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        基于快速開(kāi)關(guān)型的10kV線路串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用及效果分析

        2017-02-06 07:52:31程治真韋建波韋碧琳張建民楊
        電氣技術(shù) 2017年1期
        關(guān)鍵詞:觀測(cè)點(diǎn)串聯(lián)電容器

        程治真韋建波韋碧琳張建民楊 波

        (1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司河池供電局,廣西 河池 547000;2.四方華能電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司,北京 100085)

        基于快速開(kāi)關(guān)型的10kV線路串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用及效果分析

        程治真1韋建波1韋碧琳1張建民2楊 波2

        (1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司河池供電局,廣西 河池 547000;2.四方華能電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司,北京 100085)

        串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于提升配電網(wǎng)線路的傳輸能力及穩(wěn)定性有非常重要的作用。本文以廣西河池10kV亮山線路的串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用為案例,在論述固定串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)原理的基礎(chǔ)上,分析了10kV亮山線路運(yùn)行的現(xiàn)狀和電壓?jiǎn)栴},提出了基于快速開(kāi)關(guān)的串聯(lián)補(bǔ)償方案,通過(guò)選擇串聯(lián)補(bǔ)償點(diǎn)和確定串聯(lián)補(bǔ)償容量,完成了方案的實(shí)施。實(shí)施效果表明:基于快速開(kāi)關(guān)型的串聯(lián)補(bǔ)償方案具有較好的線路末端電壓提升能力和線路輸送穩(wěn)定能力,適合在10kV亮山線路中應(yīng)用。

        串聯(lián)補(bǔ)償;快速開(kāi)關(guān);電壓質(zhì)量;輸送能力

        近年來(lái),我國(guó)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的獲得了極大的發(fā)展,電能需求隨之不斷擴(kuò)大,但電能質(zhì)量問(wèn)題始終是國(guó)內(nèi)電網(wǎng)中面臨的重要問(wèn)題之一,電能質(zhì)量過(guò)低所導(dǎo)致的諸多問(wèn)題嚴(yán)重影響了國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)、通信設(shè)備和醫(yī)療裝置等一些敏感用戶的正常使用,甚至?xí)斐蓢?yán)重的社會(huì)不良影響。對(duì)電能質(zhì)量而言,電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量和波形質(zhì)量是其主要的指標(biāo),其中電壓質(zhì)量是最重要的指標(biāo)。在配電網(wǎng)中,電壓質(zhì)量往往是衡量配電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)質(zhì)量的重要參數(shù),當(dāng)前,改善電壓質(zhì)量已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)電網(wǎng)可持續(xù)運(yùn)行的重要目標(biāo)。然而,由于我國(guó)配電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后,配電網(wǎng)線路的建設(shè)和維護(hù)也未被充分重視,再加上越來(lái)越龐大的配電網(wǎng)規(guī)模,使得國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量問(wèn)題凸顯,典型的如供電半徑問(wèn)題、配電變壓器分布問(wèn)題、電壓偏低或偏高問(wèn)題等。在這樣的背景下,串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,產(chǎn)生于 20世紀(jì) 50年代的串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)得到了一定的應(yīng)用,此類(lèi)技術(shù)能夠有效提升配電網(wǎng)線路的傳輸效率,穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)偏高或偏低電壓?jiǎn)栴}的解決。從應(yīng)用情況來(lái)看,串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用多以500kV及220kV等高壓電網(wǎng)為主,在如今快速開(kāi)關(guān)技術(shù)等發(fā)展的前提下,串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)在110kV以下中低壓配電網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)成為可能。為此,本文選擇廣西河池 10kV亮山線路為案例,研究其基于快速開(kāi)關(guān)的串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用方案,并分析應(yīng)用的效果。

        1 固定串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)的基本原理

        串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)是在遠(yuǎn)距離、高電壓輸送運(yùn)行狀態(tài)下逐步成熟的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)主要借助對(duì)電容器的串聯(lián),實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電線路中電抗的補(bǔ)償。利用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù),不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸電線路效率的提升,而且能強(qiáng)化電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,特別是在電能質(zhì)量改善方面,具有較為明顯的效果和優(yōu)勢(shì)。

        當(dāng)前,串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)共分為兩類(lèi),分別為固定串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)和可控串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)。由于可控串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)具有較高的技術(shù)復(fù)雜度以及較大的投資需求,使得其在實(shí)際應(yīng)用中的范圍并不廣泛,只有個(gè)別發(fā)達(dá)國(guó)家的變電站中有所應(yīng)用;固定串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)則具有比可控串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)更低的使用成本,更廣的使用范圍,在世界上已經(jīng)擁有了50多年的使用歷史。

        固定串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)的基本原理如圖1所示。

        圖1 固定串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)基本原理圖

        從圖1不難看出,固定串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)中的基本組成包括電容器、MOV、旁路開(kāi)關(guān)、阻尼繞組、觸發(fā)間隙等,其中電容器是以組的方式存在的,通常由多個(gè)電容器串聯(lián)組成。MOV為某類(lèi)金屬氧化物限壓器,具有能夠有效吸收能量的功能,由于在串聯(lián)補(bǔ)償裝置線路中有可能產(chǎn)生相對(duì)較大的電流,從而導(dǎo)致電容器組上的過(guò)電壓過(guò)高,為此,需要對(duì)電容器組進(jìn)行保護(hù),MOV的主要作用是對(duì)電容器組兩端的過(guò)電壓進(jìn)行抑制,達(dá)到對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償裝置中電容器組保護(hù)的目標(biāo)。旁路開(kāi)關(guān)是一種隔離斷路器,它的主要作用是對(duì)串聯(lián)電容器組、MOV以及觸發(fā)間隙的投入及退出提供支撐。阻尼繞組的主要作用是對(duì)電容器的放電電流進(jìn)行一定的限制,實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償電容器組、觸發(fā)間隙、旁路開(kāi)關(guān)由于放電電流異常而產(chǎn)生故障。觸發(fā)間隙則是為串聯(lián)補(bǔ)償電容器組及MOV提供又一層保護(hù)的,它在MOV承擔(dān)的電流或吸收的能量出現(xiàn)超負(fù)荷時(shí)被觸發(fā)。

        2 廣西河池10kV亮山線路串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用分析

        2.1 廣西河池10kV亮山線路運(yùn)行概述

        廣西河池10KV亮山線路分布在大化縣山區(qū),該線路由于受山區(qū)地理環(huán)境的影響,使得其輸送線路過(guò)程,配電末端電壓相對(duì)較低,對(duì)末端用電客戶造成了一定的影響。廣西河池 10kV亮山線路接線模式為單輻射,供電半徑相對(duì)較長(zhǎng),導(dǎo)線型號(hào)較小,所面對(duì)的末端客戶種類(lèi)復(fù)雜,既有工業(yè)用電客戶,也有居民用電和農(nóng)業(yè)用電客戶。亮山線主線全長(zhǎng)13.17km,分支線總長(zhǎng) 43.203km,所使用的導(dǎo)線型號(hào)全部為L(zhǎng)GJ-35。

        目前,10kV亮山線路存在著嚴(yán)重的末端用戶電壓較低的問(wèn)題,在一些負(fù)荷較重的節(jié)點(diǎn),電壓損耗現(xiàn)象非常嚴(yán)重。筆者通過(guò)對(duì)該線路現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行負(fù)荷接入情況觀測(cè),按照功率因數(shù)0.9、最大負(fù)荷為2051kW、35kV流水站10kV母線電壓按照線路的最低電壓10.50kV考慮,進(jìn)行仿真計(jì)算后得到10kV亮山線路主干線各主要觀測(cè)點(diǎn)電壓情況見(jiàn)表1。

        表1 10kV亮山線路最大負(fù)荷時(shí)觀測(cè)點(diǎn)電壓情況

        觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示(表 1),10kV亮山線路在一些負(fù)荷較重的觀測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出非常嚴(yán)重的電壓損失,如觀測(cè)點(diǎn) 26#、48#、80#與母線電壓相比均有較大幅度的下降,其中觀測(cè)點(diǎn) 26#桿電壓與母線電壓相比下降了 0.480kV,降幅達(dá)到 4.58%,而末端觀測(cè)點(diǎn)137#桿的電壓下降值更為明顯,達(dá)到1.29kV,降低幅度為 12.33%。這一電壓降低值已經(jīng)明顯超過(guò)了GB/12325中規(guī)定的10kV電網(wǎng)電壓正、負(fù)偏差絕對(duì)值之和不得超過(guò)10%的標(biāo)準(zhǔn),而且從觀測(cè)點(diǎn)#105桿之后,所有觀測(cè)點(diǎn)的電壓均小于 9.4kV,從而對(duì)該片區(qū)末端工業(yè)用電、居民用電造成極大困擾。

        2.2 基于快速開(kāi)關(guān)型的河池10kV亮山線路串聯(lián)補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

        鑒于 10kV亮山線路存在的較為嚴(yán)重的電壓損耗問(wèn)題,筆者為其設(shè)計(jì)一種新型的串聯(lián)補(bǔ)償方案,旨在提升該線路的末端電壓,降低線路電壓損耗,提升線路輸送能力。此次設(shè)計(jì)的串聯(lián)補(bǔ)償方案是基于快速開(kāi)關(guān)元件的。

        1)快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償裝置分析

        快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償裝置是一種基于快速開(kāi)關(guān)元件快速短接功能,從而能夠極大的降低串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備造價(jià)的新型裝置。此類(lèi)新型裝置可以充分借助快速開(kāi)關(guān)元件的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)很短時(shí)間內(nèi)的電容器與金屬氧化物(如氧化鋅)的短接,降低金屬氧化物與電容器的額定電壓,最終實(shí)現(xiàn)核心設(shè)備成本的降低。此次使用的基于快速開(kāi)關(guān)的固定串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備原理如圖2所示。

        圖2 基于快速開(kāi)關(guān)型的串聯(lián)補(bǔ)償裝置原理圖

        在此類(lèi)串聯(lián)補(bǔ)償裝置中,當(dāng)電容器在運(yùn)行中系統(tǒng)出現(xiàn)短路時(shí),會(huì)使電容器出現(xiàn)電壓升高的情況,根據(jù)電容器的電壓來(lái)控制快速開(kāi)關(guān)的合閘,電容器在電流限制的范圍內(nèi)完成短接,在此之前可由金屬氧化物快速完成能量吸收,保證電容器過(guò)電壓處于安全的范圍內(nèi),這便可以降低電容的容量,減少成本,進(jìn)行更可靠的控制,促進(jìn)多點(diǎn)補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)。

        2)串聯(lián)補(bǔ)償方案中補(bǔ)償點(diǎn)的選擇與分析

        本次基于快速開(kāi)關(guān)型 10kV亮山線路的串聯(lián)補(bǔ)償方案,需要首先對(duì)補(bǔ)償點(diǎn)進(jìn)行選擇,選擇的基本原則同時(shí)兼顧便捷與實(shí)用的原則,充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,在每條線路中預(yù)先通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)中進(jìn)行串連補(bǔ)償裝置的安裝,展開(kāi)仿真分析,獲得補(bǔ)償裝置最佳的安裝觀測(cè)點(diǎn)。筆者在本次方案中預(yù)選觀測(cè)點(diǎn)#61,但該點(diǎn)并非是最佳效果的補(bǔ)償點(diǎn),最終計(jì)算得到的安裝點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)#53,這兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的距離為0.768km。在仿真分析過(guò)程中,可以分別就#61與#53的補(bǔ)償裝置安裝效果進(jìn)行比較分析。以最大負(fù)荷率為25%的條件為基礎(chǔ),分別在不同的補(bǔ)償量情況下,可得到預(yù)選點(diǎn)和實(shí)際串聯(lián)補(bǔ)償裝置安裝電的補(bǔ)償效果并不相同,具體見(jiàn)表2和表3。

        表2 補(bǔ)償容抗6Ω時(shí)觀測(cè)點(diǎn)#61的補(bǔ)償效果

        表3 補(bǔ)償容抗6Ω時(shí)觀測(cè)點(diǎn)#53的補(bǔ)償效果

        從表2與表3的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn),在最大負(fù)荷率相同的情況下,補(bǔ)償容抗相同時(shí),在觀測(cè)點(diǎn)#53和#61均能滿足后續(xù)各觀測(cè)點(diǎn)的電壓均能需求,但在#53處安裝補(bǔ)償裝置的效果是更好的,電壓損耗更低。

        3)串聯(lián)補(bǔ)償方案中串補(bǔ)容量的選擇與分析

        根據(jù)選擇的串聯(lián)補(bǔ)償裝置安裝點(diǎn),得到其距離變電站的實(shí)際距離為5.09km,結(jié)合10kV亮山線的全線感抗值 5.27Ω,可以對(duì)該線路串聯(lián)補(bǔ)償容量的最佳值進(jìn)行計(jì)算。借助仿真分析,得到在不同串補(bǔ)容量的情況下,每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)電壓的變化,具體見(jiàn)表4。

        表4 不同串補(bǔ)容量的電壓分布情況

        從表4中不難發(fā)現(xiàn),串補(bǔ)容量越大,末端電壓的損耗率越低,補(bǔ)償效果就越好,但是,在考慮到串補(bǔ)點(diǎn)這一因素的基礎(chǔ)上,同時(shí)考慮 10kV亮山線路未來(lái)負(fù)荷的發(fā)展因素的基礎(chǔ)上,筆者建議選擇串補(bǔ)容量為6Ω和10Ω,對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償度分別為113.85%和189.75%。

        綜上所述,基于快速開(kāi)關(guān)型的 10kV亮山線路串聯(lián)補(bǔ)償方案最終選擇在觀測(cè)點(diǎn)#53處安裝補(bǔ)償裝置,串補(bǔ)容量可選擇6Ω或10Ω。

        3 應(yīng)用效果分析

        基于快速開(kāi)關(guān)型的 10kV亮山線路串聯(lián)補(bǔ)償方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,不論是對(duì)線路末端電壓的提升,還是對(duì)線路輸送能力的提升都是十分明顯的,這是本次固定串聯(lián)補(bǔ)償方案應(yīng)用的主要效果,具體分析如下。

        3.1 串聯(lián)補(bǔ)償方案實(shí)施后對(duì)線路電壓的提升效果

        筆者將上述設(shè)計(jì)的串聯(lián)補(bǔ)償方案應(yīng)用在 10kV亮山線路中,當(dāng)母線電壓為10.5kV,最大負(fù)荷率為25%的條件時(shí),通過(guò)仿真計(jì)算,可以得到串聯(lián)補(bǔ)償方案實(shí)施前后的線路末端電壓提升效果(見(jiàn)表5)。

        從表5中不難看出,線路中的末端電壓提升效果受串補(bǔ)容量的影響較大,當(dāng)串補(bǔ)容量為6Ω時(shí),末端電壓從 0.22kV 到 0.42kV,最大的提升量為0.42kV;當(dāng)串補(bǔ)容量為10Ω時(shí),末端電壓從0.34V到0.67kV,最大的提升量為0.67kV。

        同時(shí),考慮到 10kV亮山線路未來(lái)存在的負(fù)荷增加的情況,筆者針對(duì)該串聯(lián)補(bǔ)償方案,仿真計(jì)算了未來(lái)負(fù)荷率為33.5%的條件下,母線電壓10.5kV時(shí),該方案實(shí)施前后的線路末端電壓提升效果(見(jiàn)表6)。

        表5 串聯(lián)補(bǔ)償方案實(shí)施前后的線路末端電壓提升效果(最大負(fù)荷率=25%)

        表6 串聯(lián)補(bǔ)償方案實(shí)施前后的線路末端電壓提升效果(未來(lái)負(fù)荷率=33.5%)

        從表6中不難看出,線路中的末端電壓提升效果受串補(bǔ)容量的影響較大,當(dāng)串補(bǔ)容量為6Ω時(shí),末端電壓提升量從 0.32kV到 0.60kV,最大的提升量為0.60kV;當(dāng)串補(bǔ)容量為10Ω時(shí),末端電壓提升量從0.47kV到0.93kV,最大的提升量為0.93kV。

        顯然,從線路電壓的提升效果方面來(lái)看,不論是當(dāng)前負(fù)荷還是在未來(lái)負(fù)荷情況下,通過(guò)基于快速開(kāi)關(guān)型的 10kV亮山線路串聯(lián)補(bǔ)償方案的補(bǔ)償效果是滿足實(shí)際需求的,可以有效解決當(dāng)前亮山線路末端電壓過(guò)低的問(wèn)題。

        3.2 串聯(lián)補(bǔ)償方案實(shí)施后對(duì)線路輸送能力的提升

        基于快速開(kāi)關(guān)型的 10kV線路串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)和裝置,能夠降低相同負(fù)荷下的負(fù)荷電流,這使得該方案的實(shí)施除了能夠?qū)崿F(xiàn)線路電壓提升之外,還能夠有效提升線路的輸送能力。筆者以末端電壓不低于9.4kV為基本的條件,得出串聯(lián)補(bǔ)償方案實(shí)施前后的線路輸送功率的負(fù)荷率見(jiàn)表7。

        表7 線路輸送能力(串補(bǔ)容量=6Ω)

        從表7中發(fā)現(xiàn),實(shí)施該串聯(lián)補(bǔ)償方案之后,10kV亮山線路的整體輸送能力提高了14.03%。因此,可以說(shuō),基于快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償方案的實(shí)施,能哦古有效提升線路的輸送能力,可以適當(dāng)打開(kāi)傳統(tǒng)的由于末端電壓受限而導(dǎo)致的瓶頸。

        此外,在最大負(fù)荷率條件下,還可以對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償方案實(shí)施前后的線路損耗情況進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)表8。

        表8 最大負(fù)荷率情況下的線路損耗情況(功率因數(shù)=0.9,串補(bǔ)容量=6Ω)

        根據(jù)表8的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在最大負(fù)荷率情況下,串聯(lián)補(bǔ)償方案實(shí)施前后的線路損耗有著明顯的降低。在上述條件下,按照工業(yè)用電每度電1元計(jì)算,在功率因數(shù)在 0.9時(shí)最大負(fù)荷時(shí)節(jié)約電量為 55386 kW·h,每年節(jié)約資金5.54萬(wàn)元。

        4 結(jié)論

        基于快速開(kāi)關(guān)型的串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)是一項(xiàng)新型的,具有更高安全性和更好補(bǔ)償效果的技術(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用在廣西河池大化供電公司 10kV亮山線路中時(shí),不論在正常負(fù)荷還是在未來(lái)重負(fù)荷的情況下,均能實(shí)現(xiàn)對(duì)線路末端電壓的有效提升;同時(shí)還在一定程度上能夠有效降低線路的損耗,提升線路輸送能力。此外,快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便,在提高整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的作用也非常明顯??梢灶A(yù)見(jiàn),基于快速開(kāi)關(guān)型串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)在 10kV亮山線路中的應(yīng)用,必然會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

        [1]任強(qiáng),楊濤,謝偉崢,等.串聯(lián)補(bǔ)償裝置與并聯(lián)補(bǔ)償裝置兼容運(yùn)行[J].電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償,2011,32(1):1-4,15.

        [2]張媛媛,班連庚,項(xiàng)祖濤,等.1000kV特高壓固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置關(guān)鍵元件工作條件研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2013(8):2218-2224.

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        [7]劉學(xué)博,韋統(tǒng)振,韓立博,等.配電網(wǎng)串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備保護(hù)控制策略研究[J].電力電子技術(shù),2014,48(8):11-15.

        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,碩士,高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事配網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度工作。

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