提高10kV配電網電能質量的研究

冼杰能

（佛山順德供電局大良供電所，廣東 佛山 528300）

提高10kV配電網電能質量的研究

冼杰能

（佛山順德供電局大良供電所，廣東 佛山 528300）

摘要：電力工業是國民經濟發展過程中的重要基礎產業。在社會經濟及人民生活水平不斷提升的過程中，電力需求增長速度愈來愈快，且電能質量要求也愈來愈高。由于配電網結構較為復雜，且負荷多樣，存在多種因素對電能質量有所影響，所以需要采取一定措施對配電網進行優化，才能保證電能質量滿足實際需求。基于此，本文對10kV配電網電能質量進行了綜合性分析，并提出了相關完善策略，以供參考。

10kV；配電網；電能質量；改善

1. 10kV配網概述

在我國大型發電廠通常距離負荷中心較遠，在電能傳輸過程中，發電廠要先將高壓或超高壓電能輸送于負荷中心，再由負荷中心將較低等級電壓的電能分配于不同電壓等級的用戶。

上述過程中，配電網發揮了重要作用。在電力系統不斷發展的過程中，輸電網自動化水平較以往有了大幅度提升，但配網自動化程度與之相比依然存在一定差距。相關研究表明，用電量多的配電網絡，往往存在較大的電能損耗，會影響整體電能質量。10kV配電網是我國是我國最為常見的配電網類型，其主要面向對象包括普通工業用戶、居民照明、商業、辦公區等。相關統計表明，我國80%的電量是在城市配電網內消耗的，其中又有70%是經由10kV配電網輸送給用戶的。10kV配電網最大特征在于其電網末端與用戶直接相連，可將用戶用電安全、用電質量及用電經濟性等反映出來。綜合來看，10kV配網在城市供電中扮演了重要的角色，這也從側面反映了提高10kV配電網電能質量的重要性。

2. 電能質量概述

電能質量主要是指電力系統中的電能質量。在理想模型中，電能是完美對稱的正弦波。但在現實當中，往往存在一些因素會讓波形偏離對稱弦，即造成電能質量問題。電能質量主要是靠電壓、頻率及波形等指標來衡量，從廣義上來看電能質量又涵蓋了電壓質量、電流質量供電質量及用電質量等。

3. 10kV配電網電能質量影響原因分析

10kV配電網電能質量影響因素較多，主要包括以下幾個方面：

（1）諧波

在10kV配電網中，諧波分量主要是由于部分電力設備及負荷的非線性特性所致。一旦非線性負荷兩端受到電網正弦基波電壓影響時，會使得負荷所吸收的電流及施加電壓波形無法保持一致，便可能產生畸變電流，從而對電力設備造成影響。以變壓器為例，受到諧波分量影響時，變壓器可能會出現集膚效應或鄰近效應，導致繞組出現附加鐵耗及銅耗，易造成變壓器絕緣老化，影響變壓器壽命；又如，出現高次諧波電壓或電流時，其會在電網中不斷累積，造成線路損耗增加，使得電力設備過熱，這會增加一定量的電力運營成本及電費支出。

（2）電壓波動

當部分負荷出現沖擊性功率變化時，便會造成無功功率波動，使得電壓在一定范圍內出現波動。此時實際電壓會逐漸偏離額定電壓，即為電壓波動。電壓波動多發生于配網系統當中，并由配電變壓器傳遞至低壓側用戶端，對供電產生影響。

（3）三相電壓不平衡

從本質上來看，三相電壓不平衡屬于基波負荷配置問題，是由于單相大容量負荷在三相系統中的容量及電氣位置分布不合理導致。電力系統中存在大量電容元件及電感，便會產生無功功率。無功功率本身并不會消耗能量，其能量僅在負載與電源間交換、輸出，但在能量交換過程中會帶來一定程度的電能損耗，會讓電網實際功率增加，甚至會對電力系統及部分用電設備產生一定影響。無功功率不足會讓負荷端供電電壓下降；若無功功率過大則會造成運行電壓波動上升、加大輸電線路附加損耗、引發非特征次諧波、導致負荷較大的某相繞組出現過熱等問題。

（4）電壓偏差

在系統出現無功功率多余或不足的情況下會造成電壓偏移。若電網出現長時間電壓偏移，則會影響電力系統正常運轉，甚至會引發連鎖反應，導致電網電壓崩潰。

（5）電網頻率偏移

對于配電網電能質量而言，頻率偏移是一個重要的衡量指標，反映了電力系統基波頻率偏移額定頻率的程度。之所以會出現頻率偏移，很大程度上是由于發電機有功出力及有功負荷不平衡所致。當系統頻率偏移過大時，可能會造成濾波器失諧、異步電動機轉速下降、電動機輸出功率下降、變壓器激磁電流上升等故障，會影響整個電網系統電壓的穩定性。

4. 提高10kV配電網電能質量相關策略分析

4.1 并聯電容器，就地平衡無功功率

通過提升配電網功率因素、降低線損等措施，可有效改善其電壓質量，進而改善整體電能質量。在受電端加裝并聯電容器補償裝置，再結合電壓及功率因素狀況，自動投切電容器，可讓無功潮流就低平衡。在電網傳輸功率時，電流會在變壓器線路及阻抗上產生電壓損耗ΔU=（PR+QX）/UN。

當置入并聯電容器補償裝置后，其線路電壓損耗為：

并聯電容器補償裝置投入運行時會造成靜態電壓升高，即表示為：

以上公式中，ΔU為電壓損耗；QC為補償投入電容器容量；P為線路傳輸有功功率；R、X為線路電阻、阻抗；UN為線路額定電壓；Q為線路傳輸的功功率。結合上述公式可以看出，當無功功率出現變化時，電壓降也會隨之發生改變。在并聯電容器的作用下，可就地平衡無功功率，讓無功功率在電網傳輸過程中受到抑制。由此可降低線路電壓損耗，即可提升電壓質量。

4.2 無功優化補償

目前，10kV配電網的無功配置主要包括用戶終端分散補償、桿上無功補償及變電站集中補償3種方式：

（1）用戶分散補償

該補償方式可應用于整個電網，具有較好的適用性，其電壓改善效果較為理想，可有效降低線損及電壓損失，有利于提升線路整體供電能力。由于低壓無功補償主要是通過配電變壓器低壓側最大無功功率需求來確定容量，故設備利用率不高，投資較大。

（2）桿上無功補償

桿上無功補償是10kV配電網中最為常見的補償方式。該方式主要是通過提升配電網功率因數來實現降損升壓。其設備利用率較高，投資較小，電壓改善效果較高。但由于桿上安裝并聯電容器與變電站存在一定距離，會影響保護配置，會對維護工作產生一定影響。

（3）變電站集中補償

該補償方式主要是通過并聯電抗器及有載調壓變壓器來實現協調控制，可獲取較好的電壓改善效果，但投資相對較大。

4.3 構建電能質量協調系統

在電能質量控制過程中，可采取多種方法或方式進行調節。但這些方法只能獨立調節，且調節結果會相互影響。為保證電能質量得到最大程度地改善，就需要協調各種調節設備，以發揮協同作用，這就需要構建出一個電能質量協調系統。電能質量協調系統可采取集中控制、分級控制方式構建。集中控制主要是將大量實時數據傳遞至控制中心，進行統一處理；分級控制則是將信息控制在一個較小范圍內，由上級對下級進行協調。同時，電能質量協調系統應視為電力系統的一部分，它可單獨成立，但不能成為信息孤島。通過電能質量協調系統可對全網電能質量進行實時監測、分析，根據分析結果對相關設備行為進行協調，以保證電能質量達到要求。

4.4 充分應用電能質量改善技術

在電能質量改善過程中，應根據電網實際情況，合理、科學利用相關技術：

（1）無源濾波器

無源濾波器是目前應用最為廣泛的一類濾波器。它主要是又電阻、電感及電容元件所構成。利用無源濾波器可讓負載諧波電流在電網支路及濾波器支路分流。但無源濾波器的濾波性能受電網阻抗影響較大。

（2）靜止同步補償器

該裝置主要是由IGBT逆變器、直流側電容及變壓器等構成。將自換相橋式電路經過電抗器并聯于電網上，通過控制IGBT通斷來調節交流側輸出電壓的幅值與相位，來產生滿足實際需求的無功電流，并實現動態無功補償。

（3）同步調相機

將同步調相機接入交流系統后，在欠勵磁情況下，它可發揮類似于電感器的作用，可從交流系統中吸收無功功率；在過勵磁情況下，又可發揮類似于電容器的作用，向交流系統中注入無功，由此來實現電壓調節。

結語

提高10kV配電網電能質量與城市正常供電存在密切關聯，應給予充分重視。根據配電網實際狀況，采取相關技術措施，讓電能質量達到要求，并通過協調配合，保證電網穩定運行。

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