非線性及不平衡負(fù)荷對(duì)電壓質(zhì)量影響分析

孫浩然，徐玉明

(連云港供電公司，江蘇連云港222004)

1 國(guó)內(nèi)20 kV配電網(wǎng)發(fā)展概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)電能的需求越來越大，對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高。面對(duì)目前10 kV配電系統(tǒng)容量小、電源布點(diǎn)密、線路占用空間大、有功損耗高等不足，以及在電網(wǎng)建設(shè)過程中面臨的市區(qū)土地資源緊缺、線路走廊有限等問題，配電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展面臨新的課題和挑戰(zhàn)[1]。1996年，江蘇省電力公司蘇州供電公司在蘇州工業(yè)園區(qū)配電網(wǎng)建設(shè)時(shí)，根據(jù)園區(qū)的負(fù)荷特點(diǎn)，經(jīng)過專家論證后決定采用20 kV電壓等級(jí)對(duì)園區(qū)進(jìn)行供電[1，2]。10余年的運(yùn)行實(shí)踐表明，城市配電網(wǎng)采用20 kV電壓等級(jí)是可行的，與10 kV配電網(wǎng)相比，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都具有一定的優(yōu)勢(shì)。鑒于此，江蘇省電力公司決定進(jìn)行20 kV電壓等級(jí)在配電網(wǎng)中進(jìn)行推廣，用其取代10 kV和35 kV 2個(gè)電壓等級(jí)。通過對(duì)配電網(wǎng)電壓等級(jí)進(jìn)行合理設(shè)置和簡(jiǎn)化，能減化配電網(wǎng)絡(luò)，減少電源布點(diǎn)，提高配電網(wǎng)的供電能力和供電可靠性，增大現(xiàn)有線路走廊的供電容量。

在20 kV配電網(wǎng)的建設(shè)和推廣過程中，對(duì)20 kV配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性論證、10 kV設(shè)備升壓到20 kV的改造工作、20 kV配電網(wǎng)的接地方式、20 kV變壓器的接線方式、20 kV配電設(shè)備的選擇等方面進(jìn)行深入研究[3-6]。繼蘇州20 kV配電網(wǎng)成功應(yīng)用后，遼寧本溪南芬地區(qū)于2003年將66/10 kV系統(tǒng)改造成了66/20 kV系統(tǒng)；天津?yàn)I海新區(qū)、遼寧大連長(zhǎng)興島、云南昆明的新機(jī)場(chǎng)、廣東佛山等地區(qū)也分別進(jìn)行了20 kV電網(wǎng)的可行性研究[7-11]，掀起了20 kV電網(wǎng)研究推廣實(shí)施的熱潮。

2 電壓質(zhì)量的對(duì)比研究

20 kV（10 kV）配電網(wǎng)的供電示意如圖1所示，其中變壓器T表示電源通過多次變壓后為20 kV母線供電。饋線1為多條饋線中的一條，該饋線中含有1個(gè)分支，對(duì)于多分支饋線，分析方法相同。P+jQ為負(fù)載基波有功和無功功率，Ih為負(fù)載電流中的諧波成份。為了方便比較，假設(shè)20 kV和10 kV采用相同的供電方式，而且20 kV出線的負(fù)荷情況相同。從電源到20 kV（10 kV）母線之間的阻抗為系統(tǒng)等效阻抗Zs。

圖1 配電網(wǎng)供電示意圖

20 kV和10 kV對(duì)應(yīng)的等效電路如圖2所示。圖中Zs為系統(tǒng)側(cè)阻抗，Z1為從母線到分支1T接點(diǎn)的阻抗，Z2為從分支1T接點(diǎn)到線路末端的阻抗。用下標(biāo)20和10對(duì)20 kV和10 kV系統(tǒng)的參數(shù)區(qū)分。

圖2 等效電路

在20 kV和10 kV設(shè)計(jì)時(shí)，出線開關(guān)B的遮斷電流有明確的限制，要求≤25 kA。因此，本文在20 kV和10 kV母線短路電流相同的情況下進(jìn)行分析比較，此時(shí)出線開關(guān)的遮斷電流相同。在此前提下，設(shè)母線短路電流同為Ik，得：

即Zs(20)是Zs(10)的2倍。對(duì)于20 kV和10 kV系統(tǒng)中的饋線1，取相同的導(dǎo)線截面，即其阻抗相同。饋線的負(fù)荷功率相同時(shí)，在20 kV和10 kV供電系統(tǒng)中電流分別為：

由式（2）可知，功率相同時(shí)，20 kV的饋線電流是10 kV饋線電流的一半。采用10 kV或20 kV供電時(shí)，負(fù)荷的性質(zhì)不會(huì)改變，負(fù)載電流的總諧波畸變率（THD）和諧波成分不會(huì)改變，則：

同理，當(dāng)負(fù)荷不平衡，負(fù)載電流中含有負(fù)序分量時(shí)，20 kV和10 kV系統(tǒng)中負(fù)序電流分量I2(20)和I2(10)滿足：

2.1 電壓的諧波分析

在不考慮背景諧波的情況下，分析非線性負(fù)載對(duì)電壓諧波畸變的影響，諧波電流的等效電路如圖3所示。

圖3 諧波電流的等效電路

根據(jù)等效電路，得出20 kV及10 kV母線的諧波電壓為：

由上述分析得出Zsh(20)是Zsh(10)的2倍，由式（3）和式（5）得：

根據(jù)GB/T 14549—1993定義的諧波電壓含有率計(jì)算，諧波含有率分別為：

由此可得出，在20 kV供電系統(tǒng)中相同的負(fù)載條件下，母線的電壓畸變率僅為10 kV供電系統(tǒng)中的一半，這減小了非線性負(fù)載對(duì)其他用戶的影響。同理，進(jìn)行分支1T接點(diǎn)的電壓畸變率的分析得：

通過式（8）以及上述分析可得：

在分支1的T接點(diǎn)，采用20 kV供電時(shí)電壓畸變率小于采用10 kV供電時(shí)電壓畸變率的一半。因此，采用20 kV供電時(shí)，非線性用戶對(duì)電能質(zhì)量的影響要比采用10 kV供電時(shí)要小得多。

2.2 電壓不平衡分析

在負(fù)載不平衡時(shí)，負(fù)載電流中將含有負(fù)序電流分量，在電源電壓對(duì)稱的情況下，分析不平衡負(fù)荷對(duì)電壓對(duì)稱性的影響進(jìn)行分析。負(fù)序電流的等效電路如圖4所示。

圖4 負(fù)序電流的等效電路

與諧波電流分析相同，可計(jì)算母線負(fù)序電壓為：

采用20 kV和10 kV供電時(shí)，母線的負(fù)序電壓相同，根據(jù)GB/T 15543—1995不平衡度定義，其不平衡度為：

即在相同的不平衡負(fù)荷作用下，采用20 kV供電時(shí)母線電壓不平衡度是采用10 kV供電的一半。同樣分析分支1T接點(diǎn)的不平衡為：

即在分支1的T接點(diǎn)，采用20 kV供電時(shí)電壓不平衡度小于采用10 kV供電時(shí)電壓不平衡度的一半。因此，采用20 kV供電時(shí)，不對(duì)稱負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的影響比采用10 kV供電時(shí)要小得多。

2.3 電壓降落分析

計(jì)算從母線到分支1T接點(diǎn)的電壓降落為：

從母線到分支2末端的電壓降落為：

從式（13，14）可知，在負(fù)荷相同的情況下，采用20 kV供電是分支1T接點(diǎn)和分支2末端的電壓降落僅為采用10 kV供電時(shí)電壓降落的一半。因此采用20 kV供電時(shí)電壓水平較高，供電半徑較大。

綜上所述，采用20 kV供電時(shí)，非線性負(fù)荷及不平衡負(fù)荷對(duì)電壓質(zhì)量的影響較采用10 kV供電時(shí)小，且供電時(shí)電壓水平較高，供電半徑大。

3 結(jié)束語

通過對(duì)20 kV和10 kV供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量方面的分析比較可知，采用20 kV供電時(shí)，非線性負(fù)荷及不平衡負(fù)荷所引起的電壓諧波含有率和電壓不平衡度都小于或等于采用10 kV供電時(shí)的一半。適應(yīng)目前配電網(wǎng)負(fù)荷性質(zhì)負(fù)載、負(fù)荷容量大、對(duì)電能質(zhì)量要求高的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]馬曉東，姜祥生.蘇州電網(wǎng)20 kV配電電壓的應(yīng)用與發(fā)展[J].電力設(shè)備，2009，9(9)：1-5.

[2]姜祥生，秦 峰，胡大健，等.20 kV配電電壓等級(jí)供電范圍的延伸[J].供用電，2006，23(39)：42-43.

[3]牛永奎，牛鳳凱，鄒 軼.10 kV配電網(wǎng)絡(luò)升壓至20 kV運(yùn)行的可行性探討[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(S1)：191-192.

[4]饒 瑩，郭 煒，徐鑫乾.110/20 kV變電站電氣一次部分設(shè)計(jì)[J].電力設(shè)備，2009， 9(9)：11-13.

[5]侯義明，汲亞飛.江蘇20 kV配電網(wǎng)電網(wǎng)改造的中性點(diǎn)接地方式研究[J].電力設(shè)備，2009，9(9)：18-20.

[6]唐小波，孫曉韡，唐國(guó)慶.20 kV與10kV配電電壓的比較[J].電力設(shè)備，2009，9(9)：6-10.

[7]殷 軍，張金祿，賈 巍,等.天津?yàn)I海新區(qū)中壓配電網(wǎng)20 kV電壓等級(jí)應(yīng)用的研究[J].繼電器，2008，36(10)：49-52.

[8]譚學(xué)知.大城市使用20 kV級(jí)配電的探討—變電所擴(kuò)容方案[J].規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2006(4)：59-61.

[9]王海民，廖紅梅.20 kV配電在大連長(zhǎng)興島地區(qū)的應(yīng)用[J].電力設(shè)備，2009，9(9)：24-25.

[10]陳 瑾，李宏偉，王建興.中壓配電網(wǎng)采用20 kV電壓等級(jí)的可行性分析[J].云南水力發(fā)電，2006，22(5)：91-94.

[11]丁文彥，張鳳軍.10 kV升壓20 kV電網(wǎng)改造方案[J].農(nóng)村電氣化，2005(5)：14-15.