基于快速開關型串聯補償的農網低電壓治理研究

宋秀芳

（國網北京通州供電公司，北京 101100）

基于快速開關型串聯補償的農網低電壓治理研究

宋秀芳

（國網北京通州供電公司，北京 101100）

隨著用電負荷的快速攀升，農網低電壓現象日漸凸顯。本文首先對各類低電壓治理方式進行比較，著重闡述了配電網串聯補償技術的原理，分析該技術的特點和優勢；其次介紹串補技術中的快速開關型串聯補償裝置的構造及工作特性；最后以某供電公司下轄 10kV金山線為對象，進行快速開關型串補裝置低電壓治理效果的探討。結果顯示，快速開關型串聯補償裝置在解決農網低電壓方面的效果十分明顯，值得進一步推廣。

串聯補償裝置；低電壓治理；電壓質量；補償效果

對于配電線路，當供電半徑增大時，受端電壓下降將成為一個突出問題[1]，而采用串聯補償可減小線路電抗，實時改善“魚刺”狀配電線路沿線電壓分布，降低配電線路末端的電壓下沉幅度，且以上行為具有對負荷的“自適應”[2]。近年來，農網區域的電力負荷呈現連續性的快速增長，使得配網在結構、線徑等方面的改造明顯跟不上，針對電壓質量的各類投訴有了顯著躍增。選擇合理的低電壓治理方案，成為當前配網運維領域的迫切任務。本文在研究 10kV線路串聯補償最新技術基礎上，就農網低電壓治理展開實踐嘗試。

1 各類低電壓治理方式的比較

針對農網低電壓問題，常用的技術措施主要有：調整配變分接頭位置、增大導線線徑、增加電源點和采用分散式并聯無功補償裝置等[3]。對以上方法進行分析：①第一種方法不涉及資金投入，最容易實現，但調節配變分接頭需要頻繁停電、試驗，且作用范圍有限（即調節后一般僅對離配變較近的負荷點有效）；②第二種方法不但投入大，而且改造期間的停電時間較久；③第三種方法在當前應用較廣，其主要功效是提高功率因數和降低線損，但存在開關動作頻繁、響應速度慢、維護量大、使用壽命短以及補償精度差等問題[4]，同時在電壓改善上對線路負載不能自適應（即線路重載時電壓提升不明顯，線路輕載時電壓容易越限）。雖然近幾年 SVC，STATCOM 等基于電力電子的無功補償裝備發展迅猛，但因其價格過于昂貴，未能在農網中大規模應用。

除上述措施外，近些年還興起基于線路中串聯電容器的補償措施，該類措施可改善 10kV輻射狀饋線的電壓分布，可減小電壓跌落幅度以及提升線路輸送容量[5]。

2 串補技術改善線路電壓特性的原理分析

首先分析不加串補設備的線路的電壓降，其次分析有串補設備線路的電壓降，將二者進行對比。

1）正常10kV線路（即不加串補電容）的等效電路可用圖1來表示。

圖1 不加串補裝置的10kV線路的等效電路

圖2 10kV線路不加串補時的線路向量圖

圖2中，φ為負荷功角，θ為線路首端功角。由圖2的向量圖可得，此時線路首、末端的線電壓之差為

顯然，由式（1）可知，在感性負載下（用戶的負載一般呈感性），線路末端電壓肯定會低于首端。

2）線路中加入容抗值為XC的電容器后，電路圖如圖3所示，向量圖如圖4所示。

圖3 加入串補設備后的10kV線路等效電路

圖4 加入串補設備后的線路向量圖

圖4中，θ′為加入串補后線路首端功率因數角。此時線路首、末端線電壓之差為

由式（2）可知，串聯電容器的加入減小了線路電抗，使線路電壓得以抬升，抬升值為顯然，因該抬升值與線路電流大小成正比，所以串補技術在改善電壓幅值方面是隨負荷變化自適應的，即線路負荷大→線路電流大→電壓抬升大→線路電壓降小，線路負荷輕→線路電流小→電壓抬升小→線路電壓不會超限。因此，將串補技術應用在10kV線路電壓補償上具有良好的效果[6]。

3 快速開關型串聯補償裝置的介紹

串補技術應用的關鍵是讓串聯補償電容器能承受短路時高電壓的沖擊，為此涉及一系列附加設備的開發。當前，基于 10kV線路串補技術的最前沿設備為快速開關型串聯補償裝置，如圖5所示。

圖5 快速開關型串補裝置結構圖

由圖5可知，該類設備主要由串聯補償電容器、氧化鋅組件、限流阻尼器、放電開關、采樣 PT以及控制器（圖中未畫出）等組成。其中，快速開關是核心元件。下面將設備工作情況闡述如下。

1）正常運行時，將補償電容串聯在線路中，根據補償深度要求合理配置。

2）在串聯補償電容投入運行的條件下系統發生短路時，電容器兩端的電壓將隨著電流的上升而提高，控制模塊通過采樣 PT檢測到電容兩端電壓升高后控制放電開關合閘，補償電容器通過限流阻尼器和放電開關放電，放電電流由限流阻尼器限制到允許范圍內，將補償電容完全短接，以避免串聯補償電容導致線路短路電流的明顯加大。

3）與電容并聯的氧化鋅由多路串、并聯閥片組成，具備多點動態均能特性，在電容短接前能夠迅速吸收過電壓的多余能量，確保把電容過電壓控制在額定安全范圍，電容的容量可以得到極大的縮減，在降低設備成本的同時，設備的體積得到了有效的控制，可以實現在線路中進行多點補償。

4 應用實例

4.1 案列說明及分析

國網下屬某供電公司下轄 10kV金山線主供淡水魚養殖，主要用電設備為增氧機、投料機、排補水水泵等。10kV金山線的特點是供電半徑較長、負荷重。2014年度該線路最大電流為 380A，最大負載率為92%，末端電壓最低已達8kV，經常造成養魚設備無法正常啟動，對該線路進行低電壓治理迫在眉睫。

供電公司專家經過分析后認為，造成10金山線出現大面積低電壓現象的原因主要是，線路供電半徑過大、部分線路線徑偏小等。鑒于網絡結構、元件在短時間得不到改善，并聯無功補償、有載調壓等方式存在較大不足，因此，選擇某款快速開關型串聯補償裝置進行低電壓治理。

4.2 方案設計研究

進行 10kV線路串補方案設計，主要關注點為安裝點選擇、補償度計算、串補設備元件參數計算等。

1）安裝點選擇。本案例中，專家們在充分了解線路負荷分布、各線路區間阻抗基礎上，初步選定線路#41桿、#44桿、50#桿處為串補設備安裝待選處（具體選擇哪個桿子需經歷軟件計算）。

2）補償度計算。配網線路阻抗的特點是電阻分量大（R/XL一般超50%），因此進行串補的補償度應大于輸電線路串補。設計時需按初定的補償度進行電壓補償效果驗證，并不斷反饋式調整直至補償效果到達預期。

3）串補設備元器件參數計算。就是將線路參數、負荷潮流、串補裝置參數整合到一起建模，通過模擬運行效果來調整串補參數，最終完成參數設計。本案例中，對各節點負荷按照恒功率建模，對線路參數及串補參數按照定阻抗建模，并使用 Mathcad軟件進行仿真驗證。具體步驟為：①串聯線路電壓分布計算，即輸入各類線路參數，根據節點數和支路數，建立節點電壓方程，求出串補前后各節點電壓、各段線路電流、負荷潮流以及功率因數；②補償效果仿真分析，即通過程序繪制相關波形，查看補償效果；③串聯電容器組參數計算，即計算確定串聯補償裝置的額定電氣量參數（電壓、容量、每相串并聯數、單元電容器的額定參數等）；④系統異常情況下的模擬計算，對系統出現異常導致串補裝置保護間隙放電時電容器組兩端電壓和流過電容器組的電流進行仿真分析，以校核串聯電容器的設計參數是否滿足需要；⑤阻尼回路參數計算。通過對電容器退出系統運行時放電阻尼效果的仿真分析，確定阻尼回路各元件如阻尼電阻、阻尼電抗等的參數，并對避雷器的參數進行設計計算。

4.3 實際串補效果

在完成各類計算、校核后，供電公司專家經過綜合考量，最終確定在10金山線主干#44加裝一臺串聯電容器補償裝置，該裝置的主要參數見表 1。補償前后的效果比對如圖6所示。圖6說明：①兩次測量時間均選擇在農忙期間，因該期間最容易出現低電壓；②補償前，#44桿以后的電壓直線下降；③補償后雖然對補償點前方的電壓無抬升，但對補償點之后的電壓抬升效果十分明顯。

Study on the Rural Governance Low Voltage Compensation Type based on Fast Switch Series

Song Xiufang
(Tongzhou Power Supply Company,Beijing 101100)

With the rapid rise of the electricity load,power grid low voltage phenomenon increasingly prominent.First of all,the paper compares the different types of low voltage control methods,and emphatically expounds the principle of the series compensation technology of distribution network,analyzes the characteristics and advantages of the technology.Secondly,the construction of the fast switching type series compensation device in series compensation technology is introduced in this paper.Finally a power company under the jurisdiction of Chongwen 10kV line as the object of study of low voltage control effect of fast switching type series compensation device.The results showed that the fast switch type series compensation device in low voltage power to solve the effect is very obvious,it is worthy of further promotion.

series compensation device；low voltage control；voltage quality；compensation effect

表1 補償裝置的參數選定