10kV配電網二次系統電源配置

王世平 張運龍 蔡文輝 曾杰 王家華

（云南電網有限責任公司昆明供電局）

0 引言

能源工業是我國國民經濟發展的重要基礎，對節約用能起到舉足輕重的作用。通過對配電網絡的改造，不僅能夠達到國家的節能降耗指標，而且能夠改善企業的整體效益。本文就10 kV配電網絡存在的問題進行了探討，探討了10kV配電網絡的節約能源措施。

1 配網二次電源配置現狀概述

目前，10kV開關場和開關場二次系統有交流供電和直流供電兩種方案，一般采用直流電源，通過整流裝置配置電池。交流電源的配置一般有兩種方式：低壓側電源和從低壓電源中取出變壓器。由于設備投資成本和對直流系統的專業維護要求，大多數配電盤都不能配備直流電源。所以，在上述電廠中，主、副兩級都是由 AC電源來實現的。當前配電系統中，大部分二次供電都是從變電站進行的。大部 分的分配電路都是利用電機二次繞組的輸出，再由一個小的變壓器把它轉變成220V的 AC，僅有幾個關鍵的切換采用了DC供電。

特別是設置值不夠。110kV火力發電廠或10kV火力發電廠由負載管理站輸送，其電力供應距離為1/2以上。按照相對負載的分布情況，10 kV配電網絡的供電范圍為1500～4000km，低電壓的輸電線路為150～400m，超出此區間不但會增大線損，也無法保障電力的品質。施工忽略了實際，一味地跟隨潮流，只管電壓的穩定性，使變壓器數量多，繞線，增加工程投資，造成電能損耗。輸電線路的斷面選取不科學，主要有線徑小、線電阻大、線損與電阻之間的較大等形態，難以對工作電壓進行有效調控和運行電壓偏小。在同等負荷的情況下，工作電壓略低于額定值，則負荷電流增大，從而導致損失增大。隨著電源因子cosφ的降低，配電系統的電壓、電路容量也隨之增大，從而使電力系統的線路和電力系統的損失增大。三相負荷不合理會導致電力系統中的輸電線路及變壓器的損失增大，而在低電壓端負荷均衡時，三相負荷也會得到均衡，而三相負荷則會在較高電壓端得到體現。如果出現重大的事故，高壓線路的電力損失將達到原來的12.5%。變壓器的損失是負荷損失，在所有條件下，其工作電壓基本上保持不變，也就是說，全負荷損失是不變的。通常情況下，線路負荷損失與變壓器負荷電流的平方成正比關系，三相負荷失衡會使其損失增大。通過多個資料的統計，發現三相負荷失衡情況下，三相負荷非均衡狀態下，其損失是三個典型的三相負荷損失。另外，由于負載特性不穩定，當負載超過某一時段，將導致更大的變壓器容量，從而導致電力設備投資的成本和電力消耗。由此，變壓器的負載損耗會在不同的運行模式下發生變化，例如，在變壓器、電能表等計量檢定裝置的更新、拆除或重新裝備過程中，不計算能耗，數據信息缺失時出現估計情況，指示的能耗不計入下一輪統計。在電力工人的日常工作中，抄表方式不同，漏抄表、預抄表或不抄表，都會導致很多施工空白。儀表安裝順序不合理容易偷電，有的家庭調整電表的接線方式，改變量規，導致電表出現誤差。此外，部分地區電網布局不合理，電網結構差，致使電網建設進展緩慢，自動供電效率低下[1]。

2 10kV配電網的管理現狀

（1）配電變壓器的問題

配電網中將存在無法比擬的線性損耗，線路損耗不僅能直觀地體現出職工的工作能力，而且還能作為一個企業發展的關鍵因素。要做好直線虧損的治理，就必須通過優化企業的外部過程來提高企業的經營效益。目前，國內一些地方的電力系統已經無法適應電力負荷的要求，從而造成電力系統的資源浪費。另外，由于電能表的安裝損耗比較大，使得測量精度降低。

（2）配電網管理不到位

通過對10kV配網管理現狀的分析，發現部分配網設備的配置和管理并不理想。此外，在檢查配電設備時，人員的維護方法相對落后，無法準確檢測配電網絡中的問題，不及時修復會增加故障的概率。由此，還存在一些經濟技術問題，配網設備的使用壽命比較長，耗電量沒有減少。而且，如果員工不仔細抄表，還會出現未知的用電問題。

（3）無功補償力度投入欠缺

目前國內各供電公司對配電網絡缺乏統一的補償裝置，導致了系統的無功損失增大，從而影響了系統的穩定。通過對一些變電所進行的調研，發現一些變電所存在的問題，其原因在于電容容量過大，無法將其全部的能量讓渡到裝置自身，從而導致了對電力系統的資源消耗。另外，在減少投資回報率方面，還需投入一定的資金和時間[2]。

3 直流電源配置

為了確保10 kV重要的開關變電所的安全運行，通常使用斷路器、直流控制系統、獨立整流設備和電池組來進行實時充電，直流系統在斷路器斷電后斷電。內置充電板及蓄電池屏風，雙路AC輸入開關，兩路AC輸入端均有電氣互鎖，確保了充電器屏幕的選擇性供電。在一個AC斷電時，另外的AC輸入會被自動地利用，在AC的兩個輸入端斷開，則停止充電，電池為裝置和運行供電。為了確保避免一次設備發生故障，不會對整部設備造成任何的干擾。為了達到對電池進行實時監視和自動化的目的，需要確保直流電源能夠在正常和浮動兩種狀態下進行任意的轉換，并且對充電技術的各項指標進行實時的監視。整個電網的DC、蓄電池的組態，不僅投入巨大，還需要專業的維修和費用，而且由于實際的配電網運維人員的職業素養等諸多原因，使得其運營狀態不容樂觀[3]。

4 交流電源配置

（1）低壓側外引電源

不能供應 AC電力，所以配送站和貨盤不能正常工作。為了確保對站場的控制系統的電力供應，采用了采用外接的電纜進行直流輸電。電力輸送后，由一根饋線連接到低壓配電箱。10 kV高壓箱次回路一般都是由外部DC電源來提供，而不會對其進行操作和保護。

（2）互感器抽取低壓電源

在分配和傳輸現場結束后，100V的變電站和被控制的電源可以從變壓器柜或電機中移除。為了確保計量精確、避免漏電，許多站點及所需要的計量柜均設有獨立的專用計量電機，而電機則采用獨立的二次繞組，并配有鉛密封。因此，可在進線柜內設置一臺進線電機，并使用兩個轉換率為10/0.1/0.1的次級線圈和一個0.2min電平的線圈作為進線功率監控器，精確度為0.5度繞組，作為控制電源繪制。如果需要220V交流電，產生220V次級電壓的次級繞組可以通過小型變壓器轉換[4]。

5 嵌入式壁掛電源系統

嵌入式供電系統是目前正在應用和推廣的新型供電系統之一，原理與一般直流電源系統基本相同，只是電池容量比較小，220V系統一般為38A，110V系統一般為65A。一般為一體化設計，由配電箱和電池箱組成，配電箱是心臟，負責管理電池充放電和電路電源。交流輸入采用電機二次線圈交流輸出，可自動切換市電交流電源，該系統不僅具有直流電力系統的安全可靠，而且可采用嵌入式安裝方式，結構簡單，維護方便，適用于帶開關電纜的分箱、智能開閉、智能箱式變電站、環網柜和其他地方[5]。主要缺點是電池容量小，可能導致電池操作和維護不當，當供電系統出現故障時，表示電池無法正常供電。

6 全系統直流微斷分級配置

控制電源和保護電源的直流供電電路應采用獨立的直流開路電源供電，各保護電源、自動儀表電源和控制電路電源開路電源的安全數量應予以規定。為防止開路直流電路（直流熔斷器）誤動作引起的擴容事故，應注意在安裝直流主輸出電路和用熔斷器進行直流切換時，熔斷器必須分相分布，分步協調。在直流段上安裝微型氣動開關時，保險絲應與微型氣動開關相配合；當將小型的空氣切換器置于DC和DC分支時，一定要保證有一個較低的氣壓切換。氣閘可選擇性地配合，保險絲不能與上一次DC斷路器相連接，DC回路的空氣切換只具備DC的特點，而應該優先使用同一工廠和站點的自動空氣切換。新建、擴建、技改工程均需配備自動氣閘，并逐步取代保險絲的DC線路。若將原有的DC保險絲替換成無發熱的微型氣閘，并具備一定的截斷DC負荷的容量，則其工作電流的最大值為1.5～2.0。

與斷路器相配的原理：當 LG的開關連接時，多個斷路器是通過一套保護設備和兩個不同的復式斷路器來進行的，每個斷路器的工作線路應該通過一個專門的空氣開關（DC保險絲）來驅動，而保護設備的DC線路應該是通過一個專門的電源來提供DC-空氣切換（DC保險絲）。該系統需要另外一套DC空氣切換（DC），若有兩套絕緣線圈，每一次短路都需要使用一個專門的氣動開關（DC保險絲）。保護原理：每個單獨的保護設備，每個終端都要特別地為DC/DC/DC保險絲（DC保險絲）供電，所有的DC保護線路都應該包含短路保護的繞組回路，只有在反向端子上才能得到正、負DC供電，其他獨立保護的線路，如短路保護，均不能接受來自其他獨立保護端子對的正、負DC供電。若一套單獨的保護繼電器及線路被分開放置于不同的開關箱，也應由相同的指定接線端提供。兩套保護性設備的DC邏輯線路通過各種保險絲或不同的特殊終端而沒有電氣連接。如果需要的話，它應該被彈出一個空的連接點。

7 新型電源系統研究概述

使用直流系統和電池配置時，成本高，經濟性差。如果電池的運行和維護條件較差，當供電系統出現故障時，電池可能無法正常向二次系統供電。目前大多采用交流電源配置方案，但在這種配置中，配電系統失電后，所有二次系統都會失電，所有保護都不起作用，因此需要對電源系統進行改進。電容儲能可用于無縫提供備用電源，當電流丟失時，電容器由放電過程觸發[6]。但是，使用帶有電容儲能的開關電源作為備用電源的最大問題是其工作容量受限于電容。隨著材料科學的發展，一種新型的儲能元件超級電容器逐漸發展起來，其容量可以達到法拉第級別甚至數千法拉第，它是在電池和傳統電容器之間儲存能量的元件。冷凝器系統中沒有絕緣體，為了達到電化學平衡，電荷在電極和電解質界面之間自動分配，形成陰陽離子界面，從而達到節能的目的。由于極板為活性炭，有效表面積大，可以獲得較大的比電容，適用于短時間大電流放電。

如果超級電容器可以作為保護裝置的開關電源的儲能元件，那么這種供電系統應該是配電二次系統更好的供電選擇，它主要由AC-DC轉換器、升壓轉換器、保護電路和超級電容組成。正常工作時，單相交流電經過AC-DC變換器后，直流輸出電壓滿足要求，一部分經過Buck-Boost變換器，為設備各部件提供恒定的直流電源。另一部分為超級電容器充電以補償泄漏損失，同時保持電壓穩定。當交流電正常啟動時，AC-DC轉換器為超級電容器充電。當電量超過低壓保護值時，變壓器開始工作，為二次系統供電。在一定電壓下充電時，超級電容處于浮空狀態。在充電過程中，AC-DC轉換器的輸出電壓隨著超級電容的增加而緩慢上升，但由于備用批量轉換器的調整，仍然可以為保護裝置提供穩定的輸出電壓。當交流電失電時，超級電容開始放電，通過Buck-Boost變換器為二次系統提供穩定的輸出電壓，實現二次系統的不間斷供電。當超級電容器電壓下降到設定的低壓保護值時，系統通過低壓保護電路停止向配電網二次系統供電，并發出開關管和降壓變壓器的信號[5]。新開關電源系統的組成如下圖所示。

圖 新開關電源系統的組成

8 結束語

目前，10kV配電網二次供電系統的配置方案較多。新型電源系統采用超級電容作為保護裝置開關電源的儲能元件，具有電容儲能的電源在失去正常供電后，可以滿足保護、操作和通信設備的需要，實現不間斷供電，能滿足停電后預期時間的要求，滿足一定的電氣性能指標要求。超級電容器在電源系統中的應用會根據負載的大小和重要性產生不同的解決方案，這些方案的合理選擇，可以解決電池給電力系統帶來的環保、維護、使用壽命等問題，提高電力系統的可靠性、可維護性和可用性。隨著超級電容器的不斷發展，新型電力系統將在電力系統中得到廣泛應用。