更换导线型号改善配电网电能质量的机理分析

汤 毅

（广州供电局有限公司，广东广州 511400）

0 引言

对电力系统运行的要求是在满足安全、稳定、可靠运行的前提下，尽可能向用户提供优质电能，同时供电企业追求自身的经济效益，减小对周围环境的损害[1]。随着社会的发展和科技的进步，人们对供电质量的关注程度越来越高，其中配电网直接与用电用户相关联，最受关注的电能质量问题是用户处电压幅值偏离额定电压的问题，即所谓电压偏移的概念[2]。

对于我国的电力系统，常要求35 kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%；20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%；220 V单相供电电压偏差为标称电压的+7%，-10%[3]。然而，在电力系统的实际运行中，由于种种客观存在的原因，往往会出现电网中某个负荷点或某个局部区域的电压偏差超出允许范围的情况，其原因往往为设备陈旧、负荷水平高、电网结构不合理等。通常改善电压质量常用的措施有[4]：（1）合理选择变压器变比；（2）改变线路参数；（3）改变无功分布；（4）改变电源点电压。

本文探讨的是如何通过更换配电网中输电线路线型来改变线路参数，进而缩小电压偏差，改善电压质量。首先分析了改变线路参数影响电压降落的机理，然后探讨了同时改变线路参数与改变变压器变比来改善电压质量的可行性，最后通过实际配电网的算例验证了本文所得出结论的正确性。

1 更换线型缩小电压偏差的机理

图1给出了一个高度简化后的配电网示意图，图中示出了高中低三个电压等级的情况，研究的目标是如何尽可能降低负荷处电压Vt的电压偏移量（与额定电压差别的绝对值）。

经过简单的公式推导可得到负荷电压幅值的计算公式如下：

图1 影响配电网电压偏移因素示意图

其中V为中压电网的额定电压，常为10.5 kV。从式（1）可见，影响负荷电压幅值的因素罗列如下。

（1）电源点电压

即图1中的 ||V˙s，通常该数值无法通过在中低压配电网中施加措施加以改变，故在进行配电网电压质量优化的过程中不将其作为可能的措施。

（2）变压器变比

即图1中的k1和k2。k1为更高电压等级（如220 kV或110 kV）降压到10 kV的降压变压器的变比，对其进行调整将影响到整条10 kV馈线的电压水平，故常在全线电压偏高或偏低时进行调整来达到改善电压质量效果。k2为10 kV降压到380 V的降压变压器的变比，对其进行调整常只影响本台区及有限的相邻区域的电压水平，从优化数学模型的角度来说更适于用来进行局部电压质量的优化。

（3）输电线路和变压器的阻抗

改变输电线路或变压器的阻抗可以控制电压降落量，进而达到改变负荷点电压的目的。然而，通常这两种设备的阻抗是很难直接进行改变的，只能通过改变设备型号的办法来实现，故相应改善电压质量的措施相对来说成本比较高。

通常所说的配网重构的策略从某种意义上来说也可以理解成改变了输电线路的阻抗，因为网络拓扑结构的改变意味着从所关心负荷节点与参考节点间形成的端口看进去，等值的戴维南等效电路入端阻抗发生了变化。

（4）功率分布

改变电网中传输的潮流，尤其是改变无功功率的传输量，对全网的电压降落都起到重要影响。前文中所述通过在电网中适当位置投入并联无功功率补偿，本质上就是一种改变功率在电网中分布的一种非常直接的措施。

本文关注的是通过改变输电线路和变压器的阻抗来改善电能质量的问题。改变变压器的型号通常即为淘汰落后变压器，将其更换成新型变压器。这常属于规划层面的问题，需要投资较大，改造的工作量也较大。而更换输电线路的线径相对来说容易一些，相对来说更容易作为一种改善电压质量的措施。

众所周知，导线的截面积越大，同样材料和长度的总阻抗就越小，传输功率造成的电压降也就越小。因此，为了降低电压偏低的幅度，可以考虑更换截面积更大的导线。然而，在长度固定的情况下，截面积更大也就意味着所需材料越多，故造价就越高，同时施工的难度也加大。因此在考虑通过更换导线型号改善电能质量时需结合实际情况综合考虑，科学决策。

2 变压器分接头档位对电压偏差的影响

图2考虑一个降压变压器及所带低压台区的情况。为作机理性的理论推导，将低压台区简化为一条线路。通过变压器的功率为P+jQ，高压侧实际电压为V1，归算到高压侧的阻抗为RT+jXT。

图2 降压变压器及简化后低压台区

归算到高压侧的变压器电压损耗为：

负荷点电压为

其中V2N为低压侧额定电压，为一常数，V1t对应高压侧分接头位置，显然负荷点电压V2与V1t间为减函数关系，其示意图可见图3。

粗略地说，当负荷轻时若负荷点电压本身已偏高，则调低变压器抽头有助于降低电压偏移量。若负荷已经很重，则应调高变压器抽头来降低电压偏移量。在实际电网中负荷点电压与变压器高压侧母线实际电压也是密切相关的，而该电压由配电网潮流的实际情况来确定，无法直接写出解析的关系式。故变压器抽头位置与电压偏移间关系还应依据具体情况来确定。

图3 变压器分接头档位与电压偏移间关系

改变变压器分接头档位不会改变变压器内部电压损耗的数值，也不会改变低压台区电压变化的幅度，仅是把低压台区电压的取值范围相对于额定电压的位置做了适当调整。前文提到的通过更换线路型号降低电压偏移量的措施有可能收效不显著，若能与此处提到的改变变压器分接头档位的措施相结合，则可收到事半功倍的效果。后文的实际配电网算例验证了这一结论。

3 实际案例

考虑广州地区某实际配电馈线的电压质量问题，该馈线的10 kV部分接线图见图4。

该馈线的某低压台区存在电压偏低的现象，若对应配电变压器分接头处于额定电压处（10 kV），则电压最低点偏移量达到-9.91%。该低压台区的地理接线图见图5。

若仅考虑调整变压器变比来改变电压偏移量，得到的结果如表1所示。

表1 变压器分接头档位对电压偏移量的影响

从表1中可见若需将低压台区最大电压偏移量降到±7%以内，需将变压器分接头调整至9.5 kV位置，这就要求变压器具有充足的分接头档位。若按通常2.5%一个档位计算，此变压器至少应有5个分接头档位（-5.0%，-2.5%，0%，2.5%，5.0%），在中低压配电网中不一定始终可以满足。

图4 某实际馈线的10kV接线图5 某低压台区地理接线图

图5 所示的低压台区中基本为一放射型网络，即负荷节点直接与降压变压器低压母线出口相连。在此情况下，为改善电压最低点电能质量，可以考虑更换电源点到该负荷点间的输电线路型号。本例中待研究的线路原为120 mm2截面积，中列出了变压器分接头处于10 kV位置时增大导线截面积对该点电压偏移量的影响。

图4 某实际馈线的10kV接线图5 某低压台区地理接线图

表2表明若仅考虑更换导线型号的措施，需将导线截面积增大为原来的2倍（240 mm2）才能将末端负荷节点电压偏移量降低到±7%以内，这显然是极不经济的，在工程实际中难以实现。

表2 变压器分接头为10 kV时更换线型的效果

若同时考虑调整变压器变比和更换导线型号的措施，所得结果大为改善。例如若将变压器运行的分接头置于9.75 kV位置，则可得到所示的更换导线截面积对电压质量的改善效果。

表3 变压器分接头为9.75 kV时更换线型的效果

可见仅需将变压器分接头调低一档（这对于所有的配电变压器都是可以做到的），则只要将导线的截面积增大到150 mm2即可将末端节点电压偏移量降低到5.6%，效果显著。

4 结论

在配电网中减小电压偏移量是改善电能质量的重要内容。由于影响因素众多，因果关系复杂，导致很难得出通用的改善方案。

本文探讨一种具体的改善电能质量的措施——更换输电线导线型号的机理，并详细分析了其与改变配电变压器分接头档位等其他措施相结合来获得综合改善效果的具体问题。通过对一个实际配电网的深入分析，可以发现采取综合措施比采取任何一种单独的措施都有优越得多的电能质量改善效果。

本文的结论具有一定的通用性，但在不同配电网中实施时要结合配电网的实际情况才能制定出最合理的优化方案。

［1］何仰赞，温增银.电力系统分析（上）［M］.武汉：华中科技大学出版社，2002.

［2］程浩忠.电能质量［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［3］GB/T 12325-2008.电能质量：供电电压偏差［S］.

［4］何仰赞，温增银.电力系统分析（下）［M］.武汉：华中科技大学出版社，2002.