運(yùn)用移相器消除農(nóng)村電網(wǎng)線路角差的可行性研究

徐 科，屈靖潔，江 龍，方 川，汪 源

（國(guó)網(wǎng)浙江淳安縣供電有限公司，浙江 淳安 311700）

電網(wǎng)構(gòu)架的建設(shè)與發(fā)展需要考慮當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)條件等因素，農(nóng)村電網(wǎng)往往由于其用戶分布分散區(qū)域性原因，電網(wǎng)構(gòu)架薄弱單一，無法較好地滿足電網(wǎng)的N-1 原則[1]。部分配網(wǎng)線路即使架設(shè)了鄰近聯(lián)絡(luò)線路，也存在由于上級(jí)電源點(diǎn)不匹配的問題導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線路存在相位角差而無法合環(huán)熱倒。存在相位角差的線路在短時(shí)倒負(fù)荷停電過程中，極有可能造成風(fēng)景區(qū)電梯、索道短時(shí)停運(yùn)，農(nóng)居點(diǎn)農(nóng)產(chǎn)品加工受影響等問題。如何消除線路之間相位角差，實(shí)現(xiàn)線路合環(huán)熱導(dǎo)不間斷供電是供電公司服務(wù)民生迫在眉睫的重要問題[2]。

1 相位角差

1.1 相位角差產(chǎn)生的原因

聯(lián)絡(luò)線路存在相位角差是由于線路上級(jí)電源點(diǎn)的主變聯(lián)接組別不匹配所致。在農(nóng)村區(qū)域早期電力規(guī)劃過程中，制約于資金和技術(shù)的限制，供電可靠性未在初期設(shè)計(jì)的考慮方案之內(nèi)。在電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，變電站的變壓器接線方式往往采用典型的Y/Y/△接線（三圈變）或是Y/△接線（兩圈變）。并且在城鄉(xiāng)交界處，城鎮(zhèn)區(qū)域的用電需求相對(duì)較高，需要220kV/110kV 的變電站作為支撐，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)的用電負(fù)荷較低，35kV/10kV 的變電站即可滿足供電要求。因此，這種多電壓等級(jí)、單一連接組別形式變壓方式等多方面原因?qū)е铝顺青l(xiāng)結(jié)合區(qū)域的低壓配網(wǎng)線路存在相位角差。具體如圖1 所示，10kV 線路A 經(jīng)二次變壓，與10kV 線路B 之間產(chǎn)生了30°的相位角差，從而無法開展合環(huán)熱倒工作。

1.2 相位角差存在的電網(wǎng)安全隱患

兩條線路不存在相位角差是線路合環(huán)的基本要求之一，若在存在相位角差的情況下直接合環(huán)，很可能產(chǎn)生很大的合環(huán)電流，引起繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作[3]。并且合環(huán)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流也會(huì)影響用戶的電能質(zhì)量，波動(dòng)的電壓甚至?xí)斐捎秒娫O(shè)備損壞。因此，當(dāng)線路存在相位角差時(shí)，必須進(jìn)行停電倒負(fù)荷。當(dāng)?shù)关?fù)荷過程中出現(xiàn)設(shè)備異常，則會(huì)造成用戶停電時(shí)間延長(zhǎng)，無法保證供電可靠性。在實(shí)際倒閘操作時(shí)，常常會(huì)造成風(fēng)景區(qū)電梯、索道短時(shí)停運(yùn)，農(nóng)戶農(nóng)產(chǎn)品加工受影響等一系列問題。因此，線路之間存在相位角差，不僅使得現(xiàn)場(chǎng)操作人員存在安全風(fēng)險(xiǎn)，也對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性存在潛在影響。

2 移相器消除相位角差

2.1 移相器原理

移相變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理改變電壓相位及幅值的特殊變壓器設(shè)備[4]。移相器一般有初級(jí)和單個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組，變壓器初級(jí)繞組接交流電源，在繞組內(nèi)流過交變電流產(chǎn)生磁勢(shì)，于是在閉合鐵芯中就有交變磁通。次級(jí)繞組切割磁力線，在次級(jí)就能感應(yīng)出相同頻率的交流電[5]。通過改變初級(jí)繞組的聯(lián)結(jié)關(guān)系和單個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組的聯(lián)結(jié)關(guān)系，可以改變次級(jí)繞組的電壓幅值和相位。

2.2 三相三角形延邊移相自耦變壓器

三相三角形延邊移相自耦變壓器利用電磁感應(yīng)原理，在三相鐵芯柱上分別繞制三組繞組（繞組N1、繞組N2 和繞組N3），不同相上的線圈連接方式如圖2 所示（A相的繞組N1 尾端和繞組N2 首端與B 相的繞組N3 首端和C 相繞組N3 尾端相連，其它繞組連接方式同理），產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)矢量合成兩個(gè)電壓矢量三角形（ABC 和abc），這兩個(gè)電壓矢量三角形的幅值相同，相位上ABC超前abc 一個(gè)角度（∠Aoa）[6]。

如圖2 所示，自耦變壓器磁動(dòng)勢(shì)平衡方程為：

式中F代表三相線圈在負(fù)載情況下的磁勢(shì)和主變?cè)诳蛰d情況下的磁勢(shì)、N表示各線圈匝數(shù)，I表示通過該線圈中的電流大小。變壓器在空載情況下的電流相對(duì)于負(fù)載情況可以忽略不計(jì)，根據(jù)基爾霍夫電流定律可將磁動(dòng)勢(shì)平衡方程推廣為：

根據(jù)圖3 可得該移相器的電壓關(guān)系方程為：

圖1 相位角差原理圖

圖2 三相三角形延邊移相自耦變壓器接線圖

圖3 三角形延邊移相自耦變壓器電壓矢量圖

式中θ為繞組N1超前繞組N2的角度，即為最終移相器的補(bǔ)償角度。由于繞組結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，輸入輸出電壓幅值相等，N1=N2該移相器的變比為：

由此可以推出，移相器補(bǔ)償?shù)慕嵌圈?取決于兩個(gè)繞組的匝數(shù)：

因此，可以通過改變移相器主次繞組的匝數(shù)比，從而改變移相器所補(bǔ)償?shù)南辔唤遣?。在存在相位角差的線路間安裝移相器后，當(dāng)需要進(jìn)行倒閘操作時(shí)，投入移相器，即可消除相位角差，直接進(jìn)行合環(huán)熱倒，減少了短時(shí)停電的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 經(jīng)濟(jì)損耗與成本比較

相位角差引起的短時(shí)倒負(fù)荷停電問題在各地的配網(wǎng)線路之間普遍存在。考慮移相器造價(jià)以及安裝成本，需進(jìn)一步考慮存在角差的線路由于停電倒負(fù)荷所造成的年經(jīng)濟(jì)損失。以浙江杭州為例，杭州地區(qū)存在相位角差線路共有153 條，其中35kV 線路13 條，10kV 線路140 條。該部分線路在進(jìn)行倒負(fù)荷操作時(shí)，會(huì)造成下送用戶短時(shí)停電，引起電能損失，降低供電可靠性。以其中一條35kV 線路為例，計(jì)算自2015 年起至今由于倒負(fù)荷短時(shí)停電所引起的年度損耗量如圖4 所示：

圖4 某35kV 線路近五年冷倒合環(huán)損失統(tǒng)計(jì)表

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得，在實(shí)際情況下，考慮操作時(shí)差和設(shè)備故障等額外因素，一條35kV 線路由于合環(huán)倒負(fù)荷的年平均操作次數(shù)為13.2 次，損失時(shí)戶數(shù)為17.08 百時(shí)戶，損耗電量約為81.67 萬千瓦時(shí)，折算為直接電費(fèi)經(jīng)濟(jì)損失約為43.29 萬元。對(duì)比于移相變壓器的造價(jià)成本，一條35kV 線路年度停電倒負(fù)荷所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失基本持平，因此，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，運(yùn)用移相器技術(shù)消除配網(wǎng)線路相位角差方案可行。

4 結(jié)論

本文對(duì)基于三相三角形延邊自耦移相器的配網(wǎng)30°相位角差消除方法進(jìn)行了可行性分析和經(jīng)濟(jì)損耗分析。結(jié)論表明，在配網(wǎng)線路加裝移相器，可以運(yùn)用移相器的功能完美消除相位角差，從而達(dá)到不停電合環(huán)的目的，大大提高了供電可靠性，減少了時(shí)戶數(shù)的發(fā)生。在綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本的情況下，大部分35kV 線路和需要倒負(fù)荷、下送重要配網(wǎng)用戶的10kV 線路可以考慮安裝移相器，在確保不停電熱倒的同時(shí)，能為社會(huì)公共安全保障和工農(nóng)商業(yè)發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟(jì)收益與社會(huì)效益。