农网长线路加装串补改善 电压质量的研究

周 鑫 李胜男 覃日升 俞 海

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217； 2.荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114000）

随着经济的发展，农村的年用电量和需求量不断增加，随之而来的问题也逐渐增多，例如长距离10kV 农电线路，由于电压偏低，导致农村电压质量偏低，农用机械无法正常运行，甚至无法正常起动，严重制约了农村地区经济的发展。同时这也使农电网电压合格率长期处于低水平，无法高质量的完成上级领导单位提出的农电网考核任务。

若在负荷附近新建变电站以提高末端电压，则整体投资非常巨大，而农用负荷水平又偏低，10kV线路上长期运行电流只有几十安培，总体负荷通常不到1MW，投资回报率非常低。如果考虑贷款利率，则投资回报是负的，经济上不合理，因此需要考虑采用其他电压治理方式。

经过多个方案分析对比，固定串联补偿方案可以较小的经济代价取得了较高的电压治理效果，且整个过程不需要人工干预，维护量小，是对6～35kV长距离输电线路电压治理的最优解决方案。

1 系统概况

大桥片区负荷相对集中在10kV 牛达线，10kV牛达线供电区域占大桥供电所的4/5，10kV 高压客户报装基本上都在10kV 牛达线上搭接，受到10kV牛达线网架结构的限制，给高压客户报装带来了困难，且线路长、供电半径大、导线截面小，主要大负荷分布在线路末端，造成末端客户端电压偏低。若变电站首端接近上限运行，造成线路首端与其他线路越上限。其综合线损率为11.31%

由于新接入部分负荷，10kV 牛达线2014年1月至4月10kV 线损率8.82%，比2013年8.36%上升0.46 百分点，综合线损率11.31%比2013年10.35% 上升0.96 百分点。带随后新增960kVA 变压器容量负荷后，末端售电量会增多，所占电量比例会上升，10kV 线损率会增大。

2 中压串补介绍

串联补偿应用最广泛的领域，是220kV 及以上电压等级的电网互联、水火电长距离送出、加强网间联系等领域。

串联补偿的基本原理是，在线路上串联一个容性设备如电容器，其容抗与线路的电抗部分相抵消，从而缩短受电端和送电端之间的电气距离。在220kV 及以上电网上，为了控制次同步振荡，通常串联补偿度，即串联容抗值与线路电抗值得比值，需要小于50%。国内串联补偿度基本介于30%到45%之间，如图1所示。

图1 串联补偿原理

对于低压线路，由于其与火电厂电气距离非常远，补偿容量相对发电机来说非常小，因此，不存在次同步振荡问题，完全可以通过补偿将线路等效电抗变为0 甚至是负值。根据电压降落ΔU的计算 公式：

式中，P、Q为线路末端的有功和无功，R、X为线路等效电阻和电抗，U为线路末端电压。当通常情况下P、Q，R、X均为正数，因此电压降落是正的，于是末端电压总是小于首端电压。然而，当线路串联电容器后，X将减少，甚至变为负值，于是ΔU完全有可能变为0 甚至是正值，于是就可以抬高负荷侧电压，将其控制在合理的范围内，完成电压治理任务。

串联电容器所发出的无功总量为

在正常运行中，当负荷较重时，线路电流I较大，于是电容器发出的无功量增加；当负荷较轻时，线路电流I较小，于是电容器发出的无功量减少甚至为0。可以看出，串联补偿所发出的无功大小与负荷情况是同步变化的，避免了并联补偿时无功输出与负荷变化恰好相反的弊端，因此，在治理长距离农用电网送电线路电压偏低这一问题上，串联补偿具有其特殊的优势。

3 中压串补对牛达线电压治理和降低线损的仿真结果

3.1 仿真建模简介

本项目采用Matlab 的潮流计算工具包Matpower进行建模和仿真。建模过程共有以下几步：

1）根据客户提供的单线图，定义每个节点的名称和编号。

2）根据单线图，查表计算出每条线路的R、X、C。

3）查阅最近18 个月的该线路平均以及最大的有功功率，无功功率以及视在功率。确定线路的平均以及最大负载率。

4）根据每个节点的变压器参数，以及平均和最大负载率，核算出每个节点的平均和最大功率。

5）将并补和串补参数转化为线路参数。

6）将以上数据按照Matpower 的格式输入到文件中，并进行仿真。

仿真过程中的主要难点和解决：

1）如何选定串补所在位置

在选择串补的位置时，要考虑以下几个因素：

（1）不应过分靠近线路末端。原因是，如果靠近线路末端，那么当重载的时候，线路中间的变电站电压太低，串补无法补偿到其之前的线路。而对其后的线路具有较好的补偿效果。

（2）不应过分靠近线路首端。由于经过串补补偿之后，其随后紧邻的变电站电压会大幅提升，接近线路始端的电压，但是之后，电压仍旧会持续下降，如果串补位于线路首端，则线路末端的变电站电压仍旧会较低。

（3）尽量安装在主干线上。有主干输电线以及分支线，而分支线和主干线相比，其整体距离较短，电流较小，负荷较轻。所以当串补只能安装1 套时，应优先安装在电流大，距离长的主干线上。

根据以上原则，最终确定在牛达（三家良子）至牛达（牛达林区）之间安装串补。

2）如何选定串补的容量

串补的容量主要由线路自身电抗以及串补度决定，本项目的串补设计为2 段，投入1 段串补度约为50%，投入2 段串补度总计约为100%。当线路轻载时，只投入1 段，线路重载时投入2 段。

3.2 电压优化治理前的负荷潮流及电压分布

按照用户提供的参数，分别按照3 种情况进行仿真，分别是70%峰值负荷、100%峰值负荷和130%峰值负荷，70%负荷代表现在的平均潮流，100%峰值负荷代表现在的最大潮流，同时也代表未来的平均潮流，而130%峰值负荷则考虑了未来的负载增加后的最大潮流。

按照运行方式考虑，70%负荷可以代表小方式，100%负荷可以代表现在的大方式，130%负荷代表未来的大方式。

由于总共有70 多个节点，不可能全部都列出，所以仅列出一些典型的节点，图2为70%峰值负荷（小方式）的情况下各典型节点的电压标幺值。

图2 治理前70%峰值负荷情况下节点电压

从图2可以看出，电压最低的节点电压标幺值为0.898p.u.，当大桥站电压为1.05p.u.时，最低点电压为0.943p.u.，高于0.93p.u.的下限。

图3为100%峰值负荷（大方式）的情况下各典型节点的电压标幺值。

图3 治理前100%峰值负荷情况下节点电压

从图3可以看出，电压最低的节点电压标幺值为0.844p.u.，当大桥站电压为1.05p.u.时，最低点电压为0.886p.u.，低于0.93p.u.的下限。

图4为130%峰值负荷（未来大方式）的情况下各典型节点的电压标幺值。

图4 治理前130%峰值负荷情况下节点电压

从图4可以看出，电压最低的节点电压标幺值仅为0.783p.u.，当大桥站电压为1.05p.u.时，最低点电压为0.822p.u.，已经低于0.93p.u.的下限，此时必须要有补偿装置来提升电压。

表1 安装串补装置前牛达线损耗

因电压过高后可能损坏负荷，因此线路首端电压控制在1.05p.u.左右。从图2至图4可知：①线路电压随着距离的增加一路下降，距离大桥站较远的玉溪华丰站电压最低；②目前最大潮流和未来最大潮流情况下，牛达线的电压水平是不合格的，必须通过安装串补装置进行改善。

3.3 电压优化治理方案——10kV 串补装置

理想的补偿方式为分散补偿，即每隔很短的距离就安装一套串联补偿装置。然而这种方式的成本太高，维护困难，且也没有必要，不具有可行性。

建议在牛达林场（三家良子）到牛达林场（牛达林区）的干线上，安装一套30Ω的串联补偿装置，将其分成2 段，主要原因是30Ω的补偿度较大，根据我公司在延边串补的经验，一般情况下，只要投入15Ω的串补就可以，剩余的容量在未来负荷增加后再投入。串补的关键技术参数为

串补电压：10kV；

安装套数：1 套；

串补容抗：30Ω/套；

分段：2 段，其中每段均为15Ω。

3.4 电压优化治理后的负荷潮流及电压分布

和上节类似，同样对三种情况进行仿真，分别是安装串补后的70%峰值负荷、100%峰值负荷和130%峰值负荷。图5为70%峰值负荷（小方式）的情况下各典型节点的电压标幺值。

图5 治理后70%峰值负荷情况下节点电压

从图5可以看出，安装串补后，节点电压已经不再是一路下降，而是在串补之后大幅提升到了接近1p.u.，整条线路之中的最低电压为0.949p.u.，好于未加串补时的0.898p.u.

图6为100%峰值负荷（大方式）的情况下各典型节点的电压标幺值。

图6 治理后100%峰值负荷情况下节点电压

从图6可以看出，安装串补后，节点电压已经不再是一路下降，而是在串补之后大幅提升到了接近1p.u.，整条线路之中的最低电压为0.924p.u.，当大桥站电压为1.05p.u.时，最低点电压为0.97p.u.，高于0.93p.u.的下限。

图7为130%峰值负荷（未来大方式）的情况下各典型节点的电压标幺值。

图7 治理后130%峰值负荷情况下节点电压

从图7可以看出，安装串补后，节点电压已经不再是一路下降，而是在串补之后大幅提升到了接近1p.u.，整条线路之中的最低电压为0.896p.u.，当大桥站电压为1.05p.u.时，最低点电压为0.94p.u.，高于0.93p.u.的下限。

表2 安装串补装置前后牛达线损耗对比

从以上的图和表中可知，加装低压串联补偿装置后，从70%负荷到130%负荷，整条牛达线电压基本上都控制在0.93～1.05p.u.之间，电压合格率大大上升。安装串联补偿装置后，牛达线的线损也大大降低，负荷越重，线损降低的越多。串补装置的效益非常明显。

4 结论

农电网络面临的突出问题是10kV 送电距离很长，末端电压较低。采用串联补偿方案是在技术、经济上都较为合理的方式。

本文以10kV 牛达线为例，讨论了串联补偿安装后的电压治理和降低线损效果。此线路送电距离很长，全长约91.8km，已经大大超过常规10kV 线路的送电距离，因此，电压合格率很低，线损较大。随着负荷的不断增长，青沟子线的电压合格率问题，已经是困扰沿线农村经济发展的严重问题。

为此，需在牛达线适当位置安装串联补偿装置，提供无功支持，增强调压变作用，控制整条线路的电压。经过初步研究，可考虑在牛达林场（三家良子）到牛达林场（牛达林区）的干线主干线上，加装一套30Ω的串补装置。潮流计算显示，加装串补后，70%及以上负荷水平下，整条线路的电压基本均0.93～1.05pu 之间，大大增加了沿线的电压合 格率。

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