10 kV線路調壓器在低電壓治理中的應用

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司涼山供電公司，四川 涼山 615050)

0 引 言

隨著國民經濟的發展以及全面建成小康社會目標的推進，家用及農用電器在農村越來越普及，農村用電負荷顯著增長。然而農村電網基礎薄，電網投資建設區域不平衡現象嚴重，供電半徑長、導線截面小、線路末端負荷重等問題仍十分突出[1-2]，部分村社長期受“低電壓”影響，造成家用及農用電器無法正常工作。

針對農村電網“低電壓”問題，目前的解決措施大致分為3類：優化網架結構、調整變壓器擋位、補償措施。其中，優化網架結構主要是從增加電源布點、改接負荷、增加導線截面等方面解決“低電壓”問題，也是從根本上解決“低電壓”問題最有效的措施；但投資巨大、周期長、成效慢。調整變壓器擋位，目的是調整10 kV母線電壓；但10 kV電壓可調整范圍有限，對于供電半徑過長引起的“低電壓”問題成效甚微。補償措施又分為無功補償和電壓補償，無功補償針對無功負荷過大的線路有一定的效果，電壓補償是通過加裝調壓器將電壓抬升到設定值[3-6]，對于解決農村電網“低電壓”問題成效明顯且工程造價較低，近年來在農村電網中大量應用。

然而，電壓補償中的調壓器在應用中仍然存在以下問題：1)未經安裝位置選點計算，造成調壓器未能發揮最大效益[8-9]；2)部分人員不掌握調壓器適用范圍而盲目安裝，造成線路頻繁跳閘。因此，研究和解決調壓器在現場中應用難題，摸清安裝調壓器前后電壓和電流變化規律顯得尤為必要。

下面針對10 kV調壓器在現場中的應用問題，通過分析調壓器工作原理,建立帶10 kV調壓器的配電線路等值電路，開展了調壓器在10 kV線路中的理論計算，并結合農村線路實際情況進行了調壓器的安裝效果驗證。

1 10 kV調壓器的工作原理

10 kV調壓器屬于三相自耦式變壓器的一種，主要由并勵線圈、串勵線圈和控制線圈組成，如圖1所示。并勵線圈為自耦變壓器的公共繞組，主要作用是形成傳遞能量的磁場；串勵線圈有多個抽頭，通過有載分接開關調節所需連接的抽頭，改變自耦變壓器的變比，以實現改變輸出電壓的目的?？刂凭€圈繞制于并勵線圈上，主要作用是為調壓器控制電路提供工作電源和采樣信號。

圖1 10 kV調壓器工作原理

10 kV調壓器具備自動調壓功能，該功能是自動控制電路實現的。它主要是把采集的輸出電壓與設定值進行比較，并且達到一定動作時間后，再發出對有載分接開關的擋位調節指令。有載分接開關一般常用的有7擋位和9擋位。自動控制電路發出升擋或降擋的指令后，有載分接開關切換連接在串勵線圈上的抽頭位置，改變自耦變壓器的變比實現自動調壓。

2 帶10 kV調壓器的配電線路等值電路

為了簡化分析，假設10 kV調壓器為理想的自耦變壓器，線路負荷集中在10 kV調壓器后，則帶10 kV調壓器的配電線路等值電路如圖2所示。圖中線路母線電壓為U0，線路的等值阻抗為ZL，T為調壓器(變比為k∶1)，負荷Zload的視在功率為P+jQ。未安裝調壓器時，節點1和節點2的電壓相等、電流相等。

圖2 帶10 kV調壓器的配電線路等值電路

1)安裝調壓器后節點1、節點2的電壓、電流關系

節點1的電壓、電流為：

U1=k·U2

(1)

(2)

U1=U0-I1·ZL

(3)

式中：U1、I1分別為安裝調壓器后節點1處的電壓、電流；U2、I2分別為安裝調壓器后節點2處的電壓、電流。

節點2的電壓、電流為：

U2=I2·Zload

(4)

(5)

2)安裝調壓器后節點1、節點2的電壓、電流的變化量

節點1的電壓、電流變化量為：

(6)

(7)

由式(6)、式(7)可得

ΔU1=-ZL·ΔI1

(8)

節點2與原節點電壓、電流的變化量為：

(9)

(10)

3 不同負荷模型下調壓器的調壓特性

1)負荷為恒功率模型

負荷為恒功率模型時，則調壓器安裝前后，負荷的視在功率P+jQ恒定不變。那么，安裝調壓器后，節點2的調壓器出口電壓調整為目標電壓值UN，則節點1和節點2的電壓、電流變化情況如下。

節點1的電壓、電流變化量為：

ΔU1=-ZL·ΔI1

(11)

(12)

節點2的電壓、電流變化量為：

(13)

(14)

2)負荷為恒阻抗模型

負荷為恒阻抗模型時，則調壓器安裝前后，負荷的視在功率P+jQ會隨調壓器出口電壓的變化而變化，而負載阻抗Zload保持不變。那么，安裝調壓器后，節點2的調壓器出口電壓調整為目標電壓值UN，則節點1和節點2的電壓、電流變化情況如下。

節點1的電壓、電流變化量為：

ΔU1=-ZL·ΔI1

(15)

(16)

節點2的電壓、電流變化量為：

(17)

(18)

4 10 kV調壓器的容量選擇

現有的調壓器標準容量主要有500 kVA、1000 kVA、2000 kVA、3000 kVA、4000 kVA、5000 kVA。調壓器的容量選擇應根據流過調壓器可能出現的最大負荷進行選取。通常流過調壓器可能出現的最大負荷是根據調壓器后端所接的所有配電變壓器容量的總和，再乘以最大負荷下的同時率計算出來的。最大負荷同時率往往需要根據歷史同期負荷運行情況進行確定，是一個經驗性較強的數據。同時，調壓器的容量還應留出一定裕度，以保證近3～5年負荷的自然增長需求。特別情況下，也可取導線的最大載流量作為調壓器的容量計算依據。

5 10 kV調壓器在低電壓治理中的應用

以10 kV走永線線路為例。10 kV走永線主線全長25.8 km，分支線長度為33.1 km,線路總長度為58.9 km,主線型號主要為LGJ-120，線路末端和支線型號主要為LGJ-70和LGJ-50導線，公用變壓器有161臺，專用變壓器數量為66臺，總容量約24 000 kVA，線路配電變壓器平均負載率為23%。

治理前，10 kV走永線161臺公用變壓器中，配電變壓器出口低電壓共107臺，占配電變壓器總數的66.5%，低電壓配電變壓器總容量為11 775 kVA，占配電變壓器總容量的49%。走永線主線桿塔配電變壓器及低電壓配電變壓器分布見圖3。由圖可見，64號桿塔后集中出現大量低電壓配電變壓器，數量為85臺，占低電壓配電變壓器總數的79%。其中64號塔T接了多條支線，掛接在這些支線的配電變壓器中有25臺出現低電壓。

圖3 低電壓配電變壓器分布

由配電網運維管控模塊的數據可知，10 kV走永線大部分低電壓配電變壓器位于主線76號桿之后，同時依據絕大多數低電壓配電變壓器的治理原則，因此可在76號桿前安裝10 kV調壓器。

5.1 調壓器容量選擇

76號桿后端配電變壓器容量為6130 kVA，位于76號桿的永樂3臺區的最低電壓值為196.6 V。根據調壓器的+7%擋位參數，安裝調壓器后，其永樂3臺區的電壓最高可提升至235.4 V,電壓提升了38.8 V，提升了19.7%，折算至高壓側即將10 kV電壓從8.9 kV提升至10.7 kV，提升了1.8 kV。

按配電變壓器平均負載率23%計算，76號桿后端平均負荷為1 409.9 kVA。安裝線路調壓器后，76號桿后端配電變壓器平均負載率將增加43%，又考慮安裝調壓器后負荷會增加及未來3～5年負荷的增長總體估算為30%，則76號桿后端的配電變壓器平均負載率將增加73%，即平均總負荷為2439 kVA。因此，調壓器容量選擇以3000 kVA為宜。

5.2 調壓器的安裝

經現場查勘，結合實際情況，由于線路尾端存在大面積低電壓，結合調壓器調壓能力和現在運輸吊裝情況，選擇在75號與76號桿之間安裝1臺容量為3000 kVA的10 kV三相調壓器，對末端線路進行升壓。

5.3 治理效果評估

1)在76號桿處安裝線路調壓器后，因電壓提升導致的線路電流增量為40.1 A，即10 kV線路最大電流將達350.1 A，夏季最大負載率為116.7%，冬季最大負載率為86.4%。

2)安裝線路調壓器后，由于主線電流增大，76號桿前端電壓將出現明顯降低。以最大負荷情況為例，調壓器輸入側電壓將由8.9 kV降低0.19 kV,折算至配電變壓器低壓側則降低4.2 V。因此，部分原出口電壓在198～202 V間的配電變壓器，在安裝調壓器后其出口電壓低于198 V，形成新增低電壓配電變壓器。

3) 安裝好后調壓器運行正常，調壓器自動升壓功能運行正常。通過查看調壓器后端臺區1月出現低電壓臺區的用戶表計發現，電壓值恢復正常，穩定在220 V左右。持續運行一個月后，由配電網運維管控模塊調出數據發現，安裝調壓器后端出現低電壓的臺區降低為2個，調壓器升壓能力顯著。

6 結 語

上面研究了10 kV線路調壓器的工作原理，建立了帶調壓器的線路等值電路模型，分析了不帶調壓器和帶調壓器兩種情況下的電壓和電流變化情況。同時，研究了不同負荷模型下調壓器的調壓特性，結果顯示恒功率負荷下安裝調壓器后的電壓均較未安裝調壓器前有所提升，而電流較未安裝調壓器前有所降低；恒阻抗負荷下安裝調壓器后調壓器一次側的電壓均較未安裝調壓器前有所降低，而電流較未安裝調壓器前有所升高，二次側的電壓、電流均較未安裝調壓器前有所提升。最后，以10 kV走永線為例，驗證了安裝10 kV調壓器后對線路電壓具有抬升作用。