基于快速开关型的10kV线路串联补偿技术应用及效果分析

程治真韦建波韦碧琳张建民杨 波

（1.广西电网有限责任公司河池供电局，广西 河池 547000；2.四方华能电网控制系统有限公司，北京 100085）

基于快速开关型的10kV线路串联补偿技术应用及效果分析

程治真1韦建波1韦碧琳1张建民2杨 波2

（1.广西电网有限责任公司河池供电局，广西 河池 547000；2.四方华能电网控制系统有限公司，北京 100085）

串联补偿技术对于提升配电网线路的传输能力及稳定性有非常重要的作用。本文以广西河池10kV亮山线路的串联补偿技术应用为案例，在论述固定串联补偿技术原理的基础上，分析了10kV亮山线路运行的现状和电压问题，提出了基于快速开关的串联补偿方案，通过选择串联补偿点和确定串联补偿容量，完成了方案的实施。实施效果表明：基于快速开关型的串联补偿方案具有较好的线路末端电压提升能力和线路输送稳定能力，适合在10kV亮山线路中应用。

串联补偿；快速开关；电压质量；输送能力

近年来，我国社会与经济的获得了极大的发展，电能需求随之不断扩大，但电能质量问题始终是国内电网中面临的重要问题之一，电能质量过低所导致的诸多问题严重影响了国内工业生产、通信设备和医疗装置等一些敏感用户的正常使用，甚至会造成严重的社会不良影响。对电能质量而言，电压质量、频率质量和波形质量是其主要的指标，其中电压质量是最重要的指标。在配电网中，电压质量往往是衡量配电网规划和建设质量的重要参数，当前，改善电压质量已经成为了国内电网可持续运行的重要目标。然而，由于我国配电网技术发展相对落后，配电网线路的建设和维护也未被充分重视，再加上越来越庞大的配电网规模，使得国内配电网的电压质量问题凸显，典型的如供电半径问题、配电变压器分布问题、电压偏低或偏高问题等。在这样的背景下，串联补偿技术应运而生，产生于 20世纪 50年代的串联补偿技术已经在我国得到了一定的应用，此类技术能够有效提升配电网线路的传输效率，稳定电网运行，实现对配电网偏高或偏低电压问题的解决。从应用情况来看，串联补偿技术在国内的应用多以500kV及220kV等高压电网为主，在如今快速开关技术等发展的前提下，串联补偿技术在110kV以下中低压配电网的应用已经成为可能。为此，本文选择广西河池 10kV亮山线路为案例，研究其基于快速开关的串联补偿技术应用方案，并分析应用的效果。

1 固定串联补偿技术的基本原理

串联补偿技术是在远距离、高电压输送运行状态下逐步成熟的一项技术。该技术主要借助对电容器的串联，实现对交流输电线路中电抗的补偿。利用串联补偿技术，不但能够实现对输电线路效率的提升，而且能强化电网系统的稳定性，特别是在电能质量改善方面，具有较为明显的效果和优势。

当前，串联补偿技术共分为两类，分别为固定串联补偿技术和可控串联补偿技术。由于可控串联补偿技术具有较高的技术复杂度以及较大的投资需求，使得其在实际应用中的范围并不广泛，只有个别发达国家的变电站中有所应用；固定串联补偿技术则具有比可控串联补偿技术更低的使用成本，更广的使用范围，在世界上已经拥有了50多年的使用历史。

固定串联补偿技术的基本原理如图1所示。

图1 固定串联补偿技术基本原理图

从图1不难看出，固定串联补偿技术中的基本组成包括电容器、MOV、旁路开关、阻尼绕组、触发间隙等，其中电容器是以组的方式存在的，通常由多个电容器串联组成。MOV为某类金属氧化物限压器，具有能够有效吸收能量的功能，由于在串联补偿装置线路中有可能产生相对较大的电流，从而导致电容器组上的过电压过高，为此，需要对电容器组进行保护，MOV的主要作用是对电容器组两端的过电压进行抑制，达到对串联补偿装置中电容器组保护的目标。旁路开关是一种隔离断路器，它的主要作用是对串联电容器组、MOV以及触发间隙的投入及退出提供支撑。阻尼绕组的主要作用是对电容器的放电电流进行一定的限制，实现对串联补偿电容器组、触发间隙、旁路开关由于放电电流异常而产生故障。触发间隙则是为串联补偿电容器组及MOV提供又一层保护的，它在MOV承担的电流或吸收的能量出现超负荷时被触发。

2 广西河池10kV亮山线路串联补偿技术的应用分析

2.1 广西河池10kV亮山线路运行概述

广西河池10KV亮山线路分布在大化县山区，该线路由于受山区地理环境的影响，使得其输送线路过程，配电末端电压相对较低，对末端用电客户造成了一定的影响。广西河池 10kV亮山线路接线模式为单辐射，供电半径相对较长，导线型号较小，所面对的末端客户种类复杂，既有工业用电客户，也有居民用电和农业用电客户。亮山线主线全长13.17km，分支线总长 43.203km，所使用的导线型号全部为LGJ-35。

目前，10kV亮山线路存在着严重的末端用户电压较低的问题，在一些负荷较重的节点，电压损耗现象非常严重。笔者通过对该线路现场多个节点进行负荷接入情况观测，按照功率因数0.9、最大负荷为2051kW、35kV流水站10kV母线电压按照线路的最低电压10.50kV考虑，进行仿真计算后得到10kV亮山线路主干线各主要观测点电压情况见表1。

表1 10kV亮山线路最大负荷时观测点电压情况

观测数据显示（表 1），10kV亮山线路在一些负荷较重的观测点表现出非常严重的电压损失，如观测点 26#、48#、80#与母线电压相比均有较大幅度的下降，其中观测点 26#杆电压与母线电压相比下降了 0.480kV，降幅达到 4.58%，而末端观测点137#杆的电压下降值更为明显，达到1.29kV,降低幅度为 12.33%。这一电压降低值已经明显超过了GB/12325中规定的10kV电网电压正、负偏差绝对值之和不得超过10%的标准，而且从观测点#105杆之后，所有观测点的电压均小于 9.4kV，从而对该片区末端工业用电、居民用电造成极大困扰。

2.2 基于快速开关型的河池10kV亮山线路串联补偿方案设计

鉴于 10kV亮山线路存在的较为严重的电压损耗问题，笔者为其设计一种新型的串联补偿方案，旨在提升该线路的末端电压，降低线路电压损耗，提升线路输送能力。此次设计的串联补偿方案是基于快速开关元件的。

1）快速开关型串联补偿装置分析

快速开关型串联补偿装置是一种基于快速开关元件快速短接功能，从而能够极大的降低串联补偿设备造价的新型装置。此类新型装置可以充分借助快速开关元件的特点，实现很短时间内的电容器与金属氧化物（如氧化锌）的短接，降低金属氧化物与电容器的额定电压，最终实现核心设备成本的降低。此次使用的基于快速开关的固定串联补偿设备原理如图2所示。

图2 基于快速开关型的串联补偿装置原理图

在此类串联补偿装置中，当电容器在运行中系统出现短路时，会使电容器出现电压升高的情况，根据电容器的电压来控制快速开关的合闸，电容器在电流限制的范围内完成短接，在此之前可由金属氧化物快速完成能量吸收，保证电容器过电压处于安全的范围内，这便可以降低电容的容量，减少成本，进行更可靠的控制，促进多点补偿的实现。

2）串联补偿方案中补偿点的选择与分析

本次基于快速开关型 10kV亮山线路的串联补偿方案，需要首先对补偿点进行选择，选择的基本原则同时兼顾便捷与实用的原则，充分结合现场的实际情况，在每条线路中预先通过观测点中进行串连补偿装置的安装，展开仿真分析，获得补偿装置最佳的安装观测点。笔者在本次方案中预选观测点#61，但该点并非是最佳效果的补偿点，最终计算得到的安装点为观测点#53，这两个观测点的距离为0.768km。在仿真分析过程中，可以分别就#61与#53的补偿装置安装效果进行比较分析。以最大负荷率为25%的条件为基础，分别在不同的补偿量情况下，可得到预选点和实际串联补偿装置安装电的补偿效果并不相同，具体见表2和表3。

表2 补偿容抗6Ω时观测点#61的补偿效果

表3 补偿容抗6Ω时观测点#53的补偿效果

从表2与表3的数据不难发现，在最大负荷率相同的情况下，补偿容抗相同时，在观测点#53和#61均能满足后续各观测点的电压均能需求，但在#53处安装补偿装置的效果是更好的，电压损耗更低。

3）串联补偿方案中串补容量的选择与分析

根据选择的串联补偿装置安装点，得到其距离变电站的实际距离为5.09km，结合10kV亮山线的全线感抗值 5.27Ω，可以对该线路串联补偿容量的最佳值进行计算。借助仿真分析，得到在不同串补容量的情况下，每个观测点电压的变化，具体见表4。

表4 不同串补容量的电压分布情况

从表4中不难发现，串补容量越大，末端电压的损耗率越低，补偿效果就越好，但是，在考虑到串补点这一因素的基础上，同时考虑 10kV亮山线路未来负荷的发展因素的基础上，笔者建议选择串补容量为6Ω和10Ω，对应的补偿度分别为113.85%和189.75%。

综上所述，基于快速开关型的 10kV亮山线路串联补偿方案最终选择在观测点#53处安装补偿装置，串补容量可选择6Ω或10Ω。

3 应用效果分析

基于快速开关型的 10kV亮山线路串联补偿方案的设计与应用，不论是对线路末端电压的提升，还是对线路输送能力的提升都是十分明显的，这是本次固定串联补偿方案应用的主要效果，具体分析如下。

3.1 串联补偿方案实施后对线路电压的提升效果

笔者将上述设计的串联补偿方案应用在 10kV亮山线路中，当母线电压为10.5kV，最大负荷率为25%的条件时，通过仿真计算，可以得到串联补偿方案实施前后的线路末端电压提升效果（见表5）。

从表5中不难看出，线路中的末端电压提升效果受串补容量的影响较大，当串补容量为6Ω时，末端电压从 0.22kV 到 0.42kV，最大的提升量为0.42kV；当串补容量为10Ω时，末端电压从0.34V到0.67kV，最大的提升量为0.67kV。

同时，考虑到 10kV亮山线路未来存在的负荷增加的情况，笔者针对该串联补偿方案，仿真计算了未来负荷率为33.5%的条件下，母线电压10.5kV时，该方案实施前后的线路末端电压提升效果（见表6）。

表5 串联补偿方案实施前后的线路末端电压提升效果（最大负荷率=25%）

表6 串联补偿方案实施前后的线路末端电压提升效果（未来负荷率=33.5%）

从表6中不难看出，线路中的末端电压提升效果受串补容量的影响较大，当串补容量为6Ω时，末端电压提升量从 0.32kV到 0.60kV，最大的提升量为0.60kV；当串补容量为10Ω时，末端电压提升量从0.47kV到0.93kV，最大的提升量为0.93kV。

显然，从线路电压的提升效果方面来看，不论是当前负荷还是在未来负荷情况下，通过基于快速开关型的 10kV亮山线路串联补偿方案的补偿效果是满足实际需求的，可以有效解决当前亮山线路末端电压过低的问题。

3.2 串联补偿方案实施后对线路输送能力的提升

基于快速开关型的 10kV线路串联补偿技术和装置，能够降低相同负荷下的负荷电流，这使得该方案的实施除了能够实现线路电压提升之外，还能够有效提升线路的输送能力。笔者以末端电压不低于9.4kV为基本的条件，得出串联补偿方案实施前后的线路输送功率的负荷率见表7。

表7 线路输送能力（串补容量=6Ω）

从表7中发现，实施该串联补偿方案之后，10kV亮山线路的整体输送能力提高了14.03%。因此，可以说，基于快速开关型串联补偿方案的实施，能哦古有效提升线路的输送能力，可以适当打开传统的由于末端电压受限而导致的瓶颈。

此外，在最大负荷率条件下，还可以对串联补偿方案实施前后的线路损耗情况进行比较，结果见表8。

表8 最大负荷率情况下的线路损耗情况（功率因数=0.9，串补容量=6Ω）

根据表8的数据发现，在最大负荷率情况下，串联补偿方案实施前后的线路损耗有着明显的降低。在上述条件下，按照工业用电每度电1元计算，在功率因数在 0.9时最大负荷时节约电量为 55386 kW·h，每年节约资金5.54万元。

4 结论

基于快速开关型的串联补偿技术是一项新型的，具有更高安全性和更好补偿效果的技术。将该技术应用在广西河池大化供电公司 10kV亮山线路中时，不论在正常负荷还是在未来重负荷的情况下，均能实现对线路末端电压的有效提升；同时还在一定程度上能够有效降低线路的损耗，提升线路输送能力。此外，快速开关型串联补偿装置结构简单、安装方便，在提高整个系统稳定性方面的作用也非常明显。可以预见，基于快速开关型串联补偿技术在 10kV亮山线路中的应用，必然会产生更大的经济效益。

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Analysis on the Application of Series Compensation Technology based on the Fast Switch for a 10kV Line

Cheng Zhizhen1Wei Jianbo1Wei Bilin1Zhang Jianmin2Yang Bo2
(1.Hechi Power Supply Bureau,Guangxi Power Grid Co.,Ltd,Hechi,Guangxi 547000；2.Sifang&Huaneng Power System Control Co.,Ltd,Beijing 100085)

The series compensation technology plays an important role to improve the line’s transmission capacity and stability of the distribution network .This paper puts the application of series compensation in 10kV Liangshan line of Hechi area in Guangxi Province as a case,discusses the principle of the fixed series compensation technology,analyses the current situation and problems of 10kV Liangshan line,proposes a series compensation scheme based on fast switch.By selecting the installation location and calculating the series compensation capacity,the plan has been completed.Implementation effect showed that：The series compensation scheme based on fast switching mode has a better ability to improve the terminal voltage and the stability of the transmission line,and is suitable for application in Liangshan 10kV lines.

series compensation；fast switch；voltage quality；transmission capability

程治真（1961-）男，硕士，高级工程师，长期从事配网运行调度工作。