配电网低电压治理关键问题研究 胡晓菁 ,陈磊 ,牛全保 ,邢军 ,刘永斌。 (1.国网陕西省电力公司经济技术研究院,陕西西安710065;2.国网陕西省电力公司, 陕西西安710048;3.国网商洛供电公司,陕西商洛726000) 摘要:单辐射、长距离、重负荷的配电网线路往往存在低电压问题,这已成为影响电网供电可靠性的关键 因素。文章基于陕西配电网低电压现状及特点,分析了线路供电半径及线径对电压降的影响,进一步推导了 不同负载情况下常用配电网线路的电压损失百分比。同时,研究了线路串联无功补偿、负荷功率因数与线路 末端电压之间的变化规律,为配电网低电压问题治理提供技术依据。 关键词:配电网;低电压;供电半径;无功补偿 中图分类号:TM71 文献标志码:A DOI:10.19421/j.cnki.1006.6357.2017.02.010 0引言 2008《电能质量供电电压偏差》中 2配电网低电压现状分析 随着社会的不断发展和人民生 “20kV及以下三相供电电压偏差为 2.1陕西配电网低电压现状分析 活水平的不断提高,农村用电客户 标称电压的±7%;220V单相供电电 陕西省电力公司共有低电压台 的用电需求也目益提高。尤其是单 压偏差为标称电压的4-7%、一10%” 区6 802个,其中城市配电网低电压 06%(主要集 辐射、长距离、重负荷的配电网线 的规定,将低于198V的供电电压定 台区2 521个,占37.路中,往往存在线路电压损失大等 为低电压。 问题,严重影响电压质量,使配电 中在西安、宝鸡、延安、安康城乡 按持续时间分类,低电压问题 结合部),县域配电网低电压台区 94%(主要集中在西 网的供电质量引起了社会各界的广 包括长期和季节性低电压。长期低 4 281个,占61.泛关注…。文献[2—3]分析了线 电压指用户全天候低电压持续3个月 安、咸阳、滑南、宝鸡城镇周边的 路与配电变压器(简称配变)的匹 或日负荷高峰低电压持续6个月以上 部分农村地区以及商洛、汉中、安 配度、三相负荷不平衡度对电压的 的低电压现象;季节性低电压是指 康山区)。 影响;文献[-4—9]提出采用无功补 度夏度冬、春灌秋收、逢年过节、 按照位置分析,城市配电网配 偿、调压器、固定串补技术解决长 烤茶制烟等时段出现具有周期规律 变台区低电压占80%、10kV线路末 线路低电压问题。目前,在实际治 的低电压现象。 理低电压问题时,往往缺乏相关理 端低电压占16%、其他原因占4%; 按发生位置分类,配电网低 县域配电网配变台区低电压占68%、 论指导,对台区治理往往仅针对配 电压问题通常出现在l10kV变电站 10kV线路末端低电压占21%、1 10kV 变容量、供电半径进行治理,或者 10kV母线、10kV线路末端、配变台 变电站出口低电压占6%,其他原因 盲目增加串并联补偿容量解决线路 区电压(10kv配电变压器出口、低 占5%,具体见图2(a)、图2(b)。 低电压问题,造成治理效果不明显的 压线路末端)。配电网低电压常见发 可见,目前配电网低电压问题主要 现象。本文综合分析线路线径、供电 生位置示意见图1。 集中在配变台区及10kV线路末端。 半径对线路电压降的影响,以及串联 补偿、负荷功率因数对线路末端电压 2.2存在问题分析 1)农村经济发展和人民群众 消费意识的不断增强,导致出现了 大量季节性低电压和节假日低电压 变电站出IZl中压线路 配电变压器低压线路 低电压末端低电压出口低电压末端低电压 的影响,避免低电压治理过程中盲目 的投入造成人财物浪费,为实际工程 达到针对性治理提供参考。 的问题。农村大棚蔬菜、果树、粮 食生产及农副业加工养殖等规模化 发展,导致农村灌溉、升温降温负 荷不断增加;由于国内流动人口大 供用电2。17-。2 35 I1配电网低电压的分类 根据国家标准GB/T 12325— DISTRIBUTl0N&UTILIZATl0N 图1 配电网低电压发生位置示意图 Fig.1 The location of low voltage problem in distribution network I 配电 末端2个主要低电压问题分析治理 器电压比、配变变比可在电网无功 措施。 图3为一辐射型线路, 、 功率充裕时,调节无功功率的分层、 分 分区平衡,是对变电站、线路、配 变之间协同调压能力的进一步挖掘, 对解决季节性低电压问题有较好的 别为线路首端和末端电压;要、 分别为线路酋端和末端视在功率: (a J城市配电刚 (b)县域配电嘲 P 和Q 分别为负荷的有功功率和无 经济性。功功率:P和Q分别为线路的有功功 3.1线路供电半径及线径对电压降 图2陕西电网低电压问题分类(按位置) Fig.2 Low voltage classification in Shaanxi 率和无功功率; 和肜 别为线路的 的影响 distribution network(by position) 电阻和电抗:Qf为负荷侧并联无功 补偿容量; 为线路串联补偿容抗。 根据DL/T 5220--2005《1 OkV 及以下架空配电线路设计技术规程》 和消费意识的不断增强,在节假日 将城市人口的用电需求在农村巨量 释放。 的规定:1~10kV配电线路,自供电 的变电所二次侧出口至线路末端变 2)城乡结合部个别区域城中村 过负荷问题情况特殊。村内房屋大 部分为临时建筑,大多出租给进城 :一 压器或末端受电变电所一次侧入口 的允许电压降为供电变电所二次侧 额定电压的5%;1kV以下配电线路, 自配变低压侧出口至线路末端(不 包括接户线)的允许电压降为额定 务工人员,普遍用电进行冬季取暖 和夏季降温,同时率高,高峰期负 荷大:城中村空间狭小,新增配变 落点困难:城中村大多已列入政府 拆迁计划,进行改造的必要性不大, 仅能采取以修代改、临时增加台区 若负荷功率因数为c0s ,在无 补偿的情况下,该线路的电压降落 见图4和式(1)。当两点电压之间相 角差不大时,线路酋末端电压降主 要由电压降的纵分量决定。 电压的4%。电压降百分比可按式 (2)计算: △ —  ̄/3 I(RCOS +Xsin ) : r PL(r+xtan ) —一—— —一 电源点、负荷分网进行解决。 3)配电网低压无功补偿容量 占变压器总容量比例较低,大量专 式中: 为线路长度,km;,|为导线 单位长度电阻,f ̄/km; 为导线单位 长度电抗,O/km;常用架空导线参 数见表I。 用变压器配置自动补偿装置所占比 例小、无功补偿装置投入严重不足, 负荷所需无功均由电网提供。 4)部分地区配电网建设标准较 表1 常用架空线路的电阻、电抗参数 图4电压降相量图 Fig.4 Vector diagram ofvoltage drope Table l Values of resistance and reactance of normal overhead Iine 低,运行情况较差。电网建设时设 备选型、容量选择、导线截面选择 等未按饱和负荷容量选择一次到位, AU=,/3I(RCOS +Xsin ) ,.、 PR七OX —— 一 仅满足当前需求,难以完全适应负 荷发展,造成频繁改扩建,且建设 难度增大。 由图1和式(1)可见,用户侧 电压与线路参数(R、 )、线路长 5)配电网信息化水平较低。目 度、无功补偿(Q Xc)、上级变 前较多低电压问题由用户投诉后经 电站变压器变比、配变变比以及用 调查才发现,未能有效掌握配电网 户侧功率因数有关。线路参数、线 实际运行电压数据。 路长度、负荷功率因数决定了线路 上的电压损耗,这是治理配电网低 3配电网低电压治理措施及分析 电压问题的关键,可从根本上解决 由式(2)可以得出线路每兆 本文针对配变台区、10kV线路 长期性低电压问题。变电站主变压 36 I 供用电2017 02 DISTRlBUTION&UTILIZAT1ON 忸 锄 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ -% % % % % % % O 0 O 0 0 O O 8 7 6 5 4 宕 配电 口 —_—-LGJ 50 +LGJ 70LGJ-15O+— 一LGJ.95LGJ-185+—_ LGJ.120 路,最大输送功率为32.7kW,同样不能满足供电 需求,此时应考虑供电台区重新划分或者新增配 1.200% LGJ-240 1.005% 变,对低压线路进行分网。 3.2无功补偿对电压降的影响 针对1OkV线路存在的低电压问题,目前采取 0.630% 1.000% 丑 0.800% 0.600% 的主要措施是增加串联或并联无功补偿装置,当图 4线路中加入串联补偿、同时负荷侧并联容性补偿 后,可得图7所示的电压降相量图。 脚 0.400% 0.450% 0330% O27O%0.210% 0170% O132%....0.200% 0.000% 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 O 95 1(MW・km、 图5 10kV--相架空线路每兆瓦・千米的电压损失百分比 Fig.5 Voltage loss in 10kV three phase overhead line 图7加入串联补偿后电压降相量图 Fig.7 Vector diagram with serial reactive power compensation  ̄0.594% 串联补偿在线路中产生与线路电抗方向相反 的电压,从而减少首末端电压降。一般由串联电容 补偿度 定义补偿大小,见式(3): V k=等 1 (3) 补偿后的负荷功率因数见式(4): 0.1OO% 0.000% (4) 0.7 O.75 0.8 O.85 0.9 O.95 1(MW km) 可知线路功率方程如下: 图6 0.38kV--相架空线路每千瓦・千米的电压损失百分比 Fig.6 Voltage loss in O.38kV three phase overhead line .=R+j(Q 一 )= I AS=(S2/U2) ̄[R = +AS= I 一 一 ) (5) .瓦・千米或每千瓦・千米的电压损失百分比,见图5、图6。 =( / ) [R十J(X—X:)] 由此可分析不同负载情况下,不同型号线路合理的供电半径, 减少因供电半径过大造成的10kV线路或低压线路末端低电压 现象。 可得: 几。一 ! 二 二圣! R +fx一 1 ]二 例如,对于0.38kV型号为LGJ.50的架空线路,当终端负 荷为25kW、功率因数为0.85时,为保证线路首末端电压损 失小于4%,最大的供电距离为0.269km;若用户供电距离为 9c+ (6) 0.5km,则最大输送功率仅为13.5kW,此时经过计算,应选 择每千瓦・千米电压损失百分比小于0.32%的导线,台区改造 时可将该段线路更换为LGJ.1 50的架空导线。 对于0.38kV型号为LGJ.120的架空线路,当终端负荷为 50kW、功率因数为0.85时,最大供电距离为0.24lkm;若用 从而,线路串联补偿、负荷侧并联容性补偿 与线路末端电压的关系如下式: +bU;+C=0 (7) 式中:b=2尸 +2( 一 ) 一 )一 ,c=[Jp +(QL一 ) 】[ + 一 ) ]。 户供电距离为0.5km,则最大输送功率仅为24.2kW,往往原 3.2.1串联无功补偿与线路末端电压的关系 有治理误区就是仅增大线径,将线路改造为LGJ.240架空线 若线路首端电压功率因数C 0 S =0.8 5、 DISTRIBUTION&UTlLlZATlON 供用电2017.O2 J 37 配电 2 1.8 1.6 1 4 呈1 2 l 0.8 0.6 04 0.2 O u1 图8 串联容量与末端电压关系 Fig.8 Relationship between K and 图l0负荷功率因数、串联容量与末端 电压关系 Fig.10 Relationship between cos ,r and 图11串联补偿完全补偿后电压 降相量图 Fig.1 1 Vector diagram of complete serial reactive power compensation PL=0.16p.u.、OL=0.1p-u_、线路参数 功率因数来提高线路末端电压。由 果不佳再将线路新增一定量串联无 R=0.3p-u.、 =lp…U 负荷侧无补偿 图10可知,在同一线路上同时应用 功补偿,但实际不仅不能解决低电 O =0,则线路末端电压 随串补容 两种补偿方式,两者的作用将相互 压问题,反而会造成末端电压下降, 量 ( 为0~6p.U.)变化的曲线见 影响。 图8。 此时应考虑上一级电源建设,尤其 1)当负荷无功完全补偿即 是山区、农村偏远地区等负荷分散 可见串补容量与末端电压之间 cos ̄o=1时,线路末端再加入串联无 区域,可采用35kV配电化建设。 为一个闭合曲线,增加串补容量对 功补偿后,若串联电容补偿度 <1, 末端电压提升幅度有上限。如图9所 则线路末端电压变化不明显;若 示,当与相量垂直时,电压降最小, >1,则线路末端电压下降,两者 4结语 文鸯基于陕西配电网低电压问 题现状及特点,针对配电台区、线 串联补偿效果达到上限。 左右相互抵消。 2)当负荷无功未完全补偿即 路末端两个主要低电压问题,分析 COS <1时,线路末端再加入串联 主要影响因素,提出解决措施。通 无功补偿后,若串联电容补偿度 过分析线路供电半径及线径对电压 后<1,则线路末端电压降大幅提升, 降的影响,得出采用不同型号线路 但最大值不超过k=1时电压值;若 时电压损失百分比,建议台区改造 >1,则线路末端电压提升有上限, 工程应根据实际负荷、供电距离分 图9 串联补偿后电压降最小相量图 Fig.9 Vector diagram of the minimum voltage loss with serial reactive power compensation 并且随着功率因数提高,电压提升 析校核,选取改造线路或者新建配 效果逐渐减弱。 变的解决方案。进而,本文又分析 3)当串联电容补偿度k=1时, 了线路末端电压与串联无功补偿、 线路末端电压值与负荷功率因数无 负荷功率因数之间的变化规律,以 1。 及串联无功补偿与负荷功率因数的 3.2.2功率因数、串联无功补偿与 关,此时线路电压降相量图见图l线路电抗被完全补偿,首末端电压 相互影响关系,在解决1 0kV线路末 线路末端电压的关系 若线路中已有并联无功补偿, 降完全由电阻决定,即△ :罂。 Ul 端低电压问题时,应根据线路参数、 负荷情况、现有补偿情况详细计算 分析后,制定合理的解决方案。同 当负荷功率因数由0.75变化至1时, 线路末端电压 随串补容量 ( 综上所述,仅在串联补偿或负 荷功率因数均补偿不高时,再加入 由一2p.U.变化至8p.U.)变化的曲线 另一种补偿方式对线路末端电压会 时,优化变压器分接头和无功补偿 装置运行方式,实现变电站、线路、 见图1O。 有提升作用。目前在治理1OkV线路 串联无功补偿、并联无功补偿 末端低电压问题时,往往先在末端 配变三级联调的新模式,也是今后 分别依靠补偿线路电抗、提高负荷 负荷加入集中并联无功补偿,若效 需要进一步研究的内容。回四 38 l 供用电2。17_。2 DlSTRIBUTl0N&UTlLIZATl0N 配电口 参考文献 [1]王锡凡.电气工程基础[M].西安:西安交通大学出版 社,2009:l1—14. on integrated and coordinated control system or fthe reactive power optimization system of medium and low voltage [2]郭亮,孙曼,王文彬,等.配电网低电压原因分析及治 理[J].江西电力,2015,39(2):55.57,62. 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LYU Zhilai,YU Yi,LI Hai,et a1.Research and design voltage problem in distribution network[J].Distribution &I5tilization,20】6,33(7):8.12. 收稿日期:2016.09.10;修回日期:2016—1 1-12 作者简介: 胡晓菁(1981一),女,博士,高级工程师,研究方向为电力系统规划。 Research on the Key Issues of Low Voltage Management in Distribution Networks HU Xiaojing ,CHEN Lei ,NIU Quanbao ,XING Jun ,LIU Yongbin (1.State Grid Shaanxi Economic Research Institute,Xi’an 710065,China;2.Shaanxi Electric Power Company,Xi’an 710048,China;3.State Grid Shang Luo Power Supply Company,Shangluo 726000,China) Abstract:Low voltage problem at the long distance radial line with heavy load is a critical constraint for the reliability of power supply.Combining the features and the problems of Shaanxi power distribution networks,the paper analyzes the influence of power supply radius and the wire model on voltage drop,and the voltage loss percentages are deduced in different load rates of distibutiron networks.The evolution discipline ofthe relationship between serial reactive power compensation,load power factor and voltage is analyzed,providing technical support or flow voltage management in distribution networks. Key words:distribution network:low voltage:power supply radius;reactive power compensation DISTRlBUTlON&UTILlZAT10N 供用电2。17。2 l 39