某供電區域“低電壓”治理技術方案

杜嚴行，劉群濤，呂琨璐

（國網寧夏寧東供電公司, 寧夏 銀川 750411）

配電網直接面向用戶供電，提供合格的電壓質量顯得尤為重要，隨著社會經濟的不斷發展與進步，用戶對供電電壓質量要求也越來越高，設備對電壓質量的敏感性逐漸增強，尤其是一些生產過程或產品具有“高、精、尖”特征的用戶。

1 “低電壓”現象及原因分析

某區域地負荷主要通過電網末端35 kV 李家寨變電站的10 kV 雙堆子線及張記梁線供電，兩條線路均為單輻射狀線路，供電半徑平均長達27 km。10 kV 雙堆子線全長53.87 km，其中主干線線長6.11 km，線徑為LGJ-120。各分支長為47.76 km，線徑為 JKLGYJ-95、JKLGYJ-50、LGJ-120 和 LGJ-35裸導線，最遠供電線路為伊澇灣四隊支線，供電半徑為24.605 km。10 kV 張記梁線全長70.84 km，其中主干線線長5.08 km，線徑為JKLGYJ-185，各分支長為65.76 km，線徑為JKLYJ-95、JKLYJ-50、LGJ-70和LGJ-35裸導線，最遠供電線路為伊澇灣四隊支線，供電半徑為30.38 km。隨著土地確權流轉政策的執行和精準扶貧實施，該地區主要經濟導向為大力發展為農牧業，農民大規模返鄉開荒種地，導致用電負荷主要為電機性質的機井灌溉負荷，每到夏季灌溉期及干旱季節，大致每年5—10 月，該地區農民不間斷抽水灌溉，導致配電變壓器重載或過載運行，由于負荷重且居民居住較分散，某口機井距離較遠，平均間距1 km，導致該地區雙堆子、郭記溝等70 個配變變臺在該時間段內存在“低電壓”問題，排灌期過后電壓恢復正常。另一方面，由于地處干旱地帶，由于夏季農業用水需求，當地農民無序打井或者更換電機增容，排灌負荷呈現井噴式增長，使“低電壓”現象再一次加劇。

按照“低電壓”分類標準[1]，該地區“低電壓”屬于季節性“低電壓”；結合配電網運行實際，在李家寨變電站內采取主變調檔或者投電容器進行無功補償調壓措施，即使將10 kV 母線電壓提升至10.5 kV，兩條線路末端依然會出現“低電壓”，嚴重影響所供區域居民的生產生活。按照“低電壓”的發生位置，該“低電壓”屬于10 kV 線路末端及配變臺區“低電壓”。地區電網結構薄弱、供電半徑大且季節性灌溉負荷重是導致產生“低電壓”的實際原因。

2 治理技術方案及其選擇

2.1 新建變電站

新建變電站，提供電源支撐是改善配電網供電電壓水平的一種方案，其本質原理是通過建設新的供電電源點，有效縮短供電半徑以改善供電電壓，但是該方案投資成本巨大，建設周期長，受電力系統規劃約束限制條件較多，適應性較差。該供電區域處在寧陜交界且位于哈巴湖國家級自然保護區內，受國家自然保護區有關法律法規及國家自然環境有關保護政策影響與限制，該供電地區無法實施通過新建35 kV變電站電源布點來縮短10 kV線路供電半徑達到改善配電線路“低電壓”的想法或計劃。

2.2 線路安裝調壓器

目前安裝較為廣泛的是SVR 饋線自動調壓器，調壓器本體采用三相自耦式變壓器，是一種通過跟蹤線路電壓變化，自動調節自耦變壓器變比來保證輸出電壓穩定的裝置[2-4]。本體自耦變壓器的串勵線圈是一個有多個抽頭的繞組，這些抽頭通過有載分接開關的不同接點串聯在輸入輸出之間，改變分接位置，從而改變自耦變壓器變比，達到調整電壓的目的。基于該調壓技術方案，供電所也在兩條10 kV“低電壓”配網線路安裝了該型調壓器，投資大，效果不是很明顯，治標不治本；同時調壓器安裝容量有限，實際分接開關頻繁動作，可靠性變差，調節速度響應慢，未達到有效治理供電區域“低電壓”的目的。

2.3 安裝分散式10 kV線路柱上無功補償裝置

該技術方案是采用無功優化算法，將一定容量的高壓無功補償裝置（C、SVC、SVG）分散安裝在供電線路距離遠、負荷重、功率因數低的10 kV架空線路上的適當位置[5]，依靠無功補償裝置自動控制系統或人工手動進行控制，經過控制系統發出需要補償的無功，進行線路調壓，其本質上屬于無功功率補償調壓。其優點是能實時補償配電線路所需無功，但是一方面由于安裝設備多且分散，造成配電網結構復雜化，維護及檢修工作量增加，投資也不少，同時采取自動化控制，對于通信、設備可靠性要求苛刻；另一方面，采取此種方案會對線路上一些輕載的臺區線損有所影響。

2.4 采用傳統固定串補技術

圖1 配電線路串聯補償電容器簡圖

如圖1 所示，若忽略電壓降落橫分量的影響，線路電壓損耗可計算表示為：

從式（1）中可以看出，只要選擇恰當，使電容器容抗值接近線路的感抗值時，線路電壓損耗就很小，由U=Us-ΔU可知，母線節點2 處電壓變化也就相應很小，達到調壓作用。由技術原理可知，串聯補償電容具有縮短電氣距離，隨負荷變化自適應補償特點，串聯補償是抵消一部分線路電感，在效果上相當于為負荷提供一個電壓特性很穩定的電壓源，這就是串聯補償電容調壓的最大優勢。

傳統串補技術，改變了系統的網絡參數，若參數選擇不當可能會與系統感性參數發生系統諧振，因此上串聯電容器的容值選擇比較關鍵，另外串聯固定電容差不利于線路負荷發展裕量的需要，若負荷發展迅速，容量又要重新核定，安裝更換帶來不便。

2.5 配電可控串補技術[5]

配電網可控串補技術實質是由固定串補技術的發展而來，其容量補償容量可調節，該型裝置主要由電容器組、晶閘管開關與旁路接觸器及保護系統、量測系統、無線通信系統等組成。近些年還出現了快速開關型串聯補償裝置[6]，配電線路可控串聯補償裝置結構圖如圖2所示。

圖2 配電線路可控串聯補償裝置結構圖

配電可控串補裝置適應了配電線路負荷發展的需要，真正做到了補償“自適應”。配網可控串補裝置具有旁路功能、無線通信功能，電容器阻抗保護功能，同時充分考慮了對配電網繼電保護的影響，不會對線路參數造成影響，他在工作時線路保護判據尚未開始判斷，也不會對原有線路保護的判斷和動作產生影響，響應速度快，靈敏度高，可靠性較高。

3 關鍵技術問題探討

3.1 安裝位置的選擇

可控串補工程應用的第一個問題就是安裝位置的選擇。配電線路長，分支多，負荷分布不均，只有安裝位置科學合理，串補的補償作用才能得到最大發揮，治理“低電壓”的效果才能明顯體現。

就一條配電線路而言，串補安裝位置既不能太靠近線路前端，也不能太靠近線路末端。要以滿足各點電壓值為基本出發點，一般的選擇原則為：若負荷集中在電力線路末端時，串補應裝在末端；若電力線路沿線有若干個負荷，可將串補安裝在串補前其電壓損耗為線路總電壓損耗的1/2位置處[7]。

以李家寨變電站10 kV 張記梁線為例，該條線路長度為61.555 km，負荷都集中在線路末端，故串補裝置應該安裝在線路靠近負荷側，擬安裝在139號桿處。

3.2 補償度的選擇

定義補償度kb為串補裝置的容抗值XC與被補償配電線路原本感抗值XL之比，表示為：

將式（2）代入文中式（1）中可得

由式（3）可知，合理增大補償度可有效減少線路壓降，使串補效果更加明顯。應用在配電網中以調壓為目的的串補，實際工程應用中補償度接近于1或者大于1，一般選擇在1～4之間[8]。

3.3 容量的選擇

按照圖1 所示串補電氣簡圖及網絡電壓分析，可得串補電容器的容抗的精確計算式[9]，進而可以推導出串補的電容器容量選擇精確計算公式為式(4)所示，從而可以得到電容值如式（5）所示。

假設m、n分別為每相電容器組并聯的串數和串聯的個數，如圖3 所示；每個電容器的額定容量為QNC，每個電容器的額定電壓為UNC，額定電流為INC，通過電容器組的最大工作電流為IC.max，則有：

圖3 串補電容器組簡圖

通過式（4）～（8）可以進行串補參數選擇。

3.4 工程應用注意事項

串補工作時，線路中串聯了一定容值的電容，若滿足f =1(2π LC)，就會出現諧振問題，影響配電網的安全穩定運行，因此上應切實考慮串補電容與系統電感發生諧振問題，文獻[10]指出，串補裝置引起的諧振頻率一般在次同步或者超同步頻率附近，因此上應采取適當措施進行避免。文獻[11]給出了異步電機自激、帶空載變壓器合閘與串補引起參數諧振的有關措施，值得參考。

4 結束語

用戶對供電電壓的需求亟待從管理及技術層面采取手段治理配電網“低電壓”問題。本文通過分析某供電區域“低電壓”問題，從技術層面比較深入探討了“低電壓”治理技術方案，選擇了基于可控串補的技術方案，分析了串聯的安裝位置的選擇、串補補償度選擇、串補容量選擇及參數設計、工程應用注意事項等關鍵技術，為治理“低電壓”問題技術的工程實用化提供了參考。