快速开关型串联补偿装置在农网低电压治理中的应用研究

宋 阳 张 岩 王大为 张 哲 曲 弘

（国网沈阳供电公司）

快速开关型串联补偿装置在农网低电压治理中的应用研究

宋 阳 张 岩 王大为 张 哲 曲 弘

（国网沈阳供电公司）

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。其次就串补技术中的快速开关型串联补偿装置进行构造解说及工作特性介绍。最后以辽中县供电公司下辖10kV金山线为对象进行串补效果研究。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，值得推广。

串联补偿装置；低电压治理；电压质量；补偿效果

0 引言

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。本文将在研究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]。以上方法的分析：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的线路的电压降，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 无串补设施的10kV线路的等效电路

图中，为馈线首端电压向量，为馈线末端电压向量，RL为馈线电阻值，XL为馈线电抗值，为流经馈线的电流向量，P+jQ为馈线末端的视在功率。该馈线的电气向量逻辑见图2所示。

图2 10kV线路无串补设施时的电气向量图

图中2，φ为负荷功角，θ为线路首端功角。由图2，利用三角知识，可求出馈线首、末端的线电压之差的公式为

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）馈线中增加串补设施（设容抗值为Xc）后的电路等价如图3所示，电路的电气向量图如图4所示。

图3 10kV线路中增添串补设施后的等效电路

图4 10kV线路中增添串补设施后的电气向量图

由式（2）可知：串补设施的增添使得10kV馈线的线路电抗等效值下降，从而促进线路电压的相应抬升，抬升值为。显然，因该抬升值与线路电流大小成正比，因此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，串补技术在10kV线路电压补偿上具有良好的效果[6]。

3 基于快速开关的串补设备介绍

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，为此牵涉到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，以四方华能电网控制系统有限公司的HDSC型产品为代表，如图5所示。

图5 基于快速开关的串补设备结构图

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。设备工作情况阐述：

1）线路正常运行时串补装置的电容器始终处于投入态势。电容器参数依据补偿深度要求合理选定。

2）当线路发生短接故障或其他可能导致线路电流骤升的故障时，电容器两端的电压会因电流的飙升而迅速抬高；采样PT在检测到电容两端电压异常后“通知”控制模块，控制模块经阈值比较后发指令使放电开关合闸，这样电容器就经由限流阻尼器和放电开关放电，避免不必要的损坏。

3）与电容器并联的氧化锌组件由多路串、并联阀片构成(可实现多点动态均能)，其作用是吸收电容器被放电开关短接前的过电压能量，确保电容器两端电压始终处在安全范围内。这样，在完成特定补偿任务前提下，电容器的容量可大幅缩减，一方面降低了设备成本，另一方面也使设备体积得到控制，从而为多点补偿提供便利。

4 应用实例

4.1 案列说明及分析

国网辽中供电公司下辖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金山线的运行特点是供电半径偏大、荷载偏重。2014年度该线路最大电流380A，最大负载率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10kV金山线出现大面积低电压现象的原因主要是：线路的供电半径太大、部分线路的线径偏小等。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过软件计算)。

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。对系统出现短接故障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10kV金山线主干#44加装一台串联电容器补偿装置，该装置的主要参数如下表所示。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。

表 补偿装置的参数选定

图6 10kV金山线在引入串补装置前后的沿线电压分布比对

5 结束语

基于快速开关的串补装置具有结构简单、维护方便、可靠性高、对系统影响小、安装方便、造价低廉等诸多优点，特别将其用于农网“鱼刺”状网络的低电压治理，有着十分显著的效果。

采用串联补偿技术，可做到有低电压提升低电压，无低电压预防低电压，变被动治理为主动预防，应积极推广。

[1]卓谷颖, 江道灼. 改善配电网电压质量的固定串补技术研究[J]. 电力系统保护与控制, 2013,41( 8): 61-67.

[2]赵文忠, 王东平. 串联无功补偿技术在配电网中的应用分析[J]. 低压电器, 2010(5): 37-44.

[3]梁一桥, 吕佳铭. 一种10kV配网智能串联补偿装置及其工程应用[J]. 电网技术, 2014, 38(2): 220-225.

[4]Anderson P M,Farmer R G. 电力系统串联补偿[M]. 北京: 中国电力出版社, 2010.

[5]陈璞, 任勇, 陈可, 等. 10kV配电网串联补偿电容内部故障的诊断方法[J]. 机电工程, 2015, 32(7): 987-990.

[6]郭亮. 配电网低电压原因分析及治理[J]. 江西电力, 2015, 39(2): 57-59, 64.

2017-01-24）