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配网长线路加装串补改善电压质量问题探究
摘 要：随着我国社会经济的快速发展,农村的用电量和用电需求迅速增加,在促进农村电力实业迅速发展的同时,也对供电的稳定性和可靠性提出了更高的要求.文章首先对配网长距离配电线路中存在的低电压问题进行了分析,然后阐述了加装固定串联电容器在10kV线路中对电压改善的作用,通过加装串补的仿真计算加以验证,证实了该方法的有效性.
关键词：配电线网；长线路；串补；电压质量；低电压；串联电容器 文献标识码：A
中图分类号：TM714 文章编号：1009-2374（2016）32-0032-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.015
目前,农村经济的迅速发展,导致农村的用电需求和用电量迅速上升,对供电电压的稳定性要求也越来越高.但是从当前农村电网的实际情况来看,还存在着很多问题,其中比较突出的就是,10kV配网线路的运输距离比较长,导致电压下降,因而无法满足农村用电的电压需求.电压过低造成很多农用机械无法运转甚至启动,成为制约农村经济发展的重要限制因素.与此同时,该问题的存在也降低了农电网电压的合格率,无法高质量地完成上级部门提出的农电网考核任务.为了解决问题,我们制定了很多方案,并进行了对比分析,结果发现,采用固定串联补偿方案具有较高的可行性,具有较好的经济适用性,可以用最少的经济投入,最大限度地改善10kV配网长线路的电压质量,而且不需要进行人工干预,减少人力资源的投入.本文以当地某片区的10kV配网长线路为例,对加装串补改善电压质量的问题展开具体分析.
1 农网电压质量的影响因素分析
就目前的情况来看,农村配电网主要是以10kV为主,且电网规模较大,电力负荷情况相对复杂.同时由于农村配电网的线路较长,导致其电压质量并不稳定,容易受到多种因素的影响.下文就对影响农网电压质量的主要因素进行简单分析：
第一,农村电网的架设比较薄弱,而且分布格局缺乏科学性和合理性,再加上供电的半径距离较大,供电设备老化现象严重,进一步加剧了配电线路的电压损耗,如果其承担的负荷较重,就容易导致线路末端电压降低,无法满足农村的用电需求.
第二,由于农村的配电变压器较多,且其地域分布十分广泛,这些都使得农村电网的负荷存在巨大的峰谷剪刀差,而且农村电网的季节性十分明显,上述情况都对农网送电效率和电能质量起到了负面影响.
第三,在农网的部分线路中,会使用一些大容量电动机,但由于对电动机的接入缺乏良好的技术管理,在电动机启停的过程中就会对农网线路的电压造成影响.
除了上述三点因素外,农村电网建设的资金缺乏也是重要的原因,资金的缺乏拖延了电网的改造速度.另外,农网管理体制的不完善等因素也阻碍了农网电压质量差等问题的改善.
2 电压串补基本原理分析
在配电线路中,可串联增加一个容性设备（如电容器）.其中电容器的容抗会与线路中的电抗进行抵消作用,这样电力输送端和接收端间的电气距离就会相应缩短.所谓串联补偿度,通俗来讲,就是串联容的抗值和线路电抗值之间的比值,即Xc/SL,该比值应该＜1/2.目前,国内串联补偿度的数值在30%～45%之间（图1）.
在低压线路中,由于和变电站存在较大的电气距离,从变电站的角度来看,补偿的容量很小,因此不会出现次同步振荡等情况,这使得充分利用补偿成为可能.通过电压降落计算公式,推导出其表达方程式为：
式中：U为线路末端电压；P为线路末端有功；R为线路等效电阻；Q为线路末端无功；X为线路等效电抗.
通常情况下,P、R、Q、X的数值均＞0,所以△U的结果也＞0,末端电压＜首端电压.但是在线路中加装串联电容器之后,X的数值会下降,甚至会＜0,所以△U的结果也可能转变为0.根据这一原理,只要升高负荷侧的电压,就能使电压保持在合理范围,促进电压治理工作的开展.串联电容器中无功总量的计算公式如下：
在线路正常运行的过程中,如果产生的负荷较大,I（线路电流）的数值也会比较大,根据上述公式,电容器的无功总量就会增加；反之,如果负荷较小,I的数值越低,电容器的无功总量就会降低,直至降为0.由此推导,串联补偿的无功总量是随着负荷的变化而变化的,而且二者成反比例关系.也正因为如此,要改善农网长线路中的电压,可以采用串联补偿方式,具有显著优势.
3 模拟仿真
3.1 建立仿真模型
本次仿真模型的建立主要采用Matpower潮流计算工具包（Matlab）,具体步骤为：（1）结合客户提供的线路图纸,对每一个节点进行编号和命名；（2）根据线路图纸,通过查表的方式,分别计算出每一条线路中的R值、X值和C值；（3）收集近1.5年中该线路的最大有功功率、无功功率和视在功率以及上述数值的平均值,明确线路的最大负载率及其平均值；（4）将每一个节点变压器的参数作为参考值,参考上一步得出的最大负载率和平均负载率,计算出每一个节点的最大功率和平均功率；（5）将并补的参数及串补的参数都转化成线路参数；（6）将上述数据按工具包要求格式进行输入工作,然后进行仿真.
3.2 仿真的重难点
3.2.1 选择合适的串补部位.串补部位的选择不能盲目,需要对多种因素进行综合考虑,注意以下问题：（1）应和线路的末端保持距离,切忌过分靠近.这是因为,如果它们的间距较短,一旦发生重载等情况,位于线路中段的变电站电压数值就会大幅度下降,即使加装串补,也无法对之前的线路进行补偿,还会影响到后段线路的补偿效果；（2）应和线路的首端保持一定的距离.在加装串补电容器进行补偿,会大幅升高两相邻变电站的电压,使之接近线路开始端的电压值,但是电压仍会在一定时间后不断下降.假设在线路的首端进行串补,那么线路末端的电压就无法得到提升；（3）建议串补部位尽量加装于主干线上,因为一般分支配电线的整体距离较短,电流比较小,产生的负荷也比较强.所以如果只能加装1套串补装置,应该尽量安装在距离比较长,而且电流比较大的主干线上.
3.2.2 选择合理的串补容量.配电线路的自身电抗值以及串补度是串补容量的决定性影响因素.在本次研究中,我们设计了2段串补,其中1段的串补度约为1/2,2段串补度的综合约为1.如果线路的负载较轻,可以只投入1段.
3.3 10kV串补装置
在10kV长线路串补补偿中,分散补偿是最佳的补偿方式,就是将一套串联补偿装置安装在短距离间隔中.不过这种方式的投入成本较大,后期的维护难度和维护成本也大幅增加,因此在农网的配线过程中一般不会采用这种补偿方式.在研究区域内,可以在主干线上,安装一套30Ω的串联补偿装置,并且可以将它分为2段.
这是因为30Ω具有较大的补偿度,结合以往的串补实践和相关经验,在大多数的情况下,要满足电压优化的目的会加装15Ω的串补,若将来负荷出现增加,就可以让剩下的容量投入使用.当前串补的关键技术参数为：10kV串补电压,串补的容抗值为30Ω/套,分为2段,每段为15Ω.
4 加装串补之后的电压分布以及负荷潮流
在安装串补之后,我们分别为70%、100%的峰值负荷进行了仿真模拟,其中小方式70%峰值负荷的情况下,各个典型节点的电压标幺值如图2所示：
由图2可知,串补装置加装之后,不同节点的电压不再呈直线下降的情况,串补之后的电压会大幅提升.如图2所示,整条线路中最低电压为0.948p.u.且之后电压有明显的提升曲线.
图3是大方式100%峰值负荷情况下各个典型节点的电压标幺值：
由图3可知,当配网长线路安装串补后,节点电压脱离了下降趋势,在串补之后电压大幅提升,一度接近0.98p.u.,而其中整条线路的最低电压为0.928p.u..由上进行推导,若电压为1.05p.u.时,那么最低点的电压则明显高于0.9.u.的下限值.
5 结语
综合上述分析可知,农电网络当前面临的主要问题是送电距离过远,导致末端电压偏低,使得农村的电力电压达不到使用要求.通过采用串联补偿方案,能有效解决这一问题,在技术、经济上都具有合理性.
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作者简介：李华军（1983-）,男,四川简阳人,国网新疆电力公司拜城县供电公司助理工程师.
（责任编辑：蒋建华）
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