非线性及不平衡负荷对电压质量影响分析

孙浩然，徐玉明

(连云港供电公司，江苏连云港222004)

1 国内20 kV配电网发展概述

随着经济的发展，社会对电能的需求越来越大，对电能质量的要求也越来越高。面对目前10 kV配电系统容量小、电源布点密、线路占用空间大、有功损耗高等不足，以及在电网建设过程中面临的市区土地资源紧缺、线路走廊有限等问题，配电网建设和发展面临新的课题和挑战[1]。1996年，江苏省电力公司苏州供电公司在苏州工业园区配电网建设时，根据园区的负荷特点，经过专家论证后决定采用20 kV电压等级对园区进行供电[1，2]。10余年的运行实践表明，城市配电网采用20 kV电压等级是可行的，与10 kV配电网相比，在技术和经济上都具有一定的优势。鉴于此，江苏省电力公司决定进行20 kV电压等级在配电网中进行推广，用其取代10 kV和35 kV 2个电压等级。通过对配电网电压等级进行合理设置和简化，能减化配电网络，减少电源布点，提高配电网的供电能力和供电可靠性，增大现有线路走廊的供电容量。

在20 kV配电网的建设和推广过程中，对20 kV配电网的经济性论证、10 kV设备升压到20 kV的改造工作、20 kV配电网的接地方式、20 kV变压器的接线方式、20 kV配电设备的选择等方面进行深入研究[3-6]。继苏州20 kV配电网成功应用后，辽宁本溪南芬地区于2003年将66/10 kV系统改造成了66/20 kV系统；天津滨海新区、辽宁大连长兴岛、云南昆明的新机场、广东佛山等地区也分别进行了20 kV电网的可行性研究[7-11]，掀起了20 kV电网研究推广实施的热潮。

2 电压质量的对比研究

20 kV（10 kV）配电网的供电示意如图1所示，其中变压器T表示电源通过多次变压后为20 kV母线供电。馈线1为多条馈线中的一条，该馈线中含有1个分支，对于多分支馈线，分析方法相同。P+jQ为负载基波有功和无功功率，Ih为负载电流中的谐波成份。为了方便比较，假设20 kV和10 kV采用相同的供电方式，而且20 kV出线的负荷情况相同。从电源到20 kV（10 kV）母线之间的阻抗为系统等效阻抗Zs。

图1 配电网供电示意图

20 kV和10 kV对应的等效电路如图2所示。图中Zs为系统侧阻抗，Z1为从母线到分支1T接点的阻抗，Z2为从分支1T接点到线路末端的阻抗。用下标20和10对20 kV和10 kV系统的参数区分。

图2 等效电路

在20 kV和10 kV设计时，出线开关B的遮断电流有明确的限制，要求≤25 kA。因此，本文在20 kV和10 kV母线短路电流相同的情况下进行分析比较，此时出线开关的遮断电流相同。在此前提下，设母线短路电流同为Ik，得：

即Zs(20)是Zs(10)的2倍。对于20 kV和10 kV系统中的馈线1，取相同的导线截面，即其阻抗相同。馈线的负荷功率相同时，在20 kV和10 kV供电系统中电流分别为：

由式（2）可知，功率相同时，20 kV的馈线电流是10 kV馈线电流的一半。采用10 kV或20 kV供电时，负荷的性质不会改变，负载电流的总谐波畸变率（THD）和谐波成分不会改变，则：

同理，当负荷不平衡，负载电流中含有负序分量时，20 kV和10 kV系统中负序电流分量I2(20)和I2(10)满足：

2.1 电压的谐波分析

在不考虑背景谐波的情况下，分析非线性负载对电压谐波畸变的影响，谐波电流的等效电路如图3所示。

图3 谐波电流的等效电路

根据等效电路，得出20 kV及10 kV母线的谐波电压为：

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

根据GB/T 14549—1993定义的谐波电压含有率计算，谐波含有率分别为：

由此可得出，在20 kV供电系统中相同的负载条件下，母线的电压畸变率仅为10 kV供电系统中的一半，这减小了非线性负载对其他用户的影响。同理，进行分支1T接点的电压畸变率的分析得：

通过式（8）以及上述分析可得：

在分支1的T接点，采用20 kV供电时电压畸变率小于采用10 kV供电时电压畸变率的一半。因此，采用20 kV供电时，非线性用户对电能质量的影响要比采用10 kV供电时要小得多。

2.2 电压不平衡分析

在负载不平衡时，负载电流中将含有负序电流分量，在电源电压对称的情况下，分析不平衡负荷对电压对称性的影响进行分析。负序电流的等效电路如图4所示。

图4 负序电流的等效电路

与谐波电流分析相同，可计算母线负序电压为：

采用20 kV和10 kV供电时，母线的负序电压相同，根据GB/T 15543—1995不平衡度定义，其不平衡度为：

即在相同的不平衡负荷作用下，采用20 kV供电时母线电压不平衡度是采用10 kV供电的一半。同样分析分支1T接点的不平衡为：

即在分支1的T接点，采用20 kV供电时电压不平衡度小于采用10 kV供电时电压不平衡度的一半。因此，采用20 kV供电时，不对称负荷对电能质量的影响比采用10 kV供电时要小得多。

2.3 电压降落分析

计算从母线到分支1T接点的电压降落为：

从母线到分支2末端的电压降落为：

从式（13，14）可知，在负荷相同的情况下，采用20 kV供电是分支1T接点和分支2末端的电压降落仅为采用10 kV供电时电压降落的一半。因此采用20 kV供电时电压水平较高，供电半径较大。

综上所述，采用20 kV供电时，非线性负荷及不平衡负荷对电压质量的影响较采用10 kV供电时小，且供电时电压水平较高，供电半径大。

3 结束语

通过对20 kV和10 kV供电系统的电能质量方面的分析比较可知，采用20 kV供电时，非线性负荷及不平衡负荷所引起的电压谐波含有率和电压不平衡度都小于或等于采用10 kV供电时的一半。适应目前配电网负荷性质负载、负荷容量大、对电能质量要求高的发展趋势。

[1]马晓东，姜祥生.苏州电网20 kV配电电压的应用与发展[J].电力设备，2009，9(9)：1-5.

[2]姜祥生，秦 峰，胡大健，等.20 kV配电电压等级供电范围的延伸[J].供用电，2006，23(39)：42-43.

[3]牛永奎，牛凤凯，邹 轶.10 kV配电网络升压至20 kV运行的可行性探讨[J].电网技术，2008，32(S1)：191-192.

[4]饶 莹，郭 炜，徐鑫乾.110/20 kV变电站电气一次部分设计[J].电力设备，2009， 9(9)：11-13.

[5]侯义明，汲亚飞.江苏20 kV配电网电网改造的中性点接地方式研究[J].电力设备，2009，9(9)：18-20.

[6]唐小波，孙晓韡，唐国庆.20 kV与10kV配电电压的比较[J].电力设备，2009，9(9)：6-10.

[7]殷 军，张金禄，贾 巍,等.天津滨海新区中压配电网20 kV电压等级应用的研究[J].继电器，2008，36(10)：49-52.

[8]谭学知.大城市使用20 kV级配电的探讨—变电所扩容方案[J].规划与设计，2006(4)：59-61.

[9]王海民，廖红梅.20 kV配电在大连长兴岛地区的应用[J].电力设备，2009，9(9)：24-25.

[10]陈 瑾，李宏伟，王建兴.中压配电网采用20 kV电压等级的可行性分析[J].云南水力发电，2006，22(5)：91-94.

[11]丁文彦，张凤军.10 kV升压20 kV电网改造方案[J].农村电气化，2005(5)：14-15.