運用移相器消除農村電網線路角差的可行性研究

徐 科，屈靖潔，江 龍，方 川，汪 源

（國網浙江淳安縣供電有限公司，浙江 淳安 311700）

電網構架的建設與發展需要考慮當地的地理條件和經濟條件等因素，農村電網往往由于其用戶分布分散區域性原因，電網構架薄弱單一，無法較好地滿足電網的N-1 原則[1]。部分配網線路即使架設了鄰近聯絡線路，也存在由于上級電源點不匹配的問題導致聯絡線路存在相位角差而無法合環熱倒。存在相位角差的線路在短時倒負荷停電過程中，極有可能造成風景區電梯、索道短時停運，農居點農產品加工受影響等問題。如何消除線路之間相位角差，實現線路合環熱導不間斷供電是供電公司服務民生迫在眉睫的重要問題[2]。

1 相位角差

1.1 相位角差產生的原因

聯絡線路存在相位角差是由于線路上級電源點的主變聯接組別不匹配所致。在農村區域早期電力規劃過程中，制約于資金和技術的限制，供電可靠性未在初期設計的考慮方案之內。在電網設計規劃階段，變電站的變壓器接線方式往往采用典型的Y/Y/△接線（三圈變）或是Y/△接線（兩圈變）。并且在城鄉交界處，城鎮區域的用電需求相對較高，需要220kV/110kV 的變電站作為支撐，而鄉鎮的用電負荷較低，35kV/10kV 的變電站即可滿足供電要求。因此，這種多電壓等級、單一連接組別形式變壓方式等多方面原因導致了城鄉結合區域的低壓配網線路存在相位角差。具體如圖1 所示，10kV 線路A 經二次變壓，與10kV 線路B 之間產生了30°的相位角差，從而無法開展合環熱倒工作。

1.2 相位角差存在的電網安全隱患

兩條線路不存在相位角差是線路合環的基本要求之一，若在存在相位角差的情況下直接合環，很可能產生很大的合環電流，引起繼電保護裝置誤動作[3]。并且合環時產生的沖擊電流也會影響用戶的電能質量，波動的電壓甚至會造成用電設備損壞。因此，當線路存在相位角差時，必須進行停電倒負荷。當倒負荷過程中出現設備異常，則會造成用戶停電時間延長，無法保證供電可靠性。在實際倒閘操作時，常常會造成風景區電梯、索道短時停運，農戶農產品加工受影響等一系列問題。因此，線路之間存在相位角差，不僅使得現場操作人員存在安全風險，也對電網的穩定性和可靠性存在潛在影響。

2 移相器消除相位角差

2.1 移相器原理

移相變壓器是一種利用電磁感應原理改變電壓相位及幅值的特殊變壓器設備[4]。移相器一般有初級和單個或多個次級繞組，變壓器初級繞組接交流電源，在繞組內流過交變電流產生磁勢，于是在閉合鐵芯中就有交變磁通。次級繞組切割磁力線，在次級就能感應出相同頻率的交流電[5]。通過改變初級繞組的聯結關系和單個或多個次級繞組的聯結關系，可以改變次級繞組的電壓幅值和相位。

2.2 三相三角形延邊移相自耦變壓器

三相三角形延邊移相自耦變壓器利用電磁感應原理，在三相鐵芯柱上分別繞制三組繞組（繞組N1、繞組N2 和繞組N3），不同相上的線圈連接方式如圖2 所示（A相的繞組N1 尾端和繞組N2 首端與B 相的繞組N3 首端和C 相繞組N3 尾端相連，其它繞組連接方式同理），產生的感應電動勢矢量合成兩個電壓矢量三角形（ABC 和abc），這兩個電壓矢量三角形的幅值相同，相位上ABC超前abc 一個角度（∠Aoa）[6]。

如圖2 所示，自耦變壓器磁動勢平衡方程為：

式中F代表三相線圈在負載情況下的磁勢和主變在空載情況下的磁勢、N表示各線圈匝數，I表示通過該線圈中的電流大小。變壓器在空載情況下的電流相對于負載情況可以忽略不計，根據基爾霍夫電流定律可將磁動勢平衡方程推廣為：

根據圖3 可得該移相器的電壓關系方程為：

圖1 相位角差原理圖

圖2 三相三角形延邊移相自耦變壓器接線圖

圖3 三角形延邊移相自耦變壓器電壓矢量圖

式中θ為繞組N1超前繞組N2的角度，即為最終移相器的補償角度。由于繞組結構完全對稱，輸入輸出電壓幅值相等，N1=N2該移相器的變比為：

由此可以推出，移相器補償的角度θ 取決于兩個繞組的匝數：

因此，可以通過改變移相器主次繞組的匝數比，從而改變移相器所補償的相位角差。在存在相位角差的線路間安裝移相器后，當需要進行倒閘操作時，投入移相器，即可消除相位角差，直接進行合環熱倒，減少了短時停電的電網風險和安全風險。

3 經濟損耗與成本比較

相位角差引起的短時倒負荷停電問題在各地的配網線路之間普遍存在。考慮移相器造價以及安裝成本，需進一步考慮存在角差的線路由于停電倒負荷所造成的年經濟損失。以浙江杭州為例，杭州地區存在相位角差線路共有153 條，其中35kV 線路13 條，10kV 線路140 條。該部分線路在進行倒負荷操作時，會造成下送用戶短時停電，引起電能損失，降低供電可靠性。以其中一條35kV 線路為例，計算自2015 年起至今由于倒負荷短時停電所引起的年度損耗量如圖4 所示：

圖4 某35kV 線路近五年冷倒合環損失統計表

由統計數據可得，在實際情況下，考慮操作時差和設備故障等額外因素，一條35kV 線路由于合環倒負荷的年平均操作次數為13.2 次，損失時戶數為17.08 百時戶，損耗電量約為81.67 萬千瓦時，折算為直接電費經濟損失約為43.29 萬元。對比于移相變壓器的造價成本，一條35kV 線路年度停電倒負荷所造成的直接經濟損失基本持平，因此，從經濟角度出發，運用移相器技術消除配網線路相位角差方案可行。

4 結論

本文對基于三相三角形延邊自耦移相器的配網30°相位角差消除方法進行了可行性分析和經濟損耗分析。結論表明，在配網線路加裝移相器，可以運用移相器的功能完美消除相位角差，從而達到不停電合環的目的，大大提高了供電可靠性，減少了時戶數的發生。在綜合考慮經濟成本的情況下，大部分35kV 線路和需要倒負荷、下送重要配網用戶的10kV 線路可以考慮安裝移相器，在確保不停電熱倒的同時，能為社會公共安全保障和工農商業發展帶來巨大的經濟收益與社會效益。