10 kV線路調(diào)壓器在低電壓治理中的應(yīng)用

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司涼山供電公司，四川 涼山 615050)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及全面建成小康社會(huì)目標(biāo)的推進(jìn)，家用及農(nóng)用電器在農(nóng)村越來(lái)越普及，農(nóng)村用電負(fù)荷顯著增長(zhǎng)。然而農(nóng)村電網(wǎng)基礎(chǔ)薄，電網(wǎng)投資建設(shè)區(qū)域不平衡現(xiàn)象嚴(yán)重，供電半徑長(zhǎng)、導(dǎo)線截面小、線路末端負(fù)荷重等問(wèn)題仍十分突出[1-2]，部分村社長(zhǎng)期受“低電壓”影響，造成家用及農(nóng)用電器無(wú)法正常工作。

針對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)“低電壓”問(wèn)題，目前的解決措施大致分為3類(lèi)：優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、調(diào)整變壓器擋位、補(bǔ)償措施。其中，優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要是從增加電源布點(diǎn)、改接負(fù)荷、增加導(dǎo)線截面等方面解決“低電壓”問(wèn)題，也是從根本上解決“低電壓”問(wèn)題最有效的措施；但投資巨大、周期長(zhǎng)、成效慢。調(diào)整變壓器擋位，目的是調(diào)整10 kV母線電壓；但10 kV電壓可調(diào)整范圍有限，對(duì)于供電半徑過(guò)長(zhǎng)引起的“低電壓”問(wèn)題成效甚微。補(bǔ)償措施又分為無(wú)功補(bǔ)償和電壓補(bǔ)償，無(wú)功補(bǔ)償針對(duì)無(wú)功負(fù)荷過(guò)大的線路有一定的效果，電壓補(bǔ)償是通過(guò)加裝調(diào)壓器將電壓抬升到設(shè)定值[3-6]，對(duì)于解決農(nóng)村電網(wǎng)“低電壓”問(wèn)題成效明顯且工程造價(jià)較低，近年來(lái)在農(nóng)村電網(wǎng)中大量應(yīng)用。

然而，電壓補(bǔ)償中的調(diào)壓器在應(yīng)用中仍然存在以下問(wèn)題：1)未經(jīng)安裝位置選點(diǎn)計(jì)算，造成調(diào)壓器未能發(fā)揮最大效益[8-9]；2)部分人員不掌握調(diào)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(diào)壓器在現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用難題，摸清安裝調(diào)壓器前后電壓和電流變化規(guī)律顯得尤為必要。

下面針對(duì)10 kV調(diào)壓器在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用問(wèn)題，通過(guò)分析調(diào)壓器工作原理,建立帶10 kV調(diào)壓器的配電線路等值電路，開(kāi)展了調(diào)壓器在10 kV線路中的理論計(jì)算，并結(jié)合農(nóng)村線路實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)壓器的安裝效果驗(yàn)證。

1 10 kV調(diào)壓器的工作原理

10 kV調(diào)壓器屬于三相自耦式變壓器的一種，主要由并勵(lì)線圈、串勵(lì)線圈和控制線圈組成，如圖1所示。并勵(lì)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(chǎng)；串勵(lì)線圈有多個(gè)抽頭，通過(guò)有載分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)所需連接的抽頭，改變自耦變壓器的變比，以實(shí)現(xiàn)改變輸出電壓的目的。控制線圈繞制于并勵(lì)線圈上，主要作用是為調(diào)壓器控制電路提供工作電源和采樣信號(hào)。

圖1 10 kV調(diào)壓器工作原理

10 kV調(diào)壓器具備自動(dòng)調(diào)壓功能，該功能是自動(dòng)控制電路實(shí)現(xiàn)的。它主要是把采集的輸出電壓與設(shè)定值進(jìn)行比較，并且達(dá)到一定動(dòng)作時(shí)間后，再發(fā)出對(duì)有載分接開(kāi)關(guān)的擋位調(diào)節(jié)指令。有載分接開(kāi)關(guān)一般常用的有7擋位和9擋位。自動(dòng)控制電路發(fā)出升擋或降擋的指令后，有載分接開(kāi)關(guān)切換連接在串勵(lì)線圈上的抽頭位置，改變自耦變壓器的變比實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓。

2 帶10 kV調(diào)壓器的配電線路等值電路

為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)10 kV調(diào)壓器為理想的自耦變壓器，線路負(fù)荷集中在10 kV調(diào)壓器后，則帶10 kV調(diào)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(diào)壓器(變比為k∶1)，負(fù)荷Zload的視在功率為P+jQ。未安裝調(diào)壓器時(shí)，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的電壓相等、電流相等。

圖2 帶10 kV調(diào)壓器的配電線路等值電路

1)安裝調(diào)壓器后節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2的電壓、電流關(guān)系

節(jié)點(diǎn)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(diào)壓器后節(jié)點(diǎn)1處的電壓、電流；U2、I2分別為安裝調(diào)壓器后節(jié)點(diǎn)2處的電壓、電流。

節(jié)點(diǎn)2的電壓、電流為：

U2=I2·Zload

(4)

(5)

2)安裝調(diào)壓器后節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2的電壓、電流的變化量

節(jié)點(diǎn)1的電壓、電流變化量為：

(6)

(7)

由式(6)、式(7)可得

ΔU1=-ZL·ΔI1

(8)

節(jié)點(diǎn)2與原節(jié)點(diǎn)電壓、電流的變化量為：

(9)

(10)

3 不同負(fù)荷模型下調(diào)壓器的調(diào)壓特性

1)負(fù)荷為恒功率模型

負(fù)荷為恒功率模型時(shí)，則調(diào)壓器安裝前后，負(fù)荷的視在功率P+jQ恒定不變。那么，安裝調(diào)壓器后，節(jié)點(diǎn)2的調(diào)壓器出口電壓調(diào)整為目標(biāo)電壓值UN，則節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的電壓、電流變化情況如下。

節(jié)點(diǎn)1的電壓、電流變化量為：

ΔU1=-ZL·ΔI1

(11)

(12)

節(jié)點(diǎn)2的電壓、電流變化量為：

(13)

(14)

2)負(fù)荷為恒阻抗模型

負(fù)荷為恒阻抗模型時(shí)，則調(diào)壓器安裝前后，負(fù)荷的視在功率P+jQ會(huì)隨調(diào)壓器出口電壓的變化而變化，而負(fù)載阻抗Zload保持不變。那么，安裝調(diào)壓器后，節(jié)點(diǎn)2的調(diào)壓器出口電壓調(diào)整為目標(biāo)電壓值UN，則節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的電壓、電流變化情況如下。

節(jié)點(diǎn)1的電壓、電流變化量為：

ΔU1=-ZL·ΔI1

(15)

(16)

節(jié)點(diǎn)2的電壓、電流變化量為：

(17)

(18)

4 10 kV調(diào)壓器的容量選擇

現(xiàn)有的調(diào)壓器標(biāo)準(zhǔn)容量主要有500 kVA、1000 kVA、2000 kVA、3000 kVA、4000 kVA、5000 kVA。調(diào)壓器的容量選擇應(yīng)根據(jù)流過(guò)調(diào)壓器可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷進(jìn)行選取。通常流過(guò)調(diào)壓器可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷是根據(jù)調(diào)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(fù)荷下的同時(shí)率計(jì)算出來(lái)的。最大負(fù)荷同時(shí)率往往需要根據(jù)歷史同期負(fù)荷運(yùn)行情況進(jìn)行確定，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，調(diào)壓器的容量還應(yīng)留出一定裕度，以保證近3～5年負(fù)荷的自然增長(zhǎng)需求。特別情況下，也可取導(dǎo)線的最大載流量作為調(diào)壓器的容量計(jì)算依據(jù)。

5 10 kV調(diào)壓器在低電壓治理中的應(yīng)用

以10 kV走永線線路為例。10 kV走永線主線全長(zhǎng)25.8 km，分支線長(zhǎng)度為33.1 km,線路總長(zhǎng)度為58.9 km,主線型號(hào)主要為L(zhǎng)GJ-120，線路末端和支線型號(hào)主要為L(zhǎng)GJ-70和LGJ-50導(dǎo)線，公用變壓器有161臺(tái)，專(zhuān)用變壓器數(shù)量為66臺(tái)，總?cè)萘考s24 000 kVA，線路配電變壓器平均負(fù)載率為23%。

治理前，10 kV走永線161臺(tái)公用變壓器中，配電變壓器出口低電壓共107臺(tái)，占配電變壓器總數(shù)的66.5%，低電壓配電變壓器總?cè)萘繛?1 775 kVA，占配電變壓器總?cè)萘康?9%。走永線主線桿塔配電變壓器及低電壓配電變壓器分布見(jiàn)圖3。由圖可見(jiàn)，64號(hào)桿塔后集中出現(xiàn)大量低電壓配電變壓器，數(shù)量為85臺(tái)，占低電壓配電變壓器總數(shù)的79%。其中64號(hào)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(tái)出現(xiàn)低電壓。

圖3 低電壓配電變壓器分布

由配電網(wǎng)運(yùn)維管控模塊的數(shù)據(jù)可知，10 kV走永線大部分低電壓配電變壓器位于主線76號(hào)桿之后，同時(shí)依據(jù)絕大多數(shù)低電壓配電變壓器的治理原則，因此可在76號(hào)桿前安裝10 kV調(diào)壓器。

5.1 調(diào)壓器容量選擇

76號(hào)桿后端配電變壓器容量為6130 kVA，位于76號(hào)桿的永樂(lè)3臺(tái)區(qū)的最低電壓值為196.6 V。根據(jù)調(diào)壓器的+7%擋位參數(shù)，安裝調(diào)壓器后，其永樂(lè)3臺(tái)區(qū)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(cè)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(fù)載率23%計(jì)算，76號(hào)桿后端平均負(fù)荷為1 409.9 kVA。安裝線路調(diào)壓器后，76號(hào)桿后端配電變壓器平均負(fù)載率將增加43%，又考慮安裝調(diào)壓器后負(fù)荷會(huì)增加及未來(lái)3～5年負(fù)荷的增長(zhǎng)總體估算為30%，則76號(hào)桿后端的配電變壓器平均負(fù)載率將增加73%，即平均總負(fù)荷為2439 kVA。因此，調(diào)壓器容量選擇以3000 kVA為宜。

5.2 調(diào)壓器的安裝

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，結(jié)合實(shí)際情況，由于線路尾端存在大面積低電壓，結(jié)合調(diào)壓器調(diào)壓能力和現(xiàn)在運(yùn)輸?shù)跹b情況，選擇在75號(hào)與76號(hào)桿之間安裝1臺(tái)容量為3000 kVA的10 kV三相調(diào)壓器，對(duì)末端線路進(jìn)行升壓。

5.3 治理效果評(píng)估

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

2)安裝線路調(diào)壓器后，由于主線電流增大，76號(hào)桿前端電壓將出現(xiàn)明顯降低。以最大負(fù)荷情況為例，調(diào)壓器輸入側(cè)電壓將由8.9 kV降低0.19 kV,折算至配電變壓器低壓側(cè)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(diào)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(diào)壓器運(yùn)行正常，調(diào)壓器自動(dòng)升壓功能運(yùn)行正常。通過(guò)查看調(diào)壓器后端臺(tái)區(qū)1月出現(xiàn)低電壓臺(tái)區(qū)的用戶(hù)表計(jì)發(fā)現(xiàn)，電壓值恢復(fù)正常，穩(wěn)定在220 V左右。持續(xù)運(yùn)行一個(gè)月后，由配電網(wǎng)運(yùn)維管控模塊調(diào)出數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，安裝調(diào)壓器后端出現(xiàn)低電壓的臺(tái)區(qū)降低為2個(gè)，調(diào)壓器升壓能力顯著。

6 結(jié) 語(yǔ)

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