10 kV雙向線路調壓器控制模式驗證與應用分析

謝 成，劉家齊，趙啟承，申屠潔群，周自強，馬振宇

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

目前，中壓配電線路調節電壓的常用方法主要有3種：調節配電變壓器分接開關位置、線路上加裝并聯電容器和安裝線路調壓器[1-4]。對于線路過長且后端集中較大負荷的情況，前兩種方法效果都不理想。在缺少電源站點地區的線路上加裝線路調壓器是一種滿足用戶需求，并節省初期電網投資的有效方式，在國外已普遍采用，近年來國內也取得了較為豐富的運行經驗[5-8]。

國網桐廬縣供電公司35 kV分水變電站10 kV里湖172線線路較長，供電半徑達12 km，且后段負荷集中，多為制筆廠用戶，迎峰度夏期間線路最大負載率達78%。在歷次線路改造中已采取加大導線線徑，或在部分臺區試點安裝有載調壓配變等措施。然而有載調壓分接開關調壓操作頻繁，調壓次數多對分接開關壽命和設備的安全穩定運行造成了較大影響[9-10]。上述措施并未有效解決線路后段大面積低電壓問題，尤其是在夏季用電高峰期，因線路后段負荷重易造成后段多個臺區出現嚴重低電壓[11-12]。針對上述情況，在如圖1所示的里湖172線上加裝了10 kV線路調壓器后，通過線路后段電壓的集中調整，切實保證了電壓波動在正常范圍內。

1 低電壓事件概況

2016年9月9日分水供電所正在進行位于政府東門大道的洪坑742線架空入地改造施工，6∶00左右將里湖172線橋東開關站洪坑742線59號桿后段改由對側變電站洪印變電站（簡稱洪印變，以下類推）經儒橋181線轉供。7∶26，洪坑742線所屬5臺公用變壓器（簡稱公變）的監測終端相繼發出低電壓告警，顯示公變低壓側三相電壓幅值處于172～190 V區間。7∶50，分水供電所對涉及環網供電的21臺公變進行電壓召測，發現除107+1號桿洪坑742線調壓器后段的6臺公變外，共有包括天英廟1號在內的15臺公變存在嚴重低電壓，均在負荷轉供后的調壓器負荷側。天英廟1號低電壓公變電壓變化如圖2所示。

圖1 分水變10 kV里湖172線單線

圖2 天英廟1號低電壓公變召測數據（低壓側）

8∶21，分水供電所運檢班搶修人員到達洪坑742線調壓器位置后立即匯報調控中心，將調壓器改為手動控制并進行電壓手動調節后，三相電壓恢復正常。事件涉及的10 kV線路雙向調壓器容量為4 000 kVA，調壓范圍為±20%，投運時間不滿1年。

2 線路調壓器控制邏輯驗證

2.1 調壓器原理及動作邏輯

洪坑742線所用的10 kV線路調壓器為自耦變壓器，負荷側出線抽頭固定，調節電源側進線抽頭，若均以調壓器電流流出一側電壓來看，潮流正向時從1檔調至9檔為升壓，潮流反向時從1檔調至9檔為降壓。雙向調壓器的檔位分布如圖3所示。

圖3 洪坑742線10 kV線路調壓器

雙向調壓器有兩種調壓模式：小水電模式和雙側變電站模式。每一種模式對應一款控制器，分別適用于兩種不同工況。

（1）小水電模式：用于小水電并網線路電壓治理。

調壓器安裝的電源側是線路變電站，負荷側線路連接小水電，如圖4所示的小水電并網供電線路使用的雙向調壓器，既能解決枯水季節調壓器負荷側的低電壓問題，也能解決豐水季節小水電發電造成的調壓器負荷側高電壓問題，調壓控制器根據功率潮流進行合理電壓調節[13-15]。

圖4 小水電并網供電線路

（2）雙側變電站模式：用于雙側變電站“手拉手”聯絡轉供線路。

目前我國城鄉配電網，絕大多數配網架空線路由輻射網方式改造為如圖5所示的手拉手環網方式，采用開環運行、輻射狀供電模式。但線路手拉手聯絡后，從任一變電站供電時，若線路供電半徑過長，造成線路后端電壓低。在聯絡線路合適位置安裝雙向自動調壓器，根據功率潮流自動調節負荷側電壓，保障調壓器輸出端線路電壓正常供電。

2種調壓器控制器的動作邏輯及差異如圖6、圖7所示。

2.2 試驗模擬運行工況

為驗證2種不同控制模式的動作邏輯，在實驗室里采用分接開關檔位模擬控制器來模擬現場調壓器有載分接開關在接收到升降命令完成的檔位切換動作，并將檔位反饋給控制器。

控制器實際現場采樣的電壓為調壓器輸入端Uac和輸出端Uac，分別為控制器顯示的Ui和Uo；采樣電流為Ia與Ic合成Ib與輸出端測量電壓Uac進行計算得到系統的有功和無功，此時Uac超前于電流Ib90°。驗證試驗是用1臺三相源模擬現場采樣，將Ua接在控制器輸入端電壓采樣，Ub接在控制器輸出端電壓采樣，電流采樣Ia與Ic，將電壓電流的角度調整成90°，此時Ub（Uo）超前電流Ib90°即可模擬出現場的采樣情況；當將角度調整為270°時有功為負，可模擬現場反向供電的情況。便于分開調節輸入端和輸出端電壓采樣，讓控制器自動調節開關升降。實驗室模擬現場采樣工況的相量圖見圖8，試驗接線見圖9。

圖5 雙側變電站手拉手供電線路

圖6 小水電模式控制邏輯

圖7 雙側變電站模式控制邏輯

圖8 實驗室模擬現場采樣工況

圖9 試驗設備接線原理

2.3 控制邏輯驗證

（1）調壓模式試驗。測試參數設定：人為設定正向穩壓上下限9.5～10.5 kV，反向穩壓上下限9.5～10.2 kV；系統進線側電壓互感器變比TV=100；系統出線側電壓互感器變比TV=100；電流互感器變比 TA=20；額定采樣：Ua=Ub=100 V，Ia=Ic=1 A，正向時電壓電流角度90°反向時電壓電流角度270°。2種模式的測試結果見表1、表2。

（2）模式測試分析。設出線匝數為No，進線匝數為Ni，出線匝數與進線匝數比為n=No/Ni，則變壓器出線側電壓Uo=nUi，Uo與n成正比；變壓器進線側電壓Ui=Uo/n，Ui與n成反比。出線側觸頭固定No不變，進線側觸頭Ni可調。

雙側變電站模式下，正向供電以變壓器出線側電壓Uo為調節目標，從1檔位向9檔位調節時Ni減小，n增大，Uo電壓升高，從9檔位向1檔位調節時Ni增大，n減小，Uo電壓降低；反向供電以變壓器進線側電壓Ui為調節目標，從9檔位向1檔位調節時Ni增大，n減小，Ui電壓升高，從1檔位向9檔位調節時Ni減小，n增大，Ui電壓降低。

小水電模式下，正向供電以變壓器出線側電壓Uo為調節目標，從1檔位向9檔位調節時Ni減小，n增大，Uo電壓升高，從9檔位向1檔位調節時Ni增大，n減小，Uo電壓降低；反向供電仍以變壓器出線側電壓Uo為調節目標，從1檔位向9檔位調節時Ni減小，n增大，Uo電壓升高，從9檔位向1檔位調節時Ni增大，n減小，Uo電壓降低。

（3）測試結果。由上述測試分析可知，該調壓器控制器的2種模式下的動作邏輯與其相應工況下的功能要求一致，控制策略滿足實際工況下的控制要求。

表1 雙側變電站模式測試項目及結果

表2 小水電模式測試項目及結果

3 低電壓原因分析與故障反演

3.1 低電壓原因分析

經調查分析，洪坑742線10 kV線路雙向調壓器實際安裝的控制器為小水電模式，2016年底投運至故障發生前該調壓器從未經歷過線路負荷轉供。訂貨時已明確調壓器安裝需求為雙側變電站供電線路通道使用，設備安裝、調試正常后進行投運，但未告知該調壓器控制器為小水電模式，無法適用于雙側變電站模式下反向轉供后的線路調壓。9月9日故障當天洪坑742線59號桿后段由對側變電站儒橋181線轉供后，控制器本應以負荷轉供后的調壓器電流輸出端為調壓目標，卻錯誤地以調壓器電流輸入端（負荷轉供前為輸出端）為調壓目標，造成調壓器輸出端的10 kV線路電壓進一步降低，導致15個臺區出現三相低電壓現象。

3.2 故障反演驗證

低電壓事件當時所用調壓器的控制器為小水電模式，固定負荷側電壓U0為判據，調壓器負荷側穩壓范圍為9.8～10.5 kV，負荷轉供前調壓器電流輸出端（負荷側）電壓U0在設定范圍內，調壓器處于基準檔位，調壓器輸入輸出端電壓一致。

由如圖10所示的調壓器監測的數據可知，9月9日5∶56∶22左右洪坑742線59號桿后段由對側變電站儒橋181線轉供，線路潮流反向，調壓器電流輸入輸出端轉換，此時電流輸入端電壓為U0，電流輸出端電壓為Ui。6∶08左右調壓器輸入端電壓U0為9.5 kV，低于目標電壓的穩壓范圍，此時控制器判斷需升檔升壓，調壓器調節到6檔后輸入端電壓U0基本不變，輸出端電壓Ui變為9 kV；由于輸入端電壓U0一直低于穩壓范圍，調壓器持續升檔，直到調節到9檔后輸出端電壓Ui為7.7 kV左右，輸入端電壓U0為9.7 kV左右。

以A相為例，潮流反向后，調壓器電流輸入側的抽頭為5—X，輸出側的抽頭為9—X，根據變壓器的電壓原理，U1/U2=W1/W2，變壓器電壓與線圈匝數成正比，電流輸入側線圈匝數多，輸出側線圈匝數少，那么電流輸入側電壓高，電流輸出側電壓低，5檔是調壓線圈中間檔位，繞組比9檔多了1倍，調壓器的調壓范圍為±20%，因此，電流輸出側比輸入側電壓低了20%，大約2 000 V。對應上監控數據中調壓器后端電壓約為9.6 kV，調壓器前端電壓約為7.7 kV。

由圖11所示的出現低電壓時的雙向調壓器實際檔位可知，線路低電壓原因是應當使用雙側變電站模式控制器的場合，現場錯誤地使用了小水電模式控制器。當調壓器潮流反向時，調壓對象應當隨著電流的反向調整為調壓器輸出端電壓，而實際仍固定調壓器輸入端（潮流反向前的輸出端）為調壓對象，造成調壓器輸出端電壓持續下降。

圖10 從調壓器調取的電壓監測數據示意

圖11 出現低電壓時的雙向調壓器實際檔位

4 結論與建議

分水變洪坑742線由于10 kV線路調壓器工作異常導致成片出現低電壓事件的主要原因為線路調壓器控制器模式錯誤，與現場運行工況不匹配，即小水電模式控制器不適用于雙側變電站運行模式。

為避免此類事件再次發生，提出以下建議：

（1）規范10 kV線路調壓器的正確選型與設計，應以供電可靠性和系統安全運行為基礎，根據線路負荷分布、電壓偏差情況，選擇調壓器的容量、調壓范圍和輸出電壓偏差等參數。雙向供電小水電模式或雙向供電雙側變電站模式的選擇應與現場實際工況及需求吻合。

（2）做好新投運線路調壓器的交接驗收與投產調試工作，制定線路調壓器調試規范。運行單位應與廠家做好溝通，確認現場的實際工況與調壓器控制器邏輯是否匹配，并督促廠家做好資料的配發與講解。

（3）探索將小水電和雙變電站兩種模式下的反向調節方式整合為一個控制器，實現自動模式識別和自動切換控制邏輯。

參考文獻：

[1]于偉，常松，古青琳，等．配電網全網電壓無功協調控制策略[J]．電網技術，2012，36（2）∶95-99．

[2]于汀，王偉．湖南電網電壓協調控制方案[J]．電網技術，2011，35（4）∶82-86．

[3]王金麗，段祥駿，李云江，等.配電網低電壓產生原因與綜合治理措施[J].供用電，2016（7）∶8-12.

[4]李秀萍.農村配電臺區低電壓問題治理方法的探討[J].貴州電力技術，2017，20（7）∶58-61.

[5]何景斌.串聯調壓器在農村電網的應用[J].科技資訊，2010，32（2）∶115.

[6]蘭貞波，劉飛，姜國義，等.基于恒功率負載線路調壓器調壓特性分析[J].高壓電器，2016，52（7）∶96-102.

[7]路軍，程樂峰，余峰.配電臺區低壓智能調壓控制系統關鍵技術研究[J].新型工業化，2016，6（11）∶35-47.

[8]馬曄暉，蘇軍，沈曉峰，等.一種三相不平衡配網系統中配置調壓器和電容補償器的概率方法[J].電力與能源，2017，38（3）∶227-230.

[9]黃秀萍．有載調壓變壓器變比變化對電力系統電壓的影響[J]．電力建設，2004，25（11）∶37-41．

[10]潘曉杰，劉滌塵，任沖，等．一種研究電壓穩定的有載調壓變壓器模型[J]．高電壓技術，2006，32（2）∶21-23．

[11]張宗茂，金慶忍，郭敏.10 kV線路低電壓問題分析及治理措施探討[J].廣西電力，2016，39（4）∶31-35.

[12]邱志鵬，呂平，張健.配電網居民客戶端低電壓治理方案探討[J].供用電，2015，32（11）∶75-78.

[13]國家電網公司.10 kV配電線路調壓器選型技術原則和檢測技術規范[S]：Q/GDW 11377-2015.北京：中國電力出版社，2015.

[14]中國電力企業聯合會.配電線路串聯調壓裝置技術規范：T/CEC 110-2016[S].北京：中國電力出版社，2016.

[15]國家電網公司運維檢修部.配網低電壓治理典型示范[M].北京：中國電力出版社，2015.