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(國(guó)網(wǎng)德陽供電公司，四川 德陽 618000)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國(guó)近年來的用電需求提升迅速，配電網(wǎng)架不斷擴(kuò)大，尤其是農(nóng)村用電負(fù)荷的增加，也對(duì)優(yōu)質(zhì)的供電電能提出了新的要求。然而，中國(guó)配電網(wǎng)建設(shè)滯后于經(jīng)濟(jì)建設(shè)，其網(wǎng)架薄弱，線徑小，供電半徑長(zhǎng)(尤其是農(nóng)網(wǎng)線路)，配電變壓器分布廣、數(shù)量多，且主要集中在線路后端[1]。往往導(dǎo)致線路末端電壓低，供電質(zhì)量差。

對(duì)于配電線路后端電壓降問題，主要采取的措施有：加強(qiáng)變電站建設(shè)投入以縮短配電線路供電半徑、更換配電線路大直徑導(dǎo)線、利用配電變壓器分接頭進(jìn)行調(diào)壓、采用并聯(lián)電容無功補(bǔ)償?shù)却胧2-3]。然而新建變電站造價(jià)昂貴，建設(shè)周期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性差；更換導(dǎo)線對(duì)降低線路電感帶來的低電壓效果不大，且停電時(shí)間長(zhǎng)、投資大，不利于目前的優(yōu)質(zhì)服務(wù)要求；經(jīng)常使用的第3種方法，固定幾擋調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍小，不能補(bǔ)償無功功率，無法徹底解決整條線路的電壓降問題；并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置隨電壓有“逆向”特性，調(diào)節(jié)速度慢，需要安裝的容量大[4-5]。

從技術(shù)原理上講，串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于長(zhǎng)距離、大負(fù)荷、低功率因素和大電壓閃變的配電線路的低電壓治理具有技術(shù)上的先進(jìn)性，主要體現(xiàn)在對(duì)線路無功具有正補(bǔ)償、無時(shí)延、高效率(與并聯(lián)補(bǔ)償比較可以用較小的電容量發(fā)揮更高的補(bǔ)償效果)，與傳統(tǒng)的補(bǔ)償技術(shù)和調(diào)壓技術(shù)相比，更加高效而經(jīng)濟(jì)[6-9]。從國(guó)內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用情況看，串補(bǔ)技術(shù)是一項(xiàng)有效解決長(zhǎng)距離大負(fù)荷線路低電壓?jiǎn)栴}、提高線路功率因素、減小線路損耗的新的無功補(bǔ)償技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)補(bǔ)償技術(shù)的完善和補(bǔ)充。

從串聯(lián)無功補(bǔ)償技術(shù)原理入手，闡述串補(bǔ)技術(shù)在配電線路中改善電壓的基本原理，分析影響串補(bǔ)技術(shù)電壓調(diào)節(jié)的影響因素，結(jié)合實(shí)際案例仿真分析各因素對(duì)配電線路串補(bǔ)調(diào)壓的影響，提出工程實(shí)施合理化建議，最后以工程實(shí)施案例證明串補(bǔ)技術(shù)在配電網(wǎng)調(diào)壓中的有效性。

1 串補(bǔ)技術(shù)電壓調(diào)節(jié)原理

串補(bǔ)技術(shù)最早應(yīng)用在中國(guó)的輸電線路中[10-12]，該技術(shù)能顯著提高大容量、遠(yuǎn)距離輸電線路的利用效率，促進(jìn)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行水平，降低輸電損耗。將串補(bǔ)技術(shù)引用到配電線路中，同樣可以解決配電網(wǎng)電壓?jiǎn)栴}[11-12]，不僅可以調(diào)節(jié)過電壓或低電壓至合格電壓水平內(nèi)，同時(shí)可以提高線路的功率因素降低線路損耗。

對(duì)于配電線路，相對(duì)于輸電線路輸送距離較短，可以忽略波過程的影響，同時(shí)還可以忽略對(duì)地電容的影響，此時(shí)，配電線路可以等效為線路電阻和電抗，其等效電路如圖1所示。

圖1 配電線路等效原理

此時(shí)，配電線路首末兩端電壓降為

(1)

式中：P、Q為線路負(fù)載有功功率和無功功率；U為線路首端線電壓?？梢钥闯?，在線路負(fù)載一定的條件下，線路末端電壓主要由線路電阻R和電抗X確定，且線路電抗X往往大于電阻R，因此，降低電抗X能有效降解決低電壓?jiǎn)栴}。

串補(bǔ)技術(shù)即是在配電線路中串聯(lián)電容，串聯(lián)電容后配電線路等效電路如圖2所示。

圖2 配電線路串聯(lián)補(bǔ)償?shù)刃г?/p>

則此時(shí)線路的阻抗由電阻、電抗和容抗組成，則配電線路首末兩端電壓降為

(2)

式中，XC為串補(bǔ)電容器容抗。

串聯(lián)電容的加入，補(bǔ)償了感抗，有效降低了整個(gè)線路等效電抗，從而減小了電壓降。

由式(2)可得

(3)

2 串補(bǔ)技術(shù)主要影響因素

由式(3)可得

(4)

式中：IL為線路電流；k為串補(bǔ)補(bǔ)償度，是串入電容容抗與線路電抗的比值，即：

(5)

可以看出，串補(bǔ)裝置的電壓補(bǔ)償效果與負(fù)荷電流有關(guān)：當(dāng)線路負(fù)荷重時(shí)，電流值大，電壓補(bǔ)償越高；線路負(fù)荷較輕時(shí)，電流值小，電壓補(bǔ)償較低。因此，串聯(lián)補(bǔ)償電容裝置不會(huì)出現(xiàn)電路輕載導(dǎo)致的過補(bǔ)償情況，也不會(huì)出現(xiàn)電路重載時(shí)補(bǔ)償不夠的現(xiàn)象。

綜上，影響串聯(lián)補(bǔ)償裝置主要補(bǔ)償效果的因素有：線路負(fù)荷、功率因數(shù)、阻抗值和補(bǔ)償度。阻抗值和導(dǎo)線截面積、導(dǎo)線長(zhǎng)度有關(guān)，從前面討論可知，更換大直徑導(dǎo)線存在投資大、停電時(shí)間長(zhǎng)且效果不大的缺點(diǎn)。因此當(dāng)配電線路導(dǎo)線截面積一定時(shí)，只需考慮串聯(lián)補(bǔ)償裝置的安裝位置對(duì)補(bǔ)償效果的影響。

3 串補(bǔ)技術(shù)影響因素分析

以德陽供電公司某10 kV配電線路為例進(jìn)行仿真分析。該線路供電半徑長(zhǎng)、負(fù)荷重，線路總長(zhǎng)度為18 km，其中主線為JKLYJ-240，也包括JKLYJ-185和JKLYJ-150，最大負(fù)荷為4.2 MVA，功率因數(shù)為0.85。

當(dāng)串聯(lián)補(bǔ)償容抗XC=0時(shí)，線路各節(jié)點(diǎn)電壓如圖3所示，可知，線路電壓隨著線路長(zhǎng)度的增加而不斷降低。

圖3 電壓隨線路長(zhǎng)度的變化曲線

當(dāng)負(fù)荷功率分別為2 MVA、4 MVA、6 MVA，功率因數(shù)為0.85，XC=0時(shí)，串補(bǔ)裝置處節(jié)點(diǎn)電壓分別為9.57 kV、8.89 kV、8.19 kV，若加入補(bǔ)償度k=2.25的補(bǔ)償電容時(shí)，補(bǔ)償點(diǎn)電壓分別提升1.272 kV、1.591 kV、1.668 kV。結(jié)果如圖4所示：容量與電流的平方成正比，而串聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)碾妷号c線路電流成正比。因此，當(dāng)線路容量增大時(shí)，電流增大，補(bǔ)償?shù)碾妷阂搽S之增大。這就是串補(bǔ)的負(fù)荷自適應(yīng)特性，也是其他無功補(bǔ)償均不具備的特性。

圖4 不同線路負(fù)荷下電壓隨線路長(zhǎng)度的變化曲線

當(dāng)負(fù)荷功率為3 MVA，補(bǔ)償度k=2.25，功率因數(shù)分別為0.8、0.9、0.95時(shí)，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯€路功率因數(shù)越小，補(bǔ)償電壓越大。這是因?yàn)榧尤氲拇?lián)電容在補(bǔ)償線路感抗的同時(shí)，也補(bǔ)償一部分負(fù)荷感抗，提高了功率因數(shù)。對(duì)于負(fù)荷功率因數(shù)較低的線路，其電壓補(bǔ)償效果就更為明顯。

當(dāng)負(fù)荷功率為3 MVA，分別在線路的兩個(gè)點(diǎn)加裝串聯(lián)補(bǔ)償電容，比較不同的補(bǔ)償度對(duì)電壓的影響，結(jié)果如圖6所示。在兩個(gè)位置安裝串聯(lián)補(bǔ)償裝置，均能在該處有效提升電壓，但不同的安裝位置，串補(bǔ)后電壓調(diào)節(jié)的效果差別較大，因此在具體實(shí)施工程中，因合理選擇安裝位置，確保全線電壓合格。

另外，在同一位置采用不同補(bǔ)償度的串補(bǔ)裝置，調(diào)壓結(jié)果也不同，線路長(zhǎng)度越大，串聯(lián)電容容抗越大，補(bǔ)償電壓值就越大。若串入電容容抗較大，可能造成調(diào)節(jié)后電壓超過額定電壓的上限范圍。

圖5 不同功率因數(shù)下電壓隨線路長(zhǎng)度的變化曲線

圖6 不同安裝位置、不同補(bǔ)償度下電壓隨線路長(zhǎng)度的變化曲線

采用電容器串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)能有效提高線路末端電壓，達(dá)到調(diào)壓目的，特別是對(duì)功率因數(shù)較低、負(fù)荷波動(dòng)較大的線路具有顯著的效果。根據(jù)以上分析可知，影響串補(bǔ)技術(shù)效果的因素中，線路阻抗、線路容量、功率因素均為線路本身信息，在串補(bǔ)裝置加入前為定值，因此在具體實(shí)施過程中，要達(dá)到串補(bǔ)裝置電壓調(diào)節(jié)的最優(yōu)結(jié)果，需綜合考慮安裝位置和補(bǔ)償度。

若為山村、遠(yuǎn)方工廠供電的配電線路，其負(fù)荷均分布在線路末端，則電壓調(diào)節(jié)效果則與串聯(lián)電容器位置無關(guān)，串補(bǔ)裝置的最佳安裝位置為線路最末端緊靠首個(gè)負(fù)荷的電源側(cè)，此時(shí)串聯(lián)電容器承受的故障應(yīng)力最小，調(diào)壓效果最佳。若配電線路全線均分布有負(fù)荷，為使得沿線電壓均在合格范圍，或者盡可能接近電壓合格范圍，則可以選擇負(fù)荷最大時(shí)電壓差為全線壓降1/2左右的線路位置。當(dāng)線路較長(zhǎng)，使用一個(gè)串補(bǔ)裝置不能達(dá)到預(yù)期的調(diào)壓結(jié)果時(shí)，可以選擇多處安裝串補(bǔ)裝置，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，確定最優(yōu)的串補(bǔ)方案。

配電網(wǎng)串補(bǔ)裝置的補(bǔ)償度多數(shù)選擇接近1或者大于1。當(dāng)線路電壓降落較小時(shí)，采用欠補(bǔ)償可以滿足電壓提升要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用欠補(bǔ)償以降低投資成本。當(dāng)欠補(bǔ)償無法滿足電壓合格率要求時(shí)，可以采用過補(bǔ)償，調(diào)節(jié)電壓至目標(biāo)電壓。

4 實(shí)際應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)德陽供電公司所轄10 kV風(fēng)孟線線路以110 kV風(fēng)光變電站10 kV母線為電源點(diǎn)，線路主要信息如下：

1)線路性質(zhì)為城網(wǎng)線路，但從6號(hào)桿開關(guān)為城農(nóng)網(wǎng)分界點(diǎn)，線路后端為農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷。線路供電半徑長(zhǎng)，沿線均有較多的居民用電和工廠、高壓用戶負(fù)荷，線路后端用戶反映電壓跌落情況比較嚴(yán)重。

2)10 kV風(fēng)孟線線路信息和運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

表1 10 kV風(fēng)孟線線路和運(yùn)行信息

根據(jù)潮流分析，線路在不安裝串補(bǔ)裝置的情況下，最大運(yùn)行負(fù)荷時(shí)線路的沿線電壓分布情況如圖7所示。從圖中可以看出該線路較長(zhǎng)，且負(fù)荷較重，導(dǎo)致電壓隨線路增大而降低，線路末端更是從變電站10 kV母線側(cè)的10.5 kV降到了8.7 kV。同時(shí)，線路在9 km左右之前，電壓下降比后端線路要快，這是因?yàn)榫€路前端主要位于城市郊區(qū)，商業(yè)用電和工廠用電較多，而后端用戶多位于城鄉(xiāng)結(jié)合處的農(nóng)村，多為居民用電，導(dǎo)致前端電壓下降較快。

圖7 不裝串補(bǔ)裝置10 kV風(fēng)孟線電壓分布情況

按照前面的分析，該線路的串聯(lián)補(bǔ)償裝置安裝位置應(yīng)在整條線路電壓降的中間位置，即電壓為9.6 kV處，串入電容器的補(bǔ)償度為1.25，此時(shí)，加入串補(bǔ)裝置后，風(fēng)孟線全線電壓分布情況如圖8所示。

圖8 安裝串補(bǔ)裝置10 kV風(fēng)孟線電壓分布情況

從結(jié)果可以看出，在風(fēng)孟線加入串補(bǔ)裝置后，串補(bǔ)裝置后的電壓立即增大到10.4 kV，并未造成過電壓，經(jīng)檢測(cè)風(fēng)孟線末端電壓為9.58 kV，處于合格范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語

電能在輸送過程中由于線路存在阻抗和感抗，會(huì)有一定的壓降，線路過長(zhǎng)或負(fù)荷過重時(shí)，線路壓降較大，末端電壓較低，嚴(yán)重影響用戶的用電。具有“自適應(yīng)”功能的串補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用于配電線路，綜合考慮線路阻抗、線路容量、功率因素等信息，確定串補(bǔ)安裝位置和電容器容抗值，有效提高配電線路電壓，達(dá)到調(diào)壓目的。