湯 毅

（廣州供電局有限公司，廣東廣州 511400）

0 引言

對電力系統(tǒng)運(yùn)行的要求是在滿足安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的前提下，盡可能向用戶提供優(yōu)質(zhì)電能，同時(shí)供電企業(yè)追求自身的經(jīng)濟(jì)效益，減小對周圍環(huán)境的損害[1]。隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對供電質(zhì)量的關(guān)注程度越來越高，其中配電網(wǎng)直接與用電用戶相關(guān)聯(lián)，最受關(guān)注的電能質(zhì)量問題是用戶處電壓幅值偏離額定電壓的問題，即所謂電壓偏移的概念[2]。

對于我國的電力系統(tǒng)，常要求35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%；20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%；220 V單相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的+7%，-10%[3]。然而，在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，由于種種客觀存在的原因，往往會出現(xiàn)電網(wǎng)中某個負(fù)荷點(diǎn)或某個局部區(qū)域的電壓偏差超出允許范圍的情況，其原因往往為設(shè)備陳舊、負(fù)荷水平高、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理等。通常改善電壓質(zhì)量常用的措施有[4]：（1）合理選擇變壓器變比；（2）改變線路參數(shù)；（3）改變無功分布；（4）改變電源點(diǎn)電壓。

本文探討的是如何通過更換配電網(wǎng)中輸電線路線型來改變線路參數(shù)，進(jìn)而縮小電壓偏差，改善電壓質(zhì)量。首先分析了改變線路參數(shù)影響電壓降落的機(jī)理，然后探討了同時(shí)改變線路參數(shù)與改變變壓器變比來改善電壓質(zhì)量的可行性，最后通過實(shí)際配電網(wǎng)的算例驗(yàn)證了本文所得出結(jié)論的正確性。

1 更換線型縮小電壓偏差的機(jī)理

圖1給出了一個高度簡化后的配電網(wǎng)示意圖，圖中示出了高中低三個電壓等級的情況，研究的目標(biāo)是如何盡可能降低負(fù)荷處電壓Vt的電壓偏移量（與額定電壓差別的絕對值）。

經(jīng)過簡單的公式推導(dǎo)可得到負(fù)荷電壓幅值的計(jì)算公式如下：

圖1 影響配電網(wǎng)電壓偏移因素示意圖

其中V為中壓電網(wǎng)的額定電壓，常為10.5 kV。從式（1）可見，影響負(fù)荷電壓幅值的因素羅列如下。

（1）電源點(diǎn)電壓

即圖1中的 ||V˙s，通常該數(shù)值無法通過在中低壓配電網(wǎng)中施加措施加以改變，故在進(jìn)行配電網(wǎng)電壓質(zhì)量優(yōu)化的過程中不將其作為可能的措施。

（2）變壓器變比

即圖1中的k1和k2。k1為更高電壓等級（如220 kV或110 kV）降壓到10 kV的降壓變壓器的變比，對其進(jìn)行調(diào)整將影響到整條10 kV饋線的電壓水平，故常在全線電壓偏高或偏低時(shí)進(jìn)行調(diào)整來達(dá)到改善電壓質(zhì)量效果。k2為10 kV降壓到380 V的降壓變壓器的變比，對其進(jìn)行調(diào)整常只影響本臺區(qū)及有限的相鄰區(qū)域的電壓水平，從優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的角度來說更適于用來進(jìn)行局部電壓質(zhì)量的優(yōu)化。

（3）輸電線路和變壓器的阻抗

改變輸電線路或變壓器的阻抗可以控制電壓降落量，進(jìn)而達(dá)到改變負(fù)荷點(diǎn)電壓的目的。然而，通常這兩種設(shè)備的阻抗是很難直接進(jìn)行改變的，只能通過改變設(shè)備型號的辦法來實(shí)現(xiàn)，故相應(yīng)改善電壓質(zhì)量的措施相對來說成本比較高。

通常所說的配網(wǎng)重構(gòu)的策略從某種意義上來說也可以理解成改變了輸電線路的阻抗，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變意味著從所關(guān)心負(fù)荷節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間形成的端口看進(jìn)去，等值的戴維南等效電路入端阻抗發(fā)生了變化。

（4）功率分布

改變電網(wǎng)中傳輸?shù)某绷?，尤其是改變無功功率的傳輸量，對全網(wǎng)的電壓降落都起到重要影響。前文中所述通過在電網(wǎng)中適當(dāng)位置投入并聯(lián)無功功率補(bǔ)償，本質(zhì)上就是一種改變功率在電網(wǎng)中分布的一種非常直接的措施。

本文關(guān)注的是通過改變輸電線路和變壓器的阻抗來改善電能質(zhì)量的問題。改變變壓器的型號通常即為淘汰落后變壓器，將其更換成新型變壓器。這常屬于規(guī)劃層面的問題，需要投資較大，改造的工作量也較大。而更換輸電線路的線徑相對來說容易一些，相對來說更容易作為一種改善電壓質(zhì)量的措施。

眾所周知，導(dǎo)線的截面積越大，同樣材料和長度的總阻抗就越小，傳輸功率造成的電壓降也就越小。因此，為了降低電壓偏低的幅度，可以考慮更換截面積更大的導(dǎo)線。然而，在長度固定的情況下，截面積更大也就意味著所需材料越多，故造價(jià)就越高，同時(shí)施工的難度也加大。因此在考慮通過更換導(dǎo)線型號改善電能質(zhì)量時(shí)需結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮，科學(xué)決策。

2 變壓器分接頭檔位對電壓偏差的影響

圖2考慮一個降壓變壓器及所帶低壓臺區(qū)的情況。為作機(jī)理性的理論推導(dǎo)，將低壓臺區(qū)簡化為一條線路。通過變壓器的功率為P+jQ，高壓側(cè)實(shí)際電壓為V1，歸算到高壓側(cè)的阻抗為RT+jXT。

圖2 降壓變壓器及簡化后低壓臺區(qū)

歸算到高壓側(cè)的變壓器電壓損耗為：

負(fù)荷點(diǎn)電壓為

其中V2N為低壓側(cè)額定電壓，為一常數(shù)，V1t對應(yīng)高壓側(cè)分接頭位置，顯然負(fù)荷點(diǎn)電壓V2與V1t間為減函數(shù)關(guān)系，其示意圖可見圖3。

粗略地說，當(dāng)負(fù)荷輕時(shí)若負(fù)荷點(diǎn)電壓本身已偏高，則調(diào)低變壓器抽頭有助于降低電壓偏移量。若負(fù)荷已經(jīng)很重，則應(yīng)調(diào)高變壓器抽頭來降低電壓偏移量。在實(shí)際電網(wǎng)中負(fù)荷點(diǎn)電壓與變壓器高壓側(cè)母線實(shí)際電壓也是密切相關(guān)的，而該電壓由配電網(wǎng)潮流的實(shí)際情況來確定，無法直接寫出解析的關(guān)系式。故變壓器抽頭位置與電壓偏移間關(guān)系還應(yīng)依據(jù)具體情況來確定。

圖3 變壓器分接頭檔位與電壓偏移間關(guān)系

改變變壓器分接頭檔位不會改變變壓器內(nèi)部電壓損耗的數(shù)值，也不會改變低壓臺區(qū)電壓變化的幅度，僅是把低壓臺區(qū)電壓的取值范圍相對于額定電壓的位置做了適當(dāng)調(diào)整。前文提到的通過更換線路型號降低電壓偏移量的措施有可能收效不顯著，若能與此處提到的改變變壓器分接頭檔位的措施相結(jié)合，則可收到事半功倍的效果。后文的實(shí)際配電網(wǎng)算例驗(yàn)證了這一結(jié)論。

3 實(shí)際案例

考慮廣州地區(qū)某實(shí)際配電饋線的電壓質(zhì)量問題，該饋線的10 kV部分接線圖見圖4。

該饋線的某低壓臺區(qū)存在電壓偏低的現(xiàn)象，若對應(yīng)配電變壓器分接頭處于額定電壓處（10 kV），則電壓最低點(diǎn)偏移量達(dá)到-9.91%。該低壓臺區(qū)的地理接線圖見圖5。

若僅考慮調(diào)整變壓器變比來改變電壓偏移量，得到的結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器分接頭檔位對電壓偏移量的影響

從表1中可見若需將低壓臺區(qū)最大電壓偏移量降到±7%以內(nèi)，需將變壓器分接頭調(diào)整至9.5 kV位置，這就要求變壓器具有充足的分接頭檔位。若按通常2.5%一個檔位計(jì)算，此變壓器至少應(yīng)有5個分接頭檔位（-5.0%，-2.5%，0%，2.5%，5.0%），在中低壓配電網(wǎng)中不一定始終可以滿足。

圖4 某實(shí)際饋線的10kV接線圖5 某低壓臺區(qū)地理接線圖

圖5 所示的低壓臺區(qū)中基本為一放射型網(wǎng)絡(luò)，即負(fù)荷節(jié)點(diǎn)直接與降壓變壓器低壓母線出口相連。在此情況下，為改善電壓最低點(diǎn)電能質(zhì)量，可以考慮更換電源點(diǎn)到該負(fù)荷點(diǎn)間的輸電線路型號。本例中待研究的線路原為120 mm2截面積，中列出了變壓器分接頭處于10 kV位置時(shí)增大導(dǎo)線截面積對該點(diǎn)電壓偏移量的影響。

圖4 某實(shí)際饋線的10kV接線圖5 某低壓臺區(qū)地理接線圖

表2表明若僅考慮更換導(dǎo)線型號的措施，需將導(dǎo)線截面積增大為原來的2倍（240 mm2）才能將末端負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓偏移量降低到±7%以內(nèi)，這顯然是極不經(jīng)濟(jì)的，在工程實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)。

表2 變壓器分接頭為10 kV時(shí)更換線型的效果

若同時(shí)考慮調(diào)整變壓器變比和更換導(dǎo)線型號的措施，所得結(jié)果大為改善。例如若將變壓器運(yùn)行的分接頭置于9.75 kV位置，則可得到所示的更換導(dǎo)線截面積對電壓質(zhì)量的改善效果。

表3 變壓器分接頭為9.75 kV時(shí)更換線型的效果

可見僅需將變壓器分接頭調(diào)低一檔（這對于所有的配電變壓器都是可以做到的），則只要將導(dǎo)線的截面積增大到150 mm2即可將末端節(jié)點(diǎn)電壓偏移量降低到5.6%，效果顯著。

4 結(jié)論

在配電網(wǎng)中減小電壓偏移量是改善電能質(zhì)量的重要內(nèi)容。由于影響因素眾多，因果關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致很難得出通用的改善方案。

本文探討一種具體的改善電能質(zhì)量的措施——更換輸電線導(dǎo)線型號的機(jī)理，并詳細(xì)分析了其與改變配電變壓器分接頭檔位等其他措施相結(jié)合來獲得綜合改善效果的具體問題。通過對一個實(shí)際配電網(wǎng)的深入分析，可以發(fā)現(xiàn)采取綜合措施比采取任何一種單獨(dú)的措施都有優(yōu)越得多的電能質(zhì)量改善效果。

本文的結(jié)論具有一定的通用性，但在不同配電網(wǎng)中實(shí)施時(shí)要結(jié)合配電網(wǎng)的實(shí)際情況才能制定出最合理的優(yōu)化方案。

［1］何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析（上）［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

［2］程浩忠.電能質(zhì)量［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［3］GB/T 12325-2008.電能質(zhì)量：供電電壓偏差［S］.

［4］何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析（下）［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.