基于串補技術的配電網電壓改善特性分析及應用

2018-12-28 09:30:06卓雯

四川電力技術 2018年6期

，，，，，，卓雯，

(國網德陽供電公司，四川德陽 618000)

0 引言

隨著社會經濟的飛速發展，中國近年來的用電需求提升迅速，配電網架不斷擴大，尤其是農村用電負荷的增加，也對優質的供電電能提出了新的要求。然而，中國配電網建設滯后于經濟建設，其網架薄弱，線徑小，供電半徑長(尤其是農網線路)，配電變壓器分布廣、數量多，且主要集中在線路后端[1]。往往導致線路末端電壓低，供電質量差。

對于配電線路后端電壓降問題，主要采取的措施有：加強變電站建設投入以縮短配電線路供電半徑、更換配電線路大直徑導線、利用配電變壓器分接頭進行調壓、采用并聯電容無功補償等措施[2-3]。然而新建變電站造價昂貴，建設周期長，經濟性差；更換導線對降低線路電感帶來的低電壓效果不大，且停電時間長、投資大，不利于目前的優質服務要求；經常使用的第3種方法，固定幾擋調節，可調范圍小，不能補償無功功率，無法徹底解決整條線路的電壓降問題；并聯無功補償裝置隨電壓有“逆向”特性，調節速度慢，需要安裝的容量大[4-5]。

從技術原理上講，串聯補償技術對于長距離、大負荷、低功率因素和大電壓閃變的配電線路的低電壓治理具有技術上的先進性，主要體現在對線路無功具有正補償、無時延、高效率(與并聯補償比較可以用較小的電容量發揮更高的補償效果)，與傳統的補償技術和調壓技術相比，更加高效而經濟[6-9]。從國內外實際應用情況看，串補技術是一項有效解決長距離大負荷線路低電壓問題、提高線路功率因素、減小線路損耗的新的無功補償技術，是對傳統補償技術的完善和補充。

從串聯無功補償技術原理入手，闡述串補技術在配電線路中改善電壓的基本原理，分析影響串補技術電壓調節的影響因素，結合實際案例仿真分析各因素對配電線路串補調壓的影響，提出工程實施合理化建議，最后以工程實施案例證明串補技術在配電網調壓中的有效性。

1 串補技術電壓調節原理

串補技術最早應用在中國的輸電線路中[10-12]，該技術能顯著提高大容量、遠距離輸電線路的利用效率，促進電網的穩定運行水平，降低輸電損耗。將串補技術引用到配電線路中，同樣可以解決配電網電壓問題[11-12]，不僅可以調節過電壓或低電壓至合格電壓水平內，同時可以提高線路的功率因素降低線路損耗。

對于配電線路，相對于輸電線路輸送距離較短，可以忽略波過程的影響，同時還可以忽略對地電容的影響，此時，配電線路可以等效為線路電阻和電抗，其等效電路如圖1所示。

圖1 配電線路等效原理

此時，配電線路首末兩端電壓降為

(1)

式中：P、Q為線路負載有功功率和無功功率；U為線路首端線電壓。可以看出，在線路負載一定的條件下，線路末端電壓主要由線路電阻R和電抗X確定，且線路電抗X往往大于電阻R，因此，降低電抗X能有效降解決低電壓問題。

串補技術即是在配電線路中串聯電容，串聯電容后配電線路等效電路如圖2所示。

圖2 配電線路串聯補償等效原理

則此時線路的阻抗由電阻、電抗和容抗組成，則配電線路首末兩端電壓降為

(2)

式中，XC為串補電容器容抗。

串聯電容的加入，補償了感抗，有效降低了整個線路等效電抗，從而減小了電壓降。

由式(2)可得

(3)

2 串補技術主要影響因素

由式(3)可得

(4)

式中：IL為線路電流；k為串補補償度，是串入電容容抗與線路電抗的比值，即：

(5)

可以看出，串補裝置的電壓補償效果與負荷電流有關：當線路負荷重時，電流值大，電壓補償越高；線路負荷較輕時，電流值小，電壓補償較低。因此，串聯補償電容裝置不會出現電路輕載導致的過補償情況，也不會出現電路重載時補償不夠的現象。

綜上，影響串聯補償裝置主要補償效果的因素有：線路負荷、功率因數、阻抗值和補償度。阻抗值和導線截面積、導線長度有關，從前面討論可知，更換大直徑導線存在投資大、停電時間長且效果不大的缺點。因此當配電線路導線截面積一定時，只需考慮串聯補償裝置的安裝位置對補償效果的影響。

3 串補技術影響因素分析

以德陽供電公司某10 kV配電線路為例進行仿真分析。該線路供電半徑長、負荷重，線路總長度為18 km，其中主線為JKLYJ-240，也包括JKLYJ-185和JKLYJ-150，最大負荷為4.2 MVA，功率因數為0.85。

當串聯補償容抗XC=0時，線路各節點電壓如圖3所示，可知，線路電壓隨著線路長度的增加而不斷降低。

圖3 電壓隨線路長度的變化曲線

當負荷功率分別為2 MVA、4 MVA、6 MVA，功率因數為0.85，XC=0時，串補裝置處節點電壓分別為9.57 kV、8.89 kV、8.19 kV，若加入補償度k=2.25的補償電容時，補償點電壓分別提升1.272 kV、1.591 kV、1.668 kV。結果如圖4所示：容量與電流的平方成正比，而串聯電容器補償的電壓與線路電流成正比。因此，當線路容量增大時，電流增大，補償的電壓也隨之增大。這就是串補的負荷自適應特性，也是其他無功補償均不具備的特性。

圖4 不同線路負荷下電壓隨線路長度的變化曲線

當負荷功率為3 MVA，補償度k=2.25，功率因數分別為0.8、0.9、0.95時，結果如圖5所示。可以看出，線路功率因數越小，補償電壓越大。這是因為加入的串聯電容在補償線路感抗的同時，也補償一部分負荷感抗，提高了功率因數。對于負荷功率因數較低的線路，其電壓補償效果就更為明顯。

當負荷功率為3 MVA，分別在線路的兩個點加裝串聯補償電容，比較不同的補償度對電壓的影響，結果如圖6所示。在兩個位置安裝串聯補償裝置，均能在該處有效提升電壓，但不同的安裝位置，串補后電壓調節的效果差別較大，因此在具體實施工程中，因合理選擇安裝位置，確保全線電壓合格。

另外，在同一位置采用不同補償度的串補裝置，調壓結果也不同，線路長度越大，串聯電容容抗越大，補償電壓值就越大。若串入電容容抗較大，可能造成調節后電壓超過額定電壓的上限范圍。

圖5 不同功率因數下電壓隨線路長度的變化曲線

圖6 不同安裝位置、不同補償度下電壓隨線路長度的變化曲線

采用電容器串聯補償技術能有效提高線路末端電壓，達到調壓目的，特別是對功率因數較低、負荷波動較大的線路具有顯著的效果。根據以上分析可知，影響串補技術效果的因素中，線路阻抗、線路容量、功率因素均為線路本身信息，在串補裝置加入前為定值，因此在具體實施過程中，要達到串補裝置電壓調節的最優結果，需綜合考慮安裝位置和補償度。

若為山村、遠方工廠供電的配電線路，其負荷均分布在線路末端，則電壓調節效果則與串聯電容器位置無關，串補裝置的最佳安裝位置為線路最末端緊靠首個負荷的電源側，此時串聯電容器承受的故障應力最小，調壓效果最佳。若配電線路全線均分布有負荷，為使得沿線電壓均在合格范圍，或者盡可能接近電壓合格范圍，則可以選擇負荷最大時電壓差為全線壓降1/2左右的線路位置。當線路較長，使用一個串補裝置不能達到預期的調壓結果時，可以選擇多處安裝串補裝置，并結合經濟性評估，確定最優的串補方案。

配電網串補裝置的補償度多數選擇接近1或者大于1。當線路電壓降落較小時，采用欠補償可以滿足電壓提升要求時，應優先考慮采用欠補償以降低投資成本。當欠補償無法滿足電壓合格率要求時，可以采用過補償，調節電壓至目標電壓。

4 實際應用

國網德陽供電公司所轄10 kV風孟線線路以110 kV風光變電站10 kV母線為電源點，線路主要信息如下：

1)線路性質為城網線路，但從6號桿開關為城農網分界點，線路后端為農網負荷。線路供電半徑長，沿線均有較多的居民用電和工廠、高壓用戶負荷，線路后端用戶反映電壓跌落情況比較嚴重。

2)10 kV風孟線線路信息和運行數據見表1。

表1 10 kV風孟線線路和運行信息

根據潮流分析，線路在不安裝串補裝置的情況下，最大運行負荷時線路的沿線電壓分布情況如圖7所示。從圖中可以看出該線路較長，且負荷較重，導致電壓隨線路增大而降低，線路末端更是從變電站10 kV母線側的10.5 kV降到了8.7 kV。同時，線路在9 km左右之前，電壓下降比后端線路要快，這是因為線路前端主要位于城市郊區，商業用電和工廠用電較多，而后端用戶多位于城鄉結合處的農村，多為居民用電，導致前端電壓下降較快。