基于快速开关型串联补偿的农网低电压治理研究

宋秀芳

（国网北京通州供电公司，北京 101100）

基于快速开关型串联补偿的农网低电压治理研究

宋秀芳

（国网北京通州供电公司，北京 101100）

随着用电负荷的快速攀升，农网低电压现象日渐凸显。本文首先对各类低电压治理方式进行比较，着重阐述了配电网串联补偿技术的原理，分析该技术的特点和优势；其次介绍串补技术中的快速开关型串联补偿装置的构造及工作特性；最后以某供电公司下辖 10kV金山线为对象，进行快速开关型串补装置低电压治理效果的探讨。结果显示，快速开关型串联补偿装置在解决农网低电压方面的效果十分明显，值得进一步推广。

串联补偿装置；低电压治理；电压质量；补偿效果

对于配电线路，当供电半径增大时，受端电压下降将成为一个突出问题[1]，而采用串联补偿可减小线路电抗，实时改善“鱼刺”状配电线路沿线电压分布，降低配电线路末端的电压下沉幅度，且以上行为具有对负荷的“自适应”[2]。近年来，农网区域的电力负荷呈现连续性的快速增长，使得配网在结构、线径等方面的改造明显跟不上，针对电压质量的各类投诉有了显著跃增。选择合理的低电压治理方案，成为当前配网运维领域的迫切任务。本文在研究 10kV线路串联补偿最新技术基础上，就农网低电压治理展开实践尝试。

1 各类低电压治理方式的比较

针对农网低电压问题，常用的技术措施主要有：调整配变分接头位置、增大导线线径、增加电源点和采用分散式并联无功补偿装置等[3]。对以上方法进行分析：①第一种方法不涉及资金投入，最容易实现，但调节配变分接头需要频繁停电、试验，且作用范围有限（即调节后一般仅对离配变较近的负荷点有效）；②第二种方法不但投入大，而且改造期间的停电时间较久；③第三种方法在当前应用较广，其主要功效是提高功率因数和降低线损，但存在开关动作频繁、响应速度慢、维护量大、使用寿命短以及补偿精度差等问题[4]，同时在电压改善上对线路负载不能自适应（即线路重载时电压提升不明显，线路轻载时电压容易越限）。虽然近几年 SVC，STATCOM 等基于电力电子的无功补偿装备发展迅猛，但因其价格过于昂贵，未能在农网中大规模应用。

除上述措施外，近些年还兴起基于线路中串联电容器的补偿措施，该类措施可改善 10kV辐射状馈线的电压分布，可减小电压跌落幅度以及提升线路输送容量[5]。

2 串补技术改善线路电压特性的原理分析

首先分析不加串补设备的线路的电压降，其次分析有串补设备线路的电压降，将二者进行对比。

1）正常10kV线路（即不加串补电容）的等效电路可用图1来表示。

图1 不加串补装置的10kV线路的等效电路

图2 10kV线路不加串补时的线路向量图

图2中，φ为负荷功角，θ为线路首端功角。由图2的向量图可得，此时线路首、末端的线电压之差为

显然，由式（1）可知，在感性负载下（用户的负载一般呈感性），线路末端电压肯定会低于首端。

2）线路中加入容抗值为XC的电容器后，电路图如图3所示，向量图如图4所示。

图3 加入串补设备后的10kV线路等效电路

图4 加入串补设备后的线路向量图

图4中，θ′为加入串补后线路首端功率因数角。此时线路首、末端线电压之差为

由式（2）可知，串联电容器的加入减小了线路电抗，使线路电压得以抬升，抬升值为显然，因该抬升值与线路电流大小成正比，所以串补技术在改善电压幅值方面是随负荷变化自适应的，即线路负荷大→线路电流大→电压抬升大→线路电压降小，线路负荷轻→线路电流小→电压抬升小→线路电压不会超限。因此，将串补技术应用在10kV线路电压补偿上具有良好的效果[6]。

3 快速开关型串联补偿装置的介绍

串补技术应用的关键是让串联补偿电容器能承受短路时高电压的冲击，为此涉及一系列附加设备的开发。当前，基于 10kV线路串补技术的最前沿设备为快速开关型串联补偿装置，如图5所示。

图5 快速开关型串补装置结构图

由图5可知，该类设备主要由串联补偿电容器、氧化锌组件、限流阻尼器、放电开关、采样 PT以及控制器（图中未画出）等组成。其中，快速开关是核心元件。下面将设备工作情况阐述如下。

1）正常运行时，将补偿电容串联在线路中，根据补偿深度要求合理配置。

2）在串联补偿电容投入运行的条件下系统发生短路时，电容器两端的电压将随着电流的上升而提高，控制模块通过采样 PT检测到电容两端电压升高后控制放电开关合闸，补偿电容器通过限流阻尼器和放电开关放电，放电电流由限流阻尼器限制到允许范围内，将补偿电容完全短接，以避免串联补偿电容导致线路短路电流的明显加大。

3）与电容并联的氧化锌由多路串、并联阀片组成，具备多点动态均能特性，在电容短接前能够迅速吸收过电压的多余能量，确保把电容过电压控制在额定安全范围，电容的容量可以得到极大的缩减，在降低设备成本的同时，设备的体积得到了有效的控制，可以实现在线路中进行多点补偿。

4 应用实例

4.1 案列说明及分析

国网下属某供电公司下辖 10kV金山线主供淡水鱼养殖，主要用电设备为增氧机、投料机、排补水水泵等。10kV金山线的特点是供电半径较长、负荷重。2014年度该线路最大电流为 380A，最大负载率为92%，末端电压最低已达8kV，经常造成养鱼设备无法正常启动，对该线路进行低电压治理迫在眉睫。

供电公司专家经过分析后认为，造成10金山线出现大面积低电压现象的原因主要是，线路供电半径过大、部分线路线径偏小等。鉴于网络结构、元件在短时间得不到改善，并联无功补偿、有载调压等方式存在较大不足，因此，选择某款快速开关型串联补偿装置进行低电压治理。

4.2 方案设计研究

进行 10kV线路串补方案设计，主要关注点为安装点选择、补偿度计算、串补设备元件参数计算等。

1）安装点选择。本案例中，专家们在充分了解线路负荷分布、各线路区间阻抗基础上，初步选定线路#41杆、#44杆、50#杆处为串补设备安装待选处（具体选择哪个杆子需经历软件计算）。

2）补偿度计算。配网线路阻抗的特点是电阻分量大（R/XL一般超50%），因此进行串补的补偿度应大于输电线路串补。设计时需按初定的补偿度进行电压补偿效果验证，并不断反馈式调整直至补偿效果到达预期。

3）串补设备元器件参数计算。就是将线路参数、负荷潮流、串补装置参数整合到一起建模，通过模拟运行效果来调整串补参数，最终完成参数设计。本案例中，对各节点负荷按照恒功率建模，对线路参数及串补参数按照定阻抗建模，并使用 Mathcad软件进行仿真验证。具体步骤为：①串联线路电压分布计算，即输入各类线路参数，根据节点数和支路数，建立节点电压方程，求出串补前后各节点电压、各段线路电流、负荷潮流以及功率因数；②补偿效果仿真分析，即通过程序绘制相关波形，查看补偿效果；③串联电容器组参数计算，即计算确定串联补偿装置的额定电气量参数（电压、容量、每相串并联数、单元电容器的额定参数等）；④系统异常情况下的模拟计算，对系统出现异常导致串补装置保护间隙放电时电容器组两端电压和流过电容器组的电流进行仿真分析，以校核串联电容器的设计参数是否满足需要；⑤阻尼回路参数计算。通过对电容器退出系统运行时放电阻尼效果的仿真分析，确定阻尼回路各元件如阻尼电阻、阻尼电抗等的参数，并对避雷器的参数进行设计计算。

4.3 实际串补效果

在完成各类计算、校核后，供电公司专家经过综合考量，最终确定在10金山线主干#44加装一台串联电容器补偿装置，该装置的主要参数见表 1。补偿前后的效果比对如图6所示。图6说明：①两次测量时间均选择在农忙期间，因该期间最容易出现低电压；②补偿前，#44杆以后的电压直线下降；③补偿后虽然对补偿点前方的电压无抬升，但对补偿点之后的电压抬升效果十分明显。

Study on the Rural Governance Low Voltage Compensation Type based on Fast Switch Series

Song Xiufang
(Tongzhou Power Supply Company,Beijing 101100)

With the rapid rise of the electricity load,power grid low voltage phenomenon increasingly prominent.First of all,the paper compares the different types of low voltage control methods,and emphatically expounds the principle of the series compensation technology of distribution network,analyzes the characteristics and advantages of the technology.Secondly,the construction of the fast switching type series compensation device in series compensation technology is introduced in this paper.Finally a power company under the jurisdiction of Chongwen 10kV line as the object of study of low voltage control effect of fast switching type series compensation device.The results showed that the fast switch type series compensation device in low voltage power to solve the effect is very obvious,it is worthy of further promotion.

series compensation device；low voltage control；voltage quality；compensation effect

表1 补偿装置的参数选定