“低電壓”問(wèn)題產(chǎn)生機(jī)理及其治理思路探析

徐田磊，趙瑜杰，張 懿

(國(guó)網(wǎng)成都市青白江供電公司，四川 成都 610300)

“低電壓”問(wèn)題產(chǎn)生機(jī)理及其治理思路探析

徐田磊，趙瑜杰，張 懿

(國(guó)網(wǎng)成都市青白江供電公司，四川 成都 610300)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，電力用戶用電規(guī)模不斷擴(kuò)大，用電需求逐步提高，供需矛盾持續(xù)加劇，低電壓?jiǎn)栴}不斷涌現(xiàn)，嚴(yán)重影響電力企業(yè)供電服務(wù)水平。從原理上對(duì)低電壓?jiǎn)栴}產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析，結(jié)合電力供應(yīng)實(shí)際，對(duì)不同類別低電壓?jiǎn)栴}，通過(guò)仿真驗(yàn)證，提出一系列完整治理思路。最后，通過(guò)對(duì)不同治理思路工程實(shí)際造價(jià)、工程量的分析，為電力企業(yè)低電壓治理工作提供一定參考。

低電壓；線路損耗；壓降；治理

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展，城鄉(xiāng)居民生活水平不斷提高，配電網(wǎng)用電性質(zhì)也發(fā)生了根本改變，用電需求進(jìn)入更高層次。配電網(wǎng)尤其是廣大農(nóng)村電力供需矛盾加劇，供電低電壓現(xiàn)象不斷涌現(xiàn)[1]。由低電壓?jiǎn)栴}所引起的配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題受到全社會(huì)高度關(guān)注，改善配電網(wǎng)供電質(zhì)量，已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展共識(shí)。

1 低電壓?jiǎn)栴}產(chǎn)生機(jī)理分析

負(fù)荷功率流經(jīng)電力線路產(chǎn)生的有功損耗以及無(wú)功損耗，是引起線路壓降的主要原因。根據(jù)電力線路等值串聯(lián)阻抗支路模型以及相量圖，如圖1所示，對(duì)線路壓降進(jìn)行分析可得

(1)

由于配電網(wǎng)功率因數(shù)較高，圖1(b)中δ<10τ，因此線路垂直壓降δU可以忽略，在此基礎(chǔ)上對(duì)式(1)進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)置可得

(2)

(a)等值電路

(b)相量圖圖1 串聯(lián)阻抗支路等值電路及相量圖

1.1 低壓線路供電能力不足

根據(jù)式(2)，線路阻抗是影響線路壓降的關(guān)鍵性參數(shù)，線路截面積過(guò)小，線路電阻變大，將增大線路壓降。由于電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的歷史原因，部分地區(qū)低壓配電網(wǎng)線路因建設(shè)時(shí)間早，選型標(biāo)準(zhǔn)不高，線路線徑小，線路阻抗大，導(dǎo)致線路供電能力不足[2]；與此同時(shí)，電力負(fù)荷的不斷增長(zhǎng)使原有的用電標(biāo)準(zhǔn)不能達(dá)到現(xiàn)有要求，原有線徑配電網(wǎng)線路已不能滿足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。

1.2 供電半徑大

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，低壓配電網(wǎng)線路供電半徑不超過(guò)0.4 km,而在部分地區(qū)尤其是農(nóng)村地區(qū)，由于山區(qū)、丘陵等特殊地形，負(fù)荷分布較為散亂，供電半徑過(guò)大，致使電源點(diǎn)布置不合理。此外，農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，居民雜亂無(wú)章擴(kuò)建現(xiàn)象嚴(yán)重，增大低壓供電半徑，部分地區(qū)供電半徑長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里，致使配電變壓器臺(tái)區(qū)不能深入負(fù)荷中心[3]。

1.3 無(wú)功補(bǔ)償能力不足

隨著越來(lái)越多異步電動(dòng)機(jī)等大功率電器的使用，配電網(wǎng)傳輸感性無(wú)功增大，導(dǎo)致線路功率因數(shù)低，線路壓降大[4]。對(duì)存在“低電壓”情況的臺(tái)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘，發(fā)現(xiàn)這部分臺(tái)區(qū)配電變壓器側(cè)無(wú)功補(bǔ)償容量和線路無(wú)功補(bǔ)償容量普遍不足，導(dǎo)致低壓線路無(wú)功損耗加大，末端電壓過(guò)低。

1.4 配電變壓器供電能力不足

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的不斷提高，城市地區(qū)生產(chǎn)、生活用電負(fù)荷迅速增長(zhǎng)，而在農(nóng)村地區(qū)由于生活水平的不斷提高，“一村一品”的農(nóng)產(chǎn)品逐步走向市場(chǎng)；特別是受“家電下鄉(xiāng)”政策的激勵(lì)，空調(diào)等大容量電器普遍進(jìn)入農(nóng)村家庭，農(nóng)村用電負(fù)荷也快速增加。部分地區(qū)原有配電變壓器臺(tái)區(qū)供電容量不足，負(fù)荷率較高，線路損耗加大，導(dǎo)致末端用戶電壓偏低。

2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

四川省成都市青白江區(qū)龍王鎮(zhèn)、人和鄉(xiāng)由于特有的山區(qū)地形以及農(nóng)網(wǎng)建設(shè)等原因，存在典型的低電壓?jiǎn)栴}。通過(guò)對(duì)該區(qū)域紅福路油坊村公變進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，得到如下數(shù)據(jù)：

電源側(cè)：10 kV線路長(zhǎng)度約20 km，臺(tái)區(qū)配電變壓器型號(hào)為S7-50/10,容量50 kVA,接線為Y-Yn0,變壓器擋位已調(diào)至最高擋位Ⅲ檔(9 500/400)。

出線側(cè)：出線側(cè)裝有并聯(lián)補(bǔ)償裝置。出線架空電纜型號(hào)為L(zhǎng)GJ-25/4型鋼芯鋁絞線，根據(jù)油坊村配電變壓器數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)，2016年3月某日24 h電壓數(shù)據(jù)中，臺(tái)區(qū)配電變壓器出口側(cè)母線電壓統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 臺(tái)區(qū)配電變壓器出口側(cè)母線電壓統(tǒng)計(jì)表

用戶側(cè)：臺(tái)區(qū)最遠(yuǎn)用戶220 V低壓線路約4 km。用戶家中大功率電器有電飯煲、冰箱等。沿線用戶電壓逐次降低。在用電高峰期，約有一半的用戶用電電壓低于190 V，其中最末端用戶電壓低至150 V。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

油坊村臺(tái)區(qū)的電源側(cè)電壓基本合格，但是存在比較嚴(yán)重的三相不平衡現(xiàn)象。臺(tái)區(qū)末端低電壓現(xiàn)象嚴(yán)重，主要是由于低壓供電半徑過(guò)長(zhǎng)，線路損耗過(guò)大造成的；同時(shí)，由于負(fù)荷存在分散性和不確定性，會(huì)造成比較大的三相不平衡度。

3 仿真分析

3.1 模型搭建與驗(yàn)證

研究工作在仿真軟件Matlab平臺(tái)上采用Simulink組件搭建低電壓臺(tái)區(qū)的模型，利用SimPowerSystem庫(kù)中適當(dāng)元件模塊搭建系統(tǒng)模型，并對(duì)照油坊村公變實(shí)際物理系統(tǒng)設(shè)置模型元件中對(duì)應(yīng)的參數(shù)，建立配電網(wǎng)三相的Simulink模型，對(duì)配電網(wǎng)電壓進(jìn)行仿真，如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)三相仿真模型電路簡(jiǎn)圖

仿真模型參數(shù)設(shè)置如下：變壓器參數(shù)設(shè)置為型號(hào)S7-50/10,容量50 kVA,接線為Y-Yn0；線路參數(shù)依照LGJ-25/4型號(hào)鋼芯鋁絞線直流電阻1.131 Ω/km，三段線路參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分別設(shè)置為10 km、15 km以及20 km，負(fù)荷功率因數(shù)設(shè)置為0.90。調(diào)整負(fù)荷率模擬臺(tái)區(qū)24 h負(fù)荷情況，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 變壓器出線電壓仿真結(jié)果

圖4 線路末端負(fù)荷電壓仿真結(jié)果

由圖3可知，臺(tái)區(qū)變壓器出線電壓波動(dòng)區(qū)間為218～230.5 V，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為214.8～228.5 V；末端負(fù)荷處最低電壓仿真結(jié)果為146 V,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為150 V。對(duì)比可知，仿真模型通過(guò)合理的簡(jiǎn)化以及精準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)置，反映了臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)情況，模型具有較高的可靠性。

3.2 增加線路截面積

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘數(shù)據(jù)，油坊村公變出線架空電纜型號(hào)為L(zhǎng)GJ-25/4型號(hào)鋼芯鋁絞線，該類導(dǎo)線直流電阻為1.131 Ω/km。通過(guò)將仿真模型導(dǎo)線替換為L(zhǎng)GJ-35/6型鋼筋鋁絞線，該類導(dǎo)線直流電阻為0.823 Ω/km。可得圖5仿真結(jié)果。

圖5 不同截面導(dǎo)線下末端負(fù)荷電壓仿真結(jié)果

通過(guò)增加導(dǎo)線截面積降低線路阻抗，可以改善線路末端負(fù)荷電壓，根據(jù)圖5可知，當(dāng)臺(tái)區(qū)負(fù)荷率低于35%時(shí)，采用LGJ35/6型鋼芯鋁絞線可以將末端負(fù)荷電壓提升至200 V，在高負(fù)荷率下，由于供電半徑長(zhǎng)，線路阻抗仍較大，末端負(fù)荷電壓低于200 V，此時(shí)可以繼續(xù)增大線路截面積，改善末端負(fù)荷電壓。

3.3 增加串聯(lián)補(bǔ)償裝置

負(fù)荷功率通過(guò)線路電抗時(shí)，產(chǎn)生的無(wú)功損耗，引起線路壓降，通過(guò)增加串聯(lián)補(bǔ)償裝置，引入容性電抗，可以降低線路無(wú)功損耗，考慮負(fù)荷為感性負(fù)載，串聯(lián)補(bǔ)償采用過(guò)補(bǔ)償形式，采用0.677 9 Ω容抗補(bǔ)償裝置，線路電抗為0.645 6 Ω，補(bǔ)償系數(shù)為105%，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 增加串聯(lián)補(bǔ)償裝置前后末端負(fù)荷電壓仿真結(jié)果

由圖6可以看出，引入串聯(lián)補(bǔ)償裝置后，末端負(fù)荷電壓得到改善，電壓補(bǔ)償效果隨負(fù)荷率增加而加大，在高負(fù)荷率情況下電壓提升值近40 V。

3.4 增加并聯(lián)補(bǔ)償裝置

感性負(fù)荷功率通過(guò)配電網(wǎng)線路傳輸時(shí)，會(huì)在線路阻抗上產(chǎn)生有功損耗以及無(wú)功損耗，進(jìn)而影響降低負(fù)荷電壓，增加并聯(lián)補(bǔ)償裝置。對(duì)配電變壓器進(jìn)行集中補(bǔ)償，負(fù)荷自然功率因數(shù)為0.9，補(bǔ)償采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法，將負(fù)荷功率因數(shù)提升至0.95，補(bǔ)償容量由式(3)確定。運(yùn)行仿真模型可得圖7結(jié)果。

Qc=P×[tan(cos-10.9)-tan(cos-10.95)]

(3)

圖7 增加并聯(lián)補(bǔ)償裝置前后末端負(fù)荷電壓仿真結(jié)果

治理思路適用低電壓類別增加線路截面積供電半徑較小,負(fù)荷容量大,線路供電能力不足遷移變壓器供電半徑大,變壓器布置不合理,且現(xiàn)場(chǎng)具備遷移條件增加串聯(lián)補(bǔ)償裝置線路電抗較大,負(fù)荷容量大增加并聯(lián)補(bǔ)償裝置功率因數(shù)低,無(wú)功補(bǔ)償不足

表3 油坊村公變不同治理思路費(fèi)用明細(xì)

采用并聯(lián)補(bǔ)償裝置后，提高了線路功率因數(shù)，對(duì)末端負(fù)荷電壓質(zhì)量進(jìn)行了改善。針對(duì)功率因數(shù)較低類型低電壓臺(tái)區(qū)，可以采用并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)低電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行治理。

3.5 遷移變壓器

供電半徑過(guò)大，是廣大農(nóng)村低電壓?jiǎn)栴}產(chǎn)生的主要原因之一。由于部分地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃未能對(duì)負(fù)荷發(fā)展進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，致使配電變壓器地理分布不合理，供電半徑過(guò)大。通過(guò)遷移配電網(wǎng)變壓器，使臺(tái)區(qū)位于負(fù)荷中心，減小供電半徑，可以降低線路壓降。結(jié)合油坊村實(shí)際地形特點(diǎn)，對(duì)仿真模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使臺(tái)區(qū)供電半徑不大于1.5 km,通過(guò)仿真驗(yàn)證可得圖8。

圖8 遷移變壓器前后末端負(fù)荷電壓仿真結(jié)果

通過(guò)仿真結(jié)果分析可知，調(diào)整變壓器至負(fù)荷中心，可以有效降低線路壓降。針對(duì)配電變壓器地理分布不合理這一類低電壓?jiǎn)栴}，可以采用遷移變壓器的方法進(jìn)行治理。

4 低電壓治理思路探究

從低電壓?jiǎn)栴}產(chǎn)生的理論機(jī)理出發(fā)，借助Matlab仿真平臺(tái)，分析并提出了低電壓?jiǎn)栴}一系列的治理思路，針對(duì)不同類別的低電壓?jiǎn)栴}提出不同解決思路。如針對(duì)線路功率因數(shù)低、配電變壓器及線路無(wú)功補(bǔ)償不足臺(tái)區(qū)，僅通過(guò)采用并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，就能解決低電壓?jiǎn)栴}。

低電壓?jiǎn)栴}是配電網(wǎng)絡(luò)普遍存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)低電壓?jiǎn)栴}的有效治理，急需電網(wǎng)建立發(fā)展長(zhǎng)效機(jī)制，采取低電壓治理的綜合整治系統(tǒng)措施，從管理和技術(shù)兩方面快速、高效治理農(nóng)村低電壓,確保“新農(nóng)村、新電力、新服務(wù)”順利推展。為了向電力企業(yè)低電壓治理工作提供更多可靠性參考，從實(shí)際工程造價(jià)角度出發(fā)，對(duì)不同低電壓治理思路的工程費(fèi)用進(jìn)行估算，以油坊村公變治理為例進(jìn)行治理費(fèi)用對(duì)比，具體造價(jià)計(jì)算見(jiàn)表3。

5 結(jié) 論

1)廣大地區(qū)配電網(wǎng)尤其是農(nóng)村低壓配電網(wǎng)絡(luò)存在嚴(yán)重的低電壓?jiǎn)栴}，低電壓?jiǎn)栴}產(chǎn)生的主要原因有低壓線路供電能力不足、無(wú)功補(bǔ)償不足、供電半徑大、配電變壓器供電能力不足等。

2)通過(guò)Simulink仿真分析，增加線路截面積、增加串聯(lián)補(bǔ)償裝置、增加并聯(lián)補(bǔ)償裝置、遷移變壓器等實(shí)際可行的低電壓治理措施，可以有效改善低電壓用戶電能質(zhì)量。

3)所提出的一系列低電壓?jiǎn)栴}治理措施，適用于不同類別的低電壓?jiǎn)栴}治理，且改造費(fèi)用存在差異。電力企業(yè)可以就不同的低電壓?jiǎn)栴}，在綜合考慮工程造價(jià)的基礎(chǔ)上，選取經(jīng)濟(jì)性好、治理效益佳的治理方案對(duì)低電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行治理。

[1] 潘朝毅.針對(duì)如何解決農(nóng)村配網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}的探討[J].廣東科技，2011(24):159-160.

[2] 焦玉振.解決電網(wǎng)低電壓的基本技術(shù)手段[J].農(nóng)村電工，2012，20(4):31.

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[4] 張高峰，黃芳.農(nóng)村低壓?jiǎn)栴}的解決措施[J].農(nóng)電技術(shù)，2011(3)： 26-27.

With the continuous development of economic society, the scale of electricity has been constantly expanding and the demand of electricity has been gradually increasing. This phenomenon accelerates the inconsistency of power supply and demand, and the "low voltage" problems occur frequently, which seriously affects the service level of power supply. Firstly the formation mechanism of the "low voltage" problem is analyzed, and then aiming at different kinds of "low voltage" problems, a series of solution ideas verified by simulation are proposed combining with the power supply reality. Finally, some references are provided for power enterprises to solve the "low voltage" problem through analyzing the price and work amount of various solution ideas.

low voltage; line loss; voltage drop; solution ideas

TM727.1

A

1003-6954(2017)03-0048-04

2016-01-26)

徐田磊(1992)，本科，從事電能計(jì)量、線損管理工作，主要研究課題為縣級(jí)供電企業(yè)線損管理。