低壓公共配電網(wǎng)優(yōu)化工程方案可行性研究及工程的初步實(shí)施

鄔宏偉，陳柏軍，朱振洪，陸 強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)余姚市供電公司，寧波 315400）

由于低壓公共配電網(wǎng)技改工程對(duì)電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要作用，因此低壓公共配電網(wǎng)優(yōu)化措施是電力部門(mén)和用戶(hù)共同關(guān)注的問(wèn)題。合理選擇優(yōu)化方案，能有效改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，保證電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，降低有功網(wǎng)損，提高發(fā)、輸變電設(shè)備的利用率和使用效益。

1 低壓公共配電網(wǎng)優(yōu)化補(bǔ)償方案比較

電網(wǎng)優(yōu)化，就其概念而言就是借助于各類(lèi)改善電能質(zhì)量裝置，平衡三相電流，同時(shí)提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。

1.1 低壓公共配電網(wǎng)優(yōu)化補(bǔ)償方案選擇原則

電力網(wǎng)中損耗以低壓配電網(wǎng)所占比重最大。為了最大限度地減少傳輸損耗，提高輸配電設(shè)備的效率，就要對(duì)低壓公共配電網(wǎng)各類(lèi)改善電能質(zhì)量設(shè)備進(jìn)行合理優(yōu)化配置，低壓公共配電網(wǎng)優(yōu)化方案有變電站降損裝置、配變降損裝置、配電線路降損裝置和用電設(shè)備降損裝置。四種方案示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 某縣級(jí)供電公司配電網(wǎng)及其常見(jiàn)無(wú)功補(bǔ)償方式示意圖

1.2 變電站集中補(bǔ)償

變電站降損裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，主要目的是平衡輸電網(wǎng)的無(wú)功功率，改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)終端變電所的母線電壓，補(bǔ)償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無(wú)功損耗。這些降損裝置一般集中接在變電站10kV母線上，因此具有管理容易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但這種方案對(duì)10kV配電網(wǎng)的降損不起作用。

1.3 配電線路降損裝置

大量配電變壓器要消耗無(wú)功，很多低壓公用變壓器沒(méi)有安裝降損裝置，大量的無(wú)功沿線傳輸使得配電網(wǎng)的網(wǎng)損居高難下，這種情況下可考慮安裝配電線路降損裝置。

配電線路降損裝置既通過(guò)在線路桿塔上安裝降損裝置實(shí)現(xiàn)降損目的。但由于配電線路降損裝置遠(yuǎn)離變電站，因此存在保護(hù)難配置、控制成本高、維護(hù)工作量大、受安裝環(huán)境限制等問(wèn)題。因此，配電線路降損裝置的不宜安裝過(guò)多；控制方式應(yīng)從簡(jiǎn)，降損裝置的容量也不宜過(guò)大，避免出現(xiàn)過(guò)大馬拉小車(chē)的浪費(fèi)現(xiàn)象；保護(hù)也要從簡(jiǎn)，可采用熔斷器和避雷器作為過(guò)電流和過(guò)電壓保護(hù)。

此類(lèi)配電線路降損裝置主要提供線路和公用變壓器需要的無(wú)功，工程問(wèn)題關(guān)鍵是選擇降損裝置進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牡攸c(diǎn)和容量，其補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)和容量的實(shí)用優(yōu)化算法見(jiàn)于眾多文獻(xiàn)資料，本文不做重點(diǎn)闡述。配電線路降損裝置，適用于功率因數(shù)低、負(fù)荷重的長(zhǎng)線路。屬于特定的降損裝置，因此存在適應(yīng)能力差，重載情況下降損度不足等問(wèn)題。此外，這類(lèi)配電線路降損裝置自動(dòng)控制方式仍是需研究的課題。

1.4 低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置

低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中 ACB：AirCircuit Break空氣斷路器，ATS：Auto Transfer Switch 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，它是一種大功率接觸式雙投開(kāi)關(guān)，在電網(wǎng)電壓低于設(shè)定值、負(fù)載電流大于額定值時(shí)，可將節(jié)電裝置自動(dòng)切換到旁路狀態(tài)，也可按照用戶(hù)需要設(shè)置成手動(dòng)狀態(tài)。TR是指“Z”線圈繞組，其組成是利用“平衡控制變壓系統(tǒng)”的特殊繞組，相互之間交叉連接，如圖3“Z”線圈繞組、圖4低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置三相繞組匹配圖所示，通過(guò)互相補(bǔ)償鐵心的磁通量，最大限度地保持各相之間磁勢(shì)的一致，從而保持三相平衡，降低零線電流，進(jìn)一步強(qiáng)化了對(duì)于電力系統(tǒng)中破壞力最強(qiáng)的三次諧波的抑制作用的節(jié)電裝置。其具體節(jié)電功能及原理如下：

（1）平衡三相電流和電壓

圖2 低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 “Z”線圈繞組示意圖

圖4 低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置三相繞組匹配圖

原理：如圖4所示，在低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置內(nèi)的機(jī)芯中，三相纏繞在三個(gè)鐵芯上的線圈中磁通量復(fù)數(shù)的和始終為零，當(dāng)某相的電流或電壓增高時(shí)，必然引起另外兩相磁通量的增加，在其線圈中感生更高的電壓和電流，使三相電源相互趨于平衡。

作用：使用電器時(shí)，負(fù)荷端的運(yùn)行可引起電網(wǎng)內(nèi)電壓和電流的不均衡，這種不均衡性帶來(lái)的“相位差”會(huì)產(chǎn)生損耗并導(dǎo)致用電效率的下降，零序電流增大，同時(shí)也降低了電器的效率，縮短了電器的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電器設(shè)備不能正常工作。低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置利用“平衡控制電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”機(jī)芯線圈的相互交叉連接，可以消除各相間的電壓和電流的不均衡，維持控制其平衡性。

（2）抑制高次諧波

原理：在低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置的機(jī)芯中存在著一個(gè)電流線圈，它是一個(gè)天然的電感器，具有自感及其與其他五組線圈之間的互感，合成為一個(gè)對(duì)高頻電流電壓和電路中的瞬變能夠產(chǎn)生巨大阻擋作用的天然屏障，具有遏制高次諧波的作用，其電壓、電流改善如圖5所示。

作用：隨著非線性負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，電網(wǎng)的諧波對(duì)普通用電戶(hù)的干擾在不斷加劇，因此控制公用電網(wǎng)的諧波危害，是保障電網(wǎng)和用戶(hù)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和正常生產(chǎn)的關(guān)鍵。

圖5 高次諧波抑制示意圖

高次諧波的存在，會(huì)引起電器設(shè)備和連接導(dǎo)線不正常的發(fā)熱，導(dǎo)致鐵損、銅損和漂移損耗增加，這正是導(dǎo)致電力變壓器及周邊設(shè)備使用壽命縮短、效率降低的主要原因。低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置中，設(shè)計(jì)有濾波繞組，該濾波繞組和其原有線圈繞組相結(jié)合，它不僅能有效地將濾除有害諧波，同時(shí)還可以緩沖電網(wǎng)電壓的瞬變和浪涌電流。

（3）功率因數(shù)補(bǔ)償

原理：對(duì)于任何一相電源而言，輸入電壓在經(jīng)過(guò)三相平衡電磁式節(jié)電器的機(jī)芯后，其輸出電壓的相位都會(huì)與輸入電壓相反（滯后180°），由其中的電壓線圈在電流線圈中所感生的自感電流與輸出電壓的相位相比較，也滯后了90°，低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置機(jī)芯設(shè)計(jì)本身具有使電流線圈中感應(yīng)出滯后于輸入電壓270°的功率因數(shù)校正電流的天然特性（相當(dāng)于產(chǎn)生了一個(gè)超前90°的電流）。

作用：從電源端看入時(shí)，負(fù)載的功率因數(shù)得到了補(bǔ)償，減少了供電線路的有功損耗。

（4）有效調(diào)節(jié)過(guò)剩電壓

原理：在低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置中，具有可以改變電流線圈中的電壓的調(diào)整設(shè)置，通過(guò)自動(dòng)控制器，三相平衡電磁式節(jié)電器可以根據(jù)用電設(shè)備的運(yùn)行情況，適時(shí)調(diào)整電源電壓，達(dá)到切除過(guò)剩電壓的目的。

作用：供電部門(mén)為了補(bǔ)償長(zhǎng)途輸送電力時(shí)的電壓損耗，有時(shí)會(huì)向距離變電所或發(fā)電廠距離較近的用電單位提供高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的端口電壓。因此很多用電單位的三相電壓因此會(huì)高于用電器的額定電壓380V，基本上在400V或以上，這不但會(huì)對(duì)終端用戶(hù)的用電設(shè)備產(chǎn)生不良影響，降低了設(shè)備的使用壽命，而且亦會(huì)是電氣設(shè)備超負(fù)荷工作，造成不必要的浪費(fèi)。為了有效解決此問(wèn)題，三相平衡系統(tǒng)節(jié)電器的設(shè)計(jì)可針對(duì)用戶(hù)的實(shí)際用電情況調(diào)整過(guò)剩電壓、減少用戶(hù)端的浪費(fèi)，提高用戶(hù)的經(jīng)濟(jì)效益。

（5）低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置的主要優(yōu)點(diǎn)

1）針對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的所有隱性電力浪費(fèi)因素進(jìn)行綜合調(diào)整，一次性解決三相不平衡、高次諧波、過(guò)剩電壓等電力浪費(fèi)和污染問(wèn)題。

2）使用范圍廣泛，凡是低壓用電系統(tǒng)大都適用，無(wú)需對(duì)逐個(gè)電力負(fù)載進(jìn)行安裝改造。

3）與電力變壓器一比一大容量匹配，工程安裝簡(jiǎn)單不麻煩。

4）低壓電力系統(tǒng)電能浪費(fèi)通常高達(dá)5%～20%，負(fù)載設(shè)備的容量大、用電額度巨大，相對(duì)保證了較高的投資收益率，一般可以達(dá)到30%以上，節(jié)能量與用電額度成線性關(guān)系，長(zhǎng)期使用，收益巨大。

5）根據(jù)工況對(duì)癥下藥，量身定制，技術(shù)層面的針對(duì)性強(qiáng)。

6）對(duì)用戶(hù)的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量沒(méi)有任何影響。

7）自身?yè)p耗低于標(biāo)稱(chēng)容量的0.3%。

8）半永久性使用壽命，長(zhǎng)達(dá)30年以上。因?yàn)橹骰芈窙](méi)有電子元器件，所以穩(wěn)定性高，故障率低，基本上屬于免維護(hù)產(chǎn)品。

9）改善電網(wǎng)電力品質(zhì)，有效保護(hù)用電負(fù)載，延長(zhǎng)負(fù)載使用壽命。

1.5 應(yīng)用低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置的經(jīng)濟(jì)分析

在配變低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置能有效降低配電變及以上輸配電網(wǎng)的損耗。由于計(jì)算整個(gè)電網(wǎng)損耗涉及因素多，工作量大，以圖1某縣級(jí)供電公司配電子網(wǎng)為例，計(jì)算說(shuō)明低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償具有巨大的直接和間接效益。

（1）改造前購(gòu)電線損綜合成本

某縣級(jí)公司公配變抄表到戶(hù)售電量×電網(wǎng)購(gòu)電平均電價(jià)×｛1÷［（1-低壓公配網(wǎng)技術(shù)線損率）×（1-低壓公配變技術(shù)線損率）×（1-高壓電網(wǎng)綜合技術(shù)線損率）］-1｝

=10 665.81×0.4383×｛1÷［（1-8.81%）×（1-2%）×（1-3.31%）］-1｝=735.34萬(wàn)元

（2）改造后購(gòu)電線損綜合成本

某縣級(jí)公配變抄表到戶(hù)售電量×電網(wǎng)購(gòu)電平均電價(jià)×（1-客戶(hù)平均技術(shù)線損率）×｛1÷［（1-低壓公配網(wǎng)技術(shù)線損率）×（1-低壓公配變技術(shù)線損率）×（1-高壓電網(wǎng)綜合技術(shù)線損率）］-1｝=10665.81×0.4383×（1-8%）×｛1÷［（1-5.286%）×（1-1.6%）×（1-3.31%）］-1｝=512.71萬(wàn)元

（3）改造后購(gòu)電減少線損綜合成本

改造前某縣級(jí)公司購(gòu)電的線損綜合成本-改造后省公司購(gòu)電的線損綜合成本=735.34-512.71=222.63萬(wàn)元

（4）改造后某縣級(jí)供電公司少售電量減少電費(fèi)收入

某縣級(jí)公配變抄表到戶(hù)售電量×公配網(wǎng)到戶(hù)平均售電電價(jià)=10 665.81×0.622 8×8%=531.41萬(wàn)元

（5）改造后減少購(gòu)電成本支出

某縣級(jí)公配變抄表到戶(hù)售電量×電網(wǎng)購(gòu)電平均電價(jià)×客戶(hù)平均技術(shù)線損率÷［（1-低壓公配網(wǎng)技術(shù)線損率）×（1-低壓公配變技術(shù)線損率）×（1-高壓電網(wǎng)綜合技術(shù)線損率）］=10 665.81×0.438 3×8%÷［（1-5.286%）×（1-1.6%）×（1-3.31%）］=415.00萬(wàn)元

（6）改造后實(shí)際減少電費(fèi)收入

改造后某縣級(jí)公司少售電量減少電費(fèi)收入-改造后省公司減少購(gòu)電成本支出=531.41-415.00=116.41萬(wàn)元

（7）改造后實(shí)際得到收入

改造后某縣級(jí)供電公司購(gòu)電的線損綜合成本-改造后省公司實(shí)際減少電費(fèi)收入=222.63-116.41=106.22萬(wàn)元

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一覽表

（8）可改造配變?nèi)萘?/p>

改造后某縣級(jí)供電公司實(shí)際得到收入÷設(shè)備購(gòu)置費(fèi)／1kVA=1 062 200.00÷400=2 656kVA

（9）改造前利潤(rùn)

（改造前售電電費(fèi)-改造前購(gòu)電電費(fèi)）÷改造前購(gòu)電電費(fèi)=（6 642.67-5 410.16）÷5 410.16=22.78%

（10）改造后利潤(rùn)

（改造后售電電費(fèi)-改造后購(gòu)電電費(fèi)）÷改造后購(gòu)電電費(fèi)=（6 111.25-4 772.68）÷4 772.68=28.05%

說(shuō)明 高壓綜合線損率（%）：省公司購(gòu)電關(guān)口至供電網(wǎng)10kV公配變10kV高壓側(cè)平均線損率；

配變變損率（%）：10kV公配變平均變損率；

低壓配網(wǎng)線損率（%）：10kV公配變低壓出口至客戶(hù)電能計(jì)量表的平均線損率；

抄表到戶(hù)售電量（kWh）：到戶(hù)抄表售電量；

電網(wǎng)購(gòu)電平均電價(jià)（元／kWh）：省公司購(gòu)電關(guān)口平均綜合電價(jià)；

公配網(wǎng)到戶(hù)售電平均電價(jià)（元／kWh）：到戶(hù)計(jì)量售電平均綜合電價(jià)。

低壓補(bǔ)償裝置安裝地點(diǎn)分散、數(shù)量大，運(yùn)行維護(hù)是補(bǔ)償工程需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題；另外，配電系統(tǒng)負(fù)荷情況復(fù)雜，系統(tǒng)可能存在諧波、三相不平衡，以及防止出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，這些工程中應(yīng)注意的問(wèn)題后面詳細(xì)介紹。

根據(jù)以上常用無(wú)功補(bǔ)償方案的分析、討論，可歸納、整理出四種補(bǔ)償方案的特點(diǎn)和基本性能如表2所示。

表2 三種無(wú)功補(bǔ)償方法的特點(diǎn)比較

2 低壓降損裝置選型及工程施工應(yīng)注意的問(wèn)題

低壓降損裝置安裝地點(diǎn)分散、數(shù)量多，且配電網(wǎng)電壓、負(fù)荷情況復(fù)雜；工程中相關(guān)問(wèn)題考慮不周，不僅影響裝置正常運(yùn)行，也帶來(lái)很多維護(hù)、管理等問(wèn)題，工程問(wèn)題必須引起重視。

（1）運(yùn)行及產(chǎn)品可靠性問(wèn)題

與配電變壓器相比，有些低壓降損裝置的維護(hù)量無(wú)疑要高很多；控制系統(tǒng)越復(fù)雜、功能越多，維護(hù)工作量越大。有些單位從“長(zhǎng)遠(yuǎn)”考慮，提出聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控等很多要求，無(wú)疑會(huì)增大投資和運(yùn)行維護(hù)量，事實(shí)是很多沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)的可能。

低壓降損裝置的可靠性是關(guān)鍵。大量工程實(shí)踐表明，戶(hù)外配變降損裝置因工作條件差，晶閘管半導(dǎo)體類(lèi)降損裝置難滿(mǎn)足可靠性要求，低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置是最佳選擇。

（2）產(chǎn)品類(lèi)型和功能選擇問(wèn)題

對(duì)配電臺(tái)變的降損控制，有多種類(lèi)型和不同功能的產(chǎn)品可供選擇。城網(wǎng)臺(tái)變多以降損為主，很多要求有綜合監(jiān)測(cè)功能。農(nóng)網(wǎng)不同場(chǎng)合要求不同，可考慮配電+降損、降損+計(jì)量，特殊用戶(hù)可用配電+降損+計(jì)量或降損+綜測(cè)。而低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置大都可以滿(mǎn)足這些綜合要求。對(duì)監(jiān)控功能的要求高，必然成本高、投資大。建議根據(jù)實(shí)際需要和使用場(chǎng)合，合理選擇功能適用、價(jià)位合理的產(chǎn)品。實(shí)際工程上，不應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)變臺(tái)安裝有多個(gè)箱子的情況。

（3）控制量選取和控制方式問(wèn)題

很多專(zhuān)變降損裝置往往單純根據(jù)電壓控制電容器來(lái)達(dá)到降損目的，這種方式有助于保證用戶(hù)的電壓質(zhì)量，但對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償不可取。前面圖1線路的電壓分析表明，電網(wǎng)的電壓水平是由系統(tǒng)情況決定的。若只按電壓高或低控制，降損裝置的無(wú)功補(bǔ)償量可能與實(shí)際需求相差很大，容易出現(xiàn)無(wú)功過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。

（4）補(bǔ)償效果和補(bǔ)償容量問(wèn)題

低壓側(cè)補(bǔ)償無(wú)功降損可提高配變功率因數(shù)，降低配變損耗，但只在某一節(jié)點(diǎn)的配變裝降損裝置，對(duì)10kV線路降損作用很小。因此，某條線路配變安裝降損裝置數(shù)量少或降損裝置容量不足，影響全網(wǎng)（線路）降損和電壓改善效果。如用功率三角形計(jì)算方法確定降損裝置容量，對(duì)實(shí)際工程難以實(shí)現(xiàn)。配電網(wǎng)日負(fù)荷變化大，負(fù)荷性質(zhì)不同，降損裝置容量要求也不同。大量工程實(shí)踐表明，對(duì)具有動(dòng)態(tài)降損能力的裝置容量選取在配變?nèi)萘?0%～30%內(nèi)。同時(shí)，對(duì)個(gè)別情況可能需要進(jìn)行特殊處理。

（5）無(wú)功倒送和三相不平衡問(wèn)題

安裝或選用低壓降損裝置裝置時(shí)，應(yīng)充分考慮無(wú)功倒送會(huì)增加線路和變壓器的損耗，加重線路供電負(fù)擔(dān)。為防止三相不平衡系統(tǒng)的無(wú)功倒送，可采取諸如低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置此類(lèi)對(duì)三相不平衡問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)的裝置。固定降損裝置部分容量過(guò)大，容易出現(xiàn)無(wú)功倒送。若像降損裝置具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力，則能有效避免無(wú)功倒送。對(duì)三相不平衡較大的負(fù)荷，比如機(jī)關(guān)、學(xué)校等單相負(fù)荷多的用戶(hù)，往往考慮采用傳統(tǒng)的分相無(wú)功補(bǔ)償裝置。但一般需要加裝控制器使其裝置具有分相控制功能，這使得工程造價(jià)加大，這是工程中必須考慮的問(wèn)題。

（6）諧波影響和電容器保護(hù)問(wèn)題

諧波影響會(huì)使電容器過(guò)早損壞或造成控制失靈，諧波放大會(huì)使干擾更加嚴(yán)重。工程中應(yīng)掌握用戶(hù)負(fù)荷性質(zhì)，必要時(shí)應(yīng)對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)的諧波進(jìn)行測(cè)試，存在諧波但不超標(biāo)可選抗諧波無(wú)功補(bǔ)償裝置，而諧波超標(biāo)則應(yīng)治理諧波。若采用以電容器補(bǔ)償作為核心的降損裝置，由于電容器耐壓標(biāo)準(zhǔn)為1.1UN，降損裝置控制器過(guò)壓保護(hù)一般取1.2 UN，超過(guò)必須跳閘，如圖1線路首端節(jié)點(diǎn)配變?nèi)绨惭b傳統(tǒng)帶電容器的降損裝置可能發(fā)生跳閘。實(shí)際工程中，對(duì)電壓較高電網(wǎng)的裝置應(yīng)予以關(guān)注。

3 結(jié)語(yǔ)

電網(wǎng)降損裝置是一項(xiàng)建設(shè)性的技術(shù)措施，對(duì)電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要作用。由于篇幅限制，本文重點(diǎn)對(duì)配電網(wǎng)的降損技術(shù)進(jìn)行了分析、探討。分析計(jì)算結(jié)果和大量工程實(shí)踐表明，積極采用新型的低壓供配網(wǎng)節(jié)電裝置作為低壓公共配電網(wǎng)優(yōu)化工程中的降損裝置可以滿(mǎn)足電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，當(dāng)然怎樣優(yōu)化選取最佳方案仍有很多技術(shù)問(wèn)題在實(shí)踐中值得認(rèn)真分析和思考。