低压公共配电网优化工程方案可行性研究及工程的初步实施

邬宏伟，陈柏军，朱振洪，陆 强

（国网余姚市供电公司，宁波 315400）

由于低压公共配电网技改工程对电网安全、优质、经济运行具有重要作用，因此低压公共配电网优化措施是电力部门和用户共同关注的问题。合理选择优化方案，能有效改善系统的电压稳定性，保证电网的电压质量，降低有功网损，提高发、输变电设备的利用率和使用效益。

1 低压公共配电网优化补偿方案比较

电网优化，就其概念而言就是借助于各类改善电能质量装置，平衡三相电流，同时提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。

1.1 低压公共配电网优化补偿方案选择原则

电力网中损耗以低压配电网所占比重最大。为了最大限度地减少传输损耗，提高输配电设备的效率，就要对低压公共配电网各类改善电能质量设备进行合理优化配置，低压公共配电网优化方案有变电站降损装置、配变降损装置、配电线路降损装置和用电设备降损装置。四种方案示意图见图1所示。

图1 某县级供电公司配电网及其常见无功补偿方式示意图

1.2 变电站集中补偿

变电站降损装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡输电网的无功功率，改善输电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。这些降损装置一般集中接在变电站10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，但这种方案对10kV配电网的降损不起作用。

1.3 配电线路降损装置

大量配电变压器要消耗无功，很多低压公用变压器没有安装降损装置，大量的无功沿线传输使得配电网的网损居高难下，这种情况下可考虑安装配电线路降损装置。

配电线路降损装置既通过在线路杆塔上安装降损装置实现降损目的。但由于配电线路降损装置远离变电站，因此存在保护难配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境限制等问题。因此，配电线路降损装置的不宜安装过多；控制方式应从简，降损装置的容量也不宜过大，避免出现过大马拉小车的浪费现象；保护也要从简，可采用熔断器和避雷器作为过电流和过电压保护。

此类配电线路降损装置主要提供线路和公用变压器需要的无功，工程问题关键是选择降损装置进行补偿的地点和容量，其补偿地点和容量的实用优化算法见于众多文献资料，本文不做重点阐述。配电线路降损装置，适用于功率因数低、负荷重的长线路。属于特定的降损装置，因此存在适应能力差，重载情况下降损度不足等问题。此外，这类配电线路降损装置自动控制方式仍是需研究的课题。

1.4 低压供配网节电装置

低压供配网节电装置系统结构如图2所示，其中 ACB：AirCircuit Break空气断路器，ATS：Auto Transfer Switch 自动转换开关，它是一种大功率接触式双投开关，在电网电压低于设定值、负载电流大于额定值时，可将节电装置自动切换到旁路状态，也可按照用户需要设置成手动状态。TR是指“Z”线圈绕组，其组成是利用“平衡控制变压系统”的特殊绕组，相互之间交叉连接，如图3“Z”线圈绕组、图4低压供配网节电装置三相绕组匹配图所示，通过互相补偿铁心的磁通量，最大限度地保持各相之间磁势的一致，从而保持三相平衡，降低零线电流，进一步强化了对于电力系统中破坏力最强的三次谐波的抑制作用的节电装置。其具体节电功能及原理如下：

（1）平衡三相电流和电压

图2 低压供配网节电装置系统结构图

图3 “Z”线圈绕组示意图

图4 低压供配网节电装置三相绕组匹配图

原理：如图4所示，在低压供配网节电装置内的机芯中，三相缠绕在三个铁芯上的线圈中磁通量复数的和始终为零，当某相的电流或电压增高时，必然引起另外两相磁通量的增加，在其线圈中感生更高的电压和电流，使三相电源相互趋于平衡。

作用：使用电器时，负荷端的运行可引起电网内电压和电流的不均衡，这种不均衡性带来的“相位差”会产生损耗并导致用电效率的下降，零序电流增大，同时也降低了电器的效率，缩短了电器的使用寿命，严重时会导致电器设备不能正常工作。低压供配网节电装置利用“平衡控制电磁转换系统”机芯线圈的相互交叉连接，可以消除各相间的电压和电流的不均衡，维持控制其平衡性。

（2）抑制高次谐波

原理：在低压供配网节电装置的机芯中存在着一个电流线圈，它是一个天然的电感器，具有自感及其与其他五组线圈之间的互感，合成为一个对高频电流电压和电路中的瞬变能够产生巨大阻挡作用的天然屏障，具有遏制高次谐波的作用，其电压、电流改善如图5所示。

作用：随着非线性负荷的快速增长，电网的谐波对普通用电户的干扰在不断加剧，因此控制公用电网的谐波危害，是保障电网和用户的安全、经济运行和正常生产的关键。

图5 高次谐波抑制示意图

高次谐波的存在，会引起电器设备和连接导线不正常的发热，导致铁损、铜损和漂移损耗增加，这正是导致电力变压器及周边设备使用寿命缩短、效率降低的主要原因。低压供配网节电装置中，设计有滤波绕组，该滤波绕组和其原有线圈绕组相结合，它不仅能有效地将滤除有害谐波，同时还可以缓冲电网电压的瞬变和浪涌电流。

（3）功率因数补偿

原理：对于任何一相电源而言，输入电压在经过三相平衡电磁式节电器的机芯后，其输出电压的相位都会与输入电压相反（滞后180°），由其中的电压线圈在电流线圈中所感生的自感电流与输出电压的相位相比较，也滞后了90°，低压供配网节电装置机芯设计本身具有使电流线圈中感应出滞后于输入电压270°的功率因数校正电流的天然特性（相当于产生了一个超前90°的电流）。

作用：从电源端看入时，负载的功率因数得到了补偿，减少了供电线路的有功损耗。

（4）有效调节过剩电压

原理：在低压供配网节电装置中，具有可以改变电流线圈中的电压的调整设置，通过自动控制器，三相平衡电磁式节电器可以根据用电设备的运行情况，适时调整电源电压，达到切除过剩电压的目的。

作用：供电部门为了补偿长途输送电力时的电压损耗，有时会向距离变电所或发电厂距离较近的用电单位提供高于国家标准的端口电压。因此很多用电单位的三相电压因此会高于用电器的额定电压380V，基本上在400V或以上，这不但会对终端用户的用电设备产生不良影响，降低了设备的使用寿命，而且亦会是电气设备超负荷工作，造成不必要的浪费。为了有效解决此问题，三相平衡系统节电器的设计可针对用户的实际用电情况调整过剩电压、减少用户端的浪费，提高用户的经济效益。

（5）低压供配网节电装置的主要优点

1）针对整个电力系统的所有隐性电力浪费因素进行综合调整，一次性解决三相不平衡、高次谐波、过剩电压等电力浪费和污染问题。

2）使用范围广泛，凡是低压用电系统大都适用，无需对逐个电力负载进行安装改造。

3）与电力变压器一比一大容量匹配，工程安装简单不麻烦。

4）低压电力系统电能浪费通常高达5%～20%，负载设备的容量大、用电额度巨大，相对保证了较高的投资收益率，一般可以达到30%以上，节能量与用电额度成线性关系，长期使用，收益巨大。

5）根据工况对症下药，量身定制，技术层面的针对性强。

6）对用户的生产工艺、产品质量和产量没有任何影响。

7）自身损耗低于标称容量的0.3%。

8）半永久性使用寿命，长达30年以上。因为主回路没有电子元器件，所以稳定性高，故障率低，基本上属于免维护产品。

9）改善电网电力品质，有效保护用电负载，延长负载使用寿命。

1.5 应用低压供配网节电装置的经济分析

在配变低压供配网节电装置能有效降低配电变及以上输配电网的损耗。由于计算整个电网损耗涉及因素多，工作量大，以图1某县级供电公司配电子网为例，计算说明低压供配网节电装置进行无功补偿具有巨大的直接和间接效益。

（1）改造前购电线损综合成本

某县级公司公配变抄表到户售电量×电网购电平均电价×｛1÷［（1-低压公配网技术线损率）×（1-低压公配变技术线损率）×（1-高压电网综合技术线损率）］-1｝

=10 665.81×0.4383×｛1÷［（1-8.81%）×（1-2%）×（1-3.31%）］-1｝=735.34万元

（2）改造后购电线损综合成本

某县级公配变抄表到户售电量×电网购电平均电价×（1-客户平均技术线损率）×｛1÷［（1-低压公配网技术线损率）×（1-低压公配变技术线损率）×（1-高压电网综合技术线损率）］-1｝=10665.81×0.4383×（1-8%）×｛1÷［（1-5.286%）×（1-1.6%）×（1-3.31%）］-1｝=512.71万元

（3）改造后购电减少线损综合成本

改造前某县级公司购电的线损综合成本-改造后省公司购电的线损综合成本=735.34-512.71=222.63万元

（4）改造后某县级供电公司少售电量减少电费收入

某县级公配变抄表到户售电量×公配网到户平均售电电价=10 665.81×0.622 8×8%=531.41万元

（5）改造后减少购电成本支出

某县级公配变抄表到户售电量×电网购电平均电价×客户平均技术线损率÷［（1-低压公配网技术线损率）×（1-低压公配变技术线损率）×（1-高压电网综合技术线损率）］=10 665.81×0.438 3×8%÷［（1-5.286%）×（1-1.6%）×（1-3.31%）］=415.00万元

（6）改造后实际减少电费收入

改造后某县级公司少售电量减少电费收入-改造后省公司减少购电成本支出=531.41-415.00=116.41万元

（7）改造后实际得到收入

改造后某县级供电公司购电的线损综合成本-改造后省公司实际减少电费收入=222.63-116.41=106.22万元

表1 基础数据一览表

（8）可改造配变容量

改造后某县级供电公司实际得到收入÷设备购置费／1kVA=1 062 200.00÷400=2 656kVA

（9）改造前利润

（改造前售电电费-改造前购电电费）÷改造前购电电费=（6 642.67-5 410.16）÷5 410.16=22.78%

（10）改造后利润

（改造后售电电费-改造后购电电费）÷改造后购电电费=（6 111.25-4 772.68）÷4 772.68=28.05%

说明 高压综合线损率（%）：省公司购电关口至供电网10kV公配变10kV高压侧平均线损率；

配变变损率（%）：10kV公配变平均变损率；

低压配网线损率（%）：10kV公配变低压出口至客户电能计量表的平均线损率；

抄表到户售电量（kWh）：到户抄表售电量；

电网购电平均电价（元／kWh）：省公司购电关口平均综合电价；

公配网到户售电平均电价（元／kWh）：到户计量售电平均综合电价。

低压补偿装置安装地点分散、数量大，运行维护是补偿工程需要重点考虑的问题；另外，配电系统负荷情况复杂，系统可能存在谐波、三相不平衡，以及防止出现过补偿等问题，这些工程中应注意的问题后面详细介绍。

根据以上常用无功补偿方案的分析、讨论，可归纳、整理出四种补偿方案的特点和基本性能如表2所示。

表2 三种无功补偿方法的特点比较

2 低压降损装置选型及工程施工应注意的问题

低压降损装置安装地点分散、数量多，且配电网电压、负荷情况复杂；工程中相关问题考虑不周，不仅影响装置正常运行，也带来很多维护、管理等问题，工程问题必须引起重视。

（1）运行及产品可靠性问题

与配电变压器相比，有些低压降损装置的维护量无疑要高很多；控制系统越复杂、功能越多，维护工作量越大。有些单位从“长远”考虑，提出联网、监控等很多要求，无疑会增大投资和运行维护量，事实是很多没有联网的可能。

低压降损装置的可靠性是关键。大量工程实践表明，户外配变降损装置因工作条件差，晶闸管半导体类降损装置难满足可靠性要求，低压供配网节电装置是最佳选择。

（2）产品类型和功能选择问题

对配电台变的降损控制，有多种类型和不同功能的产品可供选择。城网台变多以降损为主，很多要求有综合监测功能。农网不同场合要求不同，可考虑配电+降损、降损+计量，特殊用户可用配电+降损+计量或降损+综测。而低压供配网节电装置大都可以满足这些综合要求。对监控功能的要求高，必然成本高、投资大。建议根据实际需要和使用场合，合理选择功能适用、价位合理的产品。实际工程上，不应出现一个变台安装有多个箱子的情况。

（3）控制量选取和控制方式问题

很多专变降损装置往往单纯根据电压控制电容器来达到降损目的，这种方式有助于保证用户的电压质量，但对电力系统无功补偿不可取。前面图1线路的电压分析表明，电网的电压水平是由系统情况决定的。若只按电压高或低控制，降损装置的无功补偿量可能与实际需求相差很大，容易出现无功过补偿或欠补偿。

（4）补偿效果和补偿容量问题

低压侧补偿无功降损可提高配变功率因数，降低配变损耗，但只在某一节点的配变装降损装置，对10kV线路降损作用很小。因此，某条线路配变安装降损装置数量少或降损装置容量不足，影响全网（线路）降损和电压改善效果。如用功率三角形计算方法确定降损装置容量，对实际工程难以实现。配电网日负荷变化大，负荷性质不同，降损装置容量要求也不同。大量工程实践表明，对具有动态降损能力的装置容量选取在配变容量20%～30%内。同时，对个别情况可能需要进行特殊处理。

（5）无功倒送和三相不平衡问题

安装或选用低压降损装置装置时，应充分考虑无功倒送会增加线路和变压器的损耗，加重线路供电负担。为防止三相不平衡系统的无功倒送，可采取诸如低压供配网节电装置此类对三相不平衡问题进行重点设计的装置。固定降损装置部分容量过大，容易出现无功倒送。若像降损装置具有动态补偿能力，则能有效避免无功倒送。对三相不平衡较大的负荷，比如机关、学校等单相负荷多的用户，往往考虑采用传统的分相无功补偿装置。但一般需要加装控制器使其装置具有分相控制功能，这使得工程造价加大，这是工程中必须考虑的问题。

（6）谐波影响和电容器保护问题

谐波影响会使电容器过早损坏或造成控制失灵，谐波放大会使干扰更加严重。工程中应掌握用户负荷性质，必要时应对补偿系统的谐波进行测试，存在谐波但不超标可选抗谐波无功补偿装置，而谐波超标则应治理谐波。若采用以电容器补偿作为核心的降损装置，由于电容器耐压标准为1.1UN，降损装置控制器过压保护一般取1.2 UN，超过必须跳闸，如图1线路首端节点配变如安装传统带电容器的降损装置可能发生跳闸。实际工程中，对电压较高电网的装置应予以关注。

3 结语

电网降损装置是一项建设性的技术措施，对电网安全、优质、经济运行有重要作用。由于篇幅限制，本文重点对配电网的降损技术进行了分析、探讨。分析计算结果和大量工程实践表明，积极采用新型的低压供配网节电装置作为低压公共配电网优化工程中的降损装置可以满足电网安全、优质、经济运行，当然怎样优化选取最佳方案仍有很多技术问题在实践中值得认真分析和思考。