提高10kV配電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究

冼杰能

（佛山順德供電局大良供電所，廣東 佛山 528300）

提高10kV配電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究

冼杰能

（佛山順德供電局大良供電所，廣東 佛山 528300）

摘要：電力工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人民生活水平不斷提升的過程中，電力需求增長速度愈來愈快，且電能質(zhì)量要求也愈來愈高。由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且負(fù)荷多樣，存在多種因素對電能質(zhì)量有所影響，所以需要采取一定措施對配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，才能保證電能質(zhì)量滿足實(shí)際需求。基于此，本文對10kV配電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行了綜合性分析，并提出了相關(guān)完善策略，以供參考。

10kV；配電網(wǎng)；電能質(zhì)量；改善

1. 10kV配網(wǎng)概述

在我國大型發(fā)電廠通常距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，在電能傳輸過程中，發(fā)電廠要先將高壓或超高壓電能輸送于負(fù)荷中心，再由負(fù)荷中心將較低等級電壓的電能分配于不同電壓等級的用戶。

上述過程中，配電網(wǎng)發(fā)揮了重要作用。在電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的過程中，輸電網(wǎng)自動(dòng)化水平較以往有了大幅度提升，但配網(wǎng)自動(dòng)化程度與之相比依然存在一定差距。相關(guān)研究表明，用電量多的配電網(wǎng)絡(luò)，往往存在較大的電能損耗，會(huì)影響整體電能質(zhì)量。10kV配電網(wǎng)是我國是我國最為常見的配電網(wǎng)類型，其主要面向?qū)ο蟀ㄆ胀üI(yè)用戶、居民照明、商業(yè)、辦公區(qū)等。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，我國80%的電量是在城市配電網(wǎng)內(nèi)消耗的，其中又有70%是經(jīng)由10kV配電網(wǎng)輸送給用戶的。10kV配電網(wǎng)最大特征在于其電網(wǎng)末端與用戶直接相連，可將用戶用電安全、用電質(zhì)量及用電經(jīng)濟(jì)性等反映出來。綜合來看，10kV配網(wǎng)在城市供電中扮演了重要的角色，這也從側(cè)面反映了提高10kV配電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要性。

2. 電能質(zhì)量概述

電能質(zhì)量主要是指電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量。在理想模型中，電能是完美對稱的正弦波。但在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，往往存在一些因素會(huì)讓波形偏離對稱弦，即造成電能質(zhì)量問題。電能質(zhì)量主要是靠電壓、頻率及波形等指標(biāo)來衡量，從廣義上來看電能質(zhì)量又涵蓋了電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量供電質(zhì)量及用電質(zhì)量等。

3. 10kV配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響原因分析

10kV配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響因素較多，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）諧波

在10kV配電網(wǎng)中，諧波分量主要是由于部分電力設(shè)備及負(fù)荷的非線性特性所致。一旦非線性負(fù)荷兩端受到電網(wǎng)正弦基波電壓影響時(shí)，會(huì)使得負(fù)荷所吸收的電流及施加電壓波形無法保持一致，便可能產(chǎn)生畸變電流，從而對電力設(shè)備造成影響。以變壓器為例，受到諧波分量影響時(shí)，變壓器可能會(huì)出現(xiàn)集膚效應(yīng)或鄰近效應(yīng)，導(dǎo)致繞組出現(xiàn)附加鐵耗及銅耗，易造成變壓器絕緣老化，影響變壓器壽命；又如，出現(xiàn)高次諧波電壓或電流時(shí)，其會(huì)在電網(wǎng)中不斷累積，造成線路損耗增加，使得電力設(shè)備過熱，這會(huì)增加一定量的電力運(yùn)營成本及電費(fèi)支出。

（2）電壓波動(dòng)

當(dāng)部分負(fù)荷出現(xiàn)沖擊性功率變化時(shí)，便會(huì)造成無功功率波動(dòng)，使得電壓在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)。此時(shí)實(shí)際電壓會(huì)逐漸偏離額定電壓，即為電壓波動(dòng)。電壓波動(dòng)多發(fā)生于配網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中，并由配電變壓器傳遞至低壓側(cè)用戶端，對供電產(chǎn)生影響。

（3）三相電壓不平衡

從本質(zhì)上來看，三相電壓不平衡屬于基波負(fù)荷配置問題，是由于單相大容量負(fù)荷在三相系統(tǒng)中的容量及電氣位置分布不合理導(dǎo)致。電力系統(tǒng)中存在大量電容元件及電感，便會(huì)產(chǎn)生無功功率。無功功率本身并不會(huì)消耗能量，其能量僅在負(fù)載與電源間交換、輸出，但在能量交換過程中會(huì)帶來一定程度的電能損耗，會(huì)讓電網(wǎng)實(shí)際功率增加，甚至?xí)﹄娏ο到y(tǒng)及部分用電設(shè)備產(chǎn)生一定影響。無功功率不足會(huì)讓負(fù)荷端供電電壓下降；若無功功率過大則會(huì)造成運(yùn)行電壓波動(dòng)上升、加大輸電線路附加損耗、引發(fā)非特征次諧波、導(dǎo)致負(fù)荷較大的某相繞組出現(xiàn)過熱等問題。

（4）電壓偏差

在系統(tǒng)出現(xiàn)無功功率多余或不足的情況下會(huì)造成電壓偏移。若電網(wǎng)出現(xiàn)長時(shí)間電壓偏移，則會(huì)影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至?xí)l(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓崩潰。

（5）電網(wǎng)頻率偏移

對于配電網(wǎng)電能質(zhì)量而言，頻率偏移是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，反映了電力系統(tǒng)基波頻率偏移額定頻率的程度。之所以會(huì)出現(xiàn)頻率偏移，很大程度上是由于發(fā)電機(jī)有功出力及有功負(fù)荷不平衡所致。當(dāng)系統(tǒng)頻率偏移過大時(shí)，可能會(huì)造成濾波器失諧、異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降、電動(dòng)機(jī)輸出功率下降、變壓器激磁電流上升等故障，會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

4. 提高10kV配電網(wǎng)電能質(zhì)量相關(guān)策略分析

4.1 并聯(lián)電容器，就地平衡無功功率

通過提升配電網(wǎng)功率因素、降低線損等措施，可有效改善其電壓質(zhì)量，進(jìn)而改善整體電能質(zhì)量。在受電端加裝并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置，再結(jié)合電壓及功率因素狀況，自動(dòng)投切電容器，可讓無功潮流就低平衡。在電網(wǎng)傳輸功率時(shí)，電流會(huì)在變壓器線路及阻抗上產(chǎn)生電壓損耗ΔU=（PR+QX）/UN。

當(dāng)置入并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置后，其線路電壓損耗為：

并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行時(shí)會(huì)造成靜態(tài)電壓升高，即表示為：

以上公式中，ΔU為電壓損耗；QC為補(bǔ)償投入電容器容量；P為線路傳輸有功功率；R、X為線路電阻、阻抗；UN為線路額定電壓；Q為線路傳輸?shù)墓β?。結(jié)合上述公式可以看出，當(dāng)無功功率出現(xiàn)變化時(shí)，電壓降也會(huì)隨之發(fā)生改變。在并聯(lián)電容器的作用下，可就地平衡無功功率，讓無功功率在電網(wǎng)傳輸過程中受到抑制。由此可降低線路電壓損耗，即可提升電壓質(zhì)量。

4.2 無功優(yōu)化補(bǔ)償

目前，10kV配電網(wǎng)的無功配置主要包括用戶終端分散補(bǔ)償、桿上無功補(bǔ)償及變電站集中補(bǔ)償3種方式：

（1）用戶分散補(bǔ)償

該補(bǔ)償方式可應(yīng)用于整個(gè)電網(wǎng)，具有較好的適用性，其電壓改善效果較為理想，可有效降低線損及電壓損失，有利于提升線路整體供電能力。由于低壓無功補(bǔ)償主要是通過配電變壓器低壓側(cè)最大無功功率需求來確定容量，故設(shè)備利用率不高，投資較大。

（2）桿上無功補(bǔ)償

桿上無功補(bǔ)償是10kV配電網(wǎng)中最為常見的補(bǔ)償方式。該方式主要是通過提升配電網(wǎng)功率因數(shù)來實(shí)現(xiàn)降損升壓。其設(shè)備利用率較高，投資較小，電壓改善效果較高。但由于桿上安裝并聯(lián)電容器與變電站存在一定距離，會(huì)影響保護(hù)配置，會(huì)對維護(hù)工作產(chǎn)生一定影響。

（3）變電站集中補(bǔ)償

該補(bǔ)償方式主要是通過并聯(lián)電抗器及有載調(diào)壓變壓器來實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，可獲取較好的電壓改善效果，但投資相對較大。

4.3 構(gòu)建電能質(zhì)量協(xié)調(diào)系統(tǒng)

在電能質(zhì)量控制過程中，可采取多種方法或方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。但這些方法只能獨(dú)立調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)結(jié)果會(huì)相互影響。為保證電能質(zhì)量得到最大程度地改善，就需要協(xié)調(diào)各種調(diào)節(jié)設(shè)備，以發(fā)揮協(xié)同作用，這就需要構(gòu)建出一個(gè)電能質(zhì)量協(xié)調(diào)系統(tǒng)。電能質(zhì)量協(xié)調(diào)系統(tǒng)可采取集中控制、分級控制方式構(gòu)建。集中控制主要是將大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞至控制中心，進(jìn)行統(tǒng)一處理；分級控制則是將信息控制在一個(gè)較小范圍內(nèi)，由上級對下級進(jìn)行協(xié)調(diào)。同時(shí)，電能質(zhì)量協(xié)調(diào)系統(tǒng)應(yīng)視為電力系統(tǒng)的一部分，它可單獨(dú)成立，但不能成為信息孤島。通過電能質(zhì)量協(xié)調(diào)系統(tǒng)可對全網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析，根據(jù)分析結(jié)果對相關(guān)設(shè)備行為進(jìn)行協(xié)調(diào)，以保證電能質(zhì)量達(dá)到要求。

4.4 充分應(yīng)用電能質(zhì)量改善技術(shù)

在電能質(zhì)量改善過程中，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況，合理、科學(xué)利用相關(guān)技術(shù)：

（1）無源濾波器

無源濾波器是目前應(yīng)用最為廣泛的一類濾波器。它主要是又電阻、電感及電容元件所構(gòu)成。利用無源濾波器可讓負(fù)載諧波電流在電網(wǎng)支路及濾波器支路分流。但無源濾波器的濾波性能受電網(wǎng)阻抗影響較大。

（2）靜止同步補(bǔ)償器

該裝置主要是由IGBT逆變器、直流側(cè)電容及變壓器等構(gòu)成。將自換相橋式電路經(jīng)過電抗器并聯(lián)于電網(wǎng)上，通過控制IGBT通斷來調(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓的幅值與相位，來產(chǎn)生滿足實(shí)際需求的無功電流，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

（3）同步調(diào)相機(jī)

將同步調(diào)相機(jī)接入交流系統(tǒng)后，在欠勵(lì)磁情況下，它可發(fā)揮類似于電感器的作用，可從交流系統(tǒng)中吸收無功功率；在過勵(lì)磁情況下，又可發(fā)揮類似于電容器的作用，向交流系統(tǒng)中注入無功，由此來實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。

結(jié)語

提高10kV配電網(wǎng)電能質(zhì)量與城市正常供電存在密切關(guān)聯(lián)，應(yīng)給予充分重視。根據(jù)配電網(wǎng)實(shí)際狀況，采取相關(guān)技術(shù)措施，讓電能質(zhì)量達(dá)到要求，并通過協(xié)調(diào)配合，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

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