關(guān)于某鉛酸電池廠 10 kV 供電線路電壓降問題的原因分析與解決方案

武艾萍

（浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司，浙江 杭州 310000）

1 問題的提出

某鉛酸電池廠主供電源由上級 110 kV 變電站10 kV 母線出兩回專線供電（每回線路總長 7.26 km）。該線路由 JKLYJ-1×240 mm2絕緣電線和ZRYJV-3×400 mm2電纜組合而成。全廠電氣主接線詳見圖 1。廠內(nèi)主要用電設(shè)備有極板車間設(shè)備（鉛粉機(jī)、鉛鍋等）、活化車間設(shè)備（主要為充電機(jī)）、裝配車間設(shè)備（各種馬達(dá)等）、輔助車間設(shè)備（空壓機(jī)等），總視在負(fù)荷為 52 711.95 kW。目前存在的主要問題是當(dāng)廠內(nèi)負(fù)荷達(dá)到 5 000 kW 及以上時(shí)，兩回專線電壓降均在 7 % 以上，導(dǎo)致 0.4 kV母線電壓在 360 V 上下波動(dòng)，影響了部分對電壓敏感的生產(chǎn)設(shè)備的正常啟動(dòng)。

圖1 電氣主接線圖

2 原因分析

針對上述問題，通過實(shí)測線路電阻電抗，與地方供電公司多次溝通并結(jié)合廠內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備和供配電設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況總結(jié)出了以下幾點(diǎn)原因：

2.1 當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)影響

上級 110 kV 變電站 10 kV 母線（架空線）的電壓水平偏低，導(dǎo)致運(yùn)行電壓達(dá)不到預(yù)期的 10.5 kV，平均在 10.2～10.3 kV。晚上 18 點(diǎn)以后 10 kV 母線電壓水平也較低，在 10.25～10.4 kV 之間。按照平均電壓 10.2 kV 計(jì)算的兩回線路壓降值如表 1、表 2所示?？梢钥闯觯?dāng)全廠負(fù)荷達(dá)到 5 000 kW 以上時(shí)，電壓降幅已在 7 % 以上，不符合《電能質(zhì)量供電電壓偏差》（GB/T 12325—2008）中第 4.2條款的規(guī)定：20 kV 及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的 ± 7 %[1]。

表1 10 kV 三相平衡負(fù)荷線路（40 線）電壓降計(jì)算表[2]

表2 10 kV 三相平衡負(fù)荷線路（50 線）電壓降計(jì)算表

2.2 供電半徑和供電電壓等級不滿足規(guī)定要求

《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》（Q/GDW 10370—2016）規(guī)定：電力用戶的供電電壓等級應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)條件、電力用戶分級、用電最大需量或受電設(shè)備總?cè)萘?，?jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。一般情況下供電電壓等級可參照表 3 確定[3]。目前，廠內(nèi)在運(yùn)行的配電變壓器總?cè)萘恳堰_(dá)到 19.615 MV·A，根據(jù)表 3 中要求不應(yīng)該采用 10 kV 電壓等級供電。按照《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》（Q/GDW 1738—2012）關(guān)于供電區(qū)域劃分和供電半徑的要求，此工廠屬于 C類供電區(qū)域。原則上 C 類供電區(qū)域的供電半徑不宜超過 5 km[4]，而實(shí)際上工廠距上級變電站約 7.26 km，超過了規(guī)定的供電半徑。因此，末端電壓質(zhì)量肯定會受影響。

表3 電力用戶供電電壓等級的確定

2.3 廠內(nèi) 10 kV 配電室未配置無功補(bǔ)償裝置

根據(jù)線路參數(shù)測試結(jié)果，按以下公式：

計(jì)算線路的有功損耗 ΔPL和無功損耗 ΔQL[2]。40線、50 線路的無功損耗偏大，在數(shù)值上大約為有功損耗的 2 倍（見表 4、表 5）。無功損耗偏大會導(dǎo)致功率因數(shù)下降，引起線路有效載荷能力降低，然后無功功率隨之增大。電壓穩(wěn)定與否主要取決于系統(tǒng)中無功功率的平衡。無功功率的增大部分若沒有與之匹配的補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償就會造成無功缺額，自然就會引起電壓降低。按照無功就地就近平衡的原則，需要在廠內(nèi)中心配 10 kV 兩回母線上分別安裝無功補(bǔ)償裝置，但是原設(shè)計(jì)中并未配置，這也是引起電壓降大的原因之一。

表4 10 kV 三相平衡負(fù)荷線路（40 線） 40 線損耗計(jì)算表[2]

表5 10 kV 三相平衡負(fù)荷線路（50 線） 40 線損耗計(jì)算表

2.4 補(bǔ)償效果不佳

根據(jù)全廠 0.4 kV 母線無功補(bǔ)償，現(xiàn)在設(shè)備配置情況如下。A3 中心配電室中 5B、6B 停運(yùn)，而且靜態(tài)補(bǔ)償電容器組未投運(yùn)。12B、13B 并列運(yùn)行，且動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電容器組均投入（見圖 2）。A2-1 配電室中 7B、16B 停運(yùn)，而且 7B、16B 低壓側(cè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電容器未投運(yùn)。8B、9B 運(yùn)行，而且 8B 同時(shí)帶7B 低壓側(cè)負(fù)載，9B 同時(shí)帶 16B 低壓側(cè)負(fù)載。8B動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電容器組投入，且 cosφ= 0.94。9B 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電容器組投入，且 cosφ= 0.95（見圖 3）。在 A2-2 配電室中 15B 運(yùn)行，17B 停運(yùn)，且 15B 同時(shí)帶 17B 低壓側(cè)負(fù)載。15B 低壓側(cè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電容器組投入，且 cosφ= 0.94。17B 低壓側(cè)靜態(tài)補(bǔ)償電容器組均未投入（見圖 4）。A1-1 配電室中 1B運(yùn)行，2B 停運(yùn)，且 1B 同時(shí)帶 2B 低壓側(cè)負(fù)載。1B低壓側(cè)靜態(tài)補(bǔ)償電容器組投入，且 cosφ= 0.95。2B 低壓側(cè)靜態(tài)補(bǔ)償電容器組均未投入（見圖 5）。A1-2 配電室中 10B 停運(yùn)，11B 運(yùn)行且同時(shí)帶 10B低壓側(cè)負(fù)載。10B 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電容器組未投入，但11B 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電容器組均投入，且 cosφ介于 0.92～0.94 之間?，F(xiàn) 4B 停運(yùn)，3B 運(yùn)行且同時(shí)帶 4B 低壓側(cè)負(fù)載。4B 靜態(tài)補(bǔ)償電容器組未投入，但 3B 靜態(tài)補(bǔ)償電容器組均投入，cosφ介于 0.91～0.92 之間（見圖 6）。在兩回線路總負(fù)荷達(dá) 7 000～7 100 kW時(shí)，0.4 kV 側(cè)無功補(bǔ)償容量剛剛滿足廠內(nèi)的無功缺額（見表 6）。若負(fù)荷進(jìn)一步增加，無功補(bǔ)償容量有可能欠補(bǔ)償。由于 10 kV 側(cè)無無功補(bǔ)償全靠 0.4 kV 側(cè)補(bǔ)償設(shè)備投入，而 0.4 kV 側(cè)補(bǔ)償效果對電壓的抬升作用不明顯，僅在 10 V 以內(nèi)（抬升電壓與投入容量成正比），所以補(bǔ)償效果不佳也是原因之一。

圖2 A3 中心配電室 0.4 kV 側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備配置圖

圖3 A2-1 配電室 0.4 kV 側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備配置圖

圖4 A2-2 配電室 0.4 kV 側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備配置圖

圖5 A1-1 配電室 0.4 kV 側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備配置圖

圖6 A1-2 配電室 0.4 kV 側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備配置圖

2.5 無功缺額大

根據(jù)《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 1773—2017）中“容性無功補(bǔ)償容量可按主變?nèi)萘康?10 %～30 % 配置，并滿足最大負(fù)荷時(shí)其高壓側(cè)功率因數(shù)不低于 0.95”的要求[2]，結(jié)合以上數(shù)據(jù)可以看出，為了維持線路的電壓，無功占比較大。根據(jù)負(fù)荷情況由于廠內(nèi)存在較多數(shù)量的充電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載，0.4 kV 側(cè)無功需求也較大。從表 6 中數(shù)據(jù)看出，廠內(nèi)無功需求是比較大的。上級變電站現(xiàn)配置的容性無功容量是 9～12 Mvar，約占主變?nèi)萘康?13 %。就其本身而言，由于離電源點(diǎn)較近是很難差無功的（現(xiàn)狀是站內(nèi)無功補(bǔ)償有時(shí)都投不上），其輸出的無功功率就有限。因此，在工廠內(nèi)無功需求大的情況下自然就會存在無功缺額。一旦無功缺額大了，直接影響就是電壓降低。

表6 10 kV 40 線、50 線無功功率及 0.4 kV 側(cè)無功補(bǔ)償容量統(tǒng)計(jì)表

3 解決措施

（1）對于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響和供電電壓等級不滿足規(guī)定要求，可以重新選取電源點(diǎn)，在廠內(nèi)建設(shè)更高電壓等級變電站，如 35 kV 變電站、110 kV 變電站。

（2）對于供電半徑過長的問題，如果繼續(xù)采用 10 kV 電壓等級供電，可從就近變電站出 3～5回 10 kV 線路，同時(shí)對廠內(nèi)配電結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，設(shè)置 3～5 個(gè)中心配電室以輻射狀供電。

（3）在現(xiàn)有 A3 中心配 10 kV 室內(nèi)加裝無功補(bǔ)償裝置。

（4）對于 0.4 kV 側(cè)無功補(bǔ)償有可能欠補(bǔ)償?shù)膯栴}，由于目前廠內(nèi)共有 5 臺諧波補(bǔ)償柜（F360-50/250），只投用 3 臺（另 2 臺停用），在充電回路大幅增加的情況下需增加可控硅充電機(jī)諧波補(bǔ)償柜容量。按照（4～5）× 360 kvar/臺 2 500 kV·A變壓器配置，才能滿足充電機(jī)的無功消耗需求，提高功率因數(shù)至 0.93 及以上。

（5）對于廠內(nèi) 0.4 kV 側(cè)無功補(bǔ)償效果不佳問題，建議從無功補(bǔ)償裝置的維護(hù)入手，盡可能地保障設(shè)備長期安全連續(xù)運(yùn)行。比如：夏季時(shí)段環(huán)境溫度較高時(shí)，由于配電室相對密閉通風(fēng)較差，在配電室加裝空調(diào)或其他散熱設(shè)備；由于充電機(jī)設(shè)備屬于諧波源，如果充電機(jī)設(shè)備投入數(shù)量增多，根據(jù)諧波電流實(shí)測結(jié)果當(dāng)變壓器負(fù)荷電流達(dá)到 50 % 額定電流及以上時(shí)，大量的諧波電流將會注入電抗電容器組，造成電容器的容抗降低，電流增大，引起電容器發(fā)熱、鼓包，甚至燒壞。因此有必要在無功補(bǔ)償裝置前端加裝專用濾波器—有源濾波裝置，以保護(hù)電容器組，避免受諧波危害，保證補(bǔ)償效果并延長使用壽命。

4 設(shè)計(jì)、運(yùn)維過程中注意事項(xiàng)及相關(guān)建議

4.1 設(shè)計(jì)角度

根據(jù)上述的問題，從設(shè)計(jì)角度應(yīng)注意考慮以下方面：

（1）在選擇供電電源時(shí)，應(yīng)按照配電網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則等規(guī)范規(guī)程選擇就近的（5 km 以內(nèi)）電源點(diǎn)接入。若采用 10 kV 電壓等級供電線路，末端受電變壓器容量應(yīng)盡量保證不超過 20 MV·A。對于活化、裝配車間，供電變壓器應(yīng)考慮滿足并列運(yùn)行條件。

（2）由于廠內(nèi)存在大量充放電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載，對無功需求比較大，按照無功就地就近平衡的原則[6]，應(yīng)考慮在廠內(nèi) 10 kV 配置無功補(bǔ)償設(shè)備。在無功補(bǔ)償設(shè)備的容量和繼電保護(hù)配置設(shè)計(jì)過程中應(yīng)及時(shí)與供電部門溝通，確保后期無功補(bǔ)償設(shè)備投入運(yùn)行正常。同時(shí)與無功補(bǔ)償設(shè)備廠家充分溝通，當(dāng)三相負(fù)荷不平衡或者廠內(nèi)負(fù)荷處于低谷時(shí)，優(yōu)化設(shè)備性能，改進(jìn)保護(hù)配置，從技術(shù)上做到防止無功倒送[7]。

（3）針對廠內(nèi)的可控硅充電機(jī)，應(yīng)考慮配置匹配的適宜容量的諧波補(bǔ)償設(shè)備，并充分考慮諧波補(bǔ)償設(shè)備和可控硅充放電機(jī)電源進(jìn)線截面的規(guī)格。

（4）考慮在廠內(nèi) 0.4 kV 母線上原有配置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備的基礎(chǔ)上增加專用濾波設(shè)備[8]，用于保護(hù)電容器組免受諧波電流的危害，同時(shí)保證補(bǔ)償效果。

4.2 運(yùn)行維護(hù)角度

從廠內(nèi)供配電設(shè)備運(yùn)行維護(hù)角度出發(fā)，提出如下建議：

（1）在做好防止小動(dòng)物進(jìn)入的前提下加強(qiáng)配電室通風(fēng)散熱，適當(dāng)增加空調(diào)、散熱風(fēng)機(jī)等，保證無功補(bǔ)償設(shè)備在規(guī)定運(yùn)行溫度下長期可靠運(yùn)行。

（2）加強(qiáng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償柜、諧波補(bǔ)償柜等設(shè)備的日常巡檢，以便發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理。尤其在可控硅充電機(jī)全部運(yùn)行時(shí)，必須保證諧波補(bǔ)償柜全部容量的投入。如果發(fā)現(xiàn)個(gè)別諧波補(bǔ)償柜沒有投入運(yùn)行，應(yīng)檢查控制器、開關(guān)設(shè)備、電容電抗器組是否有異常，目標(biāo)功率因數(shù)設(shè)置是否過低，然后采取更換元器件或者聯(lián)系設(shè)備廠家檢修等措施。