某縣級公司少售電量減少電費收入-改造后省公司減少購電成本支出=531.41-415.00=116.41萬元

（7）改造后實際得到收入

改造后某縣級供電公司購電的線損綜合成本-改造后省公司實際減少電費收入=222.63-116.41=106.22萬元

表1 基礎數據一覽表

（8）可改造配變容量

改造后某縣級供電公司實際得到收入÷設備購置費／1kVA=1 062 200.00÷400=2 656kVA

（9）改造前利潤

（改造前售電電費-改造前購電電費）÷改造前購電電費=（6 642.67-5 410.16）÷5 410.16=22.78%

（10）改造后利潤

（改造后售電電費-改造后購電電費）÷改造后購電電費=（6 111.25-4 772.68）÷4 772.68=28.05%

說明 高壓綜合線損率（%）：省公司購電關口至供電網10kV公配變10kV高壓側平均線損率；

配變變損率（%）：10kV公配變平均變損率；

低壓配網線損率（%）：10kV公配變低壓出口至客戶電能計量表的平均線損率；

抄表到戶售電量（kWh）：到戶抄表售電量；

電網購電平均電價（元／kWh）：省公司購電關口平均綜合電價；

公配網到戶售電平均電價（元／kWh）：到戶計量售電平均綜合電價。

低壓補償裝置安裝地點分散、數量大，運行維護是補償工程需要重點考慮的問題；另外，配電系統負荷情況復雜，系統可能存在諧波、三相不平衡，以及防止出現過補償等問題，這些工程中應注意的問題后面詳細介紹。

根據以上常用無功補償方案的分析、討論，可歸納、整理出四種補償方案的特點和基本性能如表2所示。

表2 三種無功補償方法的特點比較

2 低壓降損裝置選型及工程施工應注意的問題

低壓降損裝置安裝地點分散、數量多，且配電網電壓、負荷情況復雜；工程中相關問題考慮不周，不僅影響裝置正常運行，也帶來很多維護、管理等問題，工程問題必須引起重視。

（1）運行及產品可靠性問題

與配電變壓器相比，有些低壓降損裝置的維護量無疑要高很多；控制系統越復雜、功能越多，維護工作量越大。有些單位從“長遠”考慮，提出聯網、監控等很多要求，無疑會增大投資和運行維護量，事實是很多沒有聯網的可能。

低壓降損裝置的可靠性是關鍵。大量工程實踐表明，戶外配變降損裝置因工作條件差，晶閘管半導體類降損裝置難滿足可靠性要求，低壓供配網節電裝置是最佳選擇。

（2）產品類型和功能選擇問題

對配電臺變的降損控制，有多種類型和不同功能的產品可供選擇。城網臺變多以降損為主，很多要求有綜合監測功能。農網不同場合要求不同，可考慮配電+降損、降損+計量，特殊用戶可用配電+降損+計量或降損+綜測。而低壓供配網節電裝置大都可以滿足這些綜合要求。對監控功能的要求高，必然成本高、投資大。建議根據實際需要和使用場合，合理選擇功能適用、價位合理的產品。實際工程上，不應出現一個變臺安裝有多個箱子的情況。

（3）控制量選取和控制方式問題

很多專變降損裝置往往單純根據電壓控制電容器來達到降損目的，這種方式有助于保證用戶的電壓質量，但對電力系統無功補償不可取。前面圖1線路的電壓分析表明，電網的電壓水平是由系統情況決定的。若只按電壓高或低控制，降損裝置的無功補償量可能與實際需求相差很大，容易出現無功過補償或欠補償。

（4）補償效果和補償容量問題

低壓側補償無功降損可提高配變功率因數，降低配變損耗，但只在某一節點的配變裝降損裝置，對10kV線路降損作用很小。因此，某條線路配變安裝降損裝置數量少或降損裝置容量不足，影響全網（線路）降損和電壓改善效果。如用功率三角形計算方法確定降損裝置容量，對實際工程難以實現。配電網日負荷變化大，負荷性質不同，降損裝置容量要求也不同。大量工程實踐表明，對具有動態降損能力的裝置容量選取在配變容量20%～30%內。同時，對個別情況可能需要進行特殊處理。

（5）無功倒送和三相不平衡問題

安裝或選用低壓降損裝置裝置時，應充分考慮無功倒送會增加線路和變壓器的損耗，加重線路供電負擔。為防止三相不平衡系統的無功倒送，可采取諸如低壓供配網節電裝置此類對三相不平衡問題進行重點設計的裝置。固定降損裝置部分容量過大，容易出現無功倒送。若像降損裝置具有動態補償能力，則能有效避免無功倒送。對三相不平衡較大的負荷，比如機關、學校等單相負荷多的用戶，往往考慮采用傳統的分相無功補償裝置。但一般需要加裝控制器使其裝置具有分相控制功能，這使得工程造價加大，這是工程中必須考慮的問題。

（6）諧波影響和電容器保護問題

諧波影響會使電容器過早損壞或造成控制失靈，諧波放大會使干擾更加嚴重。工程中應掌握用戶負荷性質，必要時應對補償系統的諧波進行測試，存在諧波但不超標可選抗諧波無功補償裝置，而諧波超標則應治理諧波。若采用以電容器補償作為核心的降損裝置，由于電容器耐壓標準為1.1UN，降損裝置控制器過壓保護一般取1.2 UN，超過必須跳閘，如圖1線路首端節點配變如安裝傳統帶電容器的降損裝置可能發生跳閘。實際工程中，對電壓較高電網的裝置應予以關注。

3 結語

電網降損裝置是一項建設性的技術措施，對電網安全、優質、經濟運行有重要作用。由于篇幅限制，本文重點對配電網的降損技術進行了分析、探討。分析計算結果和大量工程實踐表明，積極采用新型的低壓供配網節電裝置作為低壓公共配電網優化工程中的降損裝置可以滿足電網安全、優質、經濟運行，當然怎樣優化選取最佳方案仍有很多技術問題在實踐中值得認真分析和思考。