电压质量是电能质量的重要指标之一，电压质量对电力系统的安全运行，保护用户安全生产以及电气设备的安全与寿命，有重要的影响。随着经济社会的发展，我国输电网和城市配电网得到了长足的发展，其供电质量和供电可靠性也不断提高，但是受体制、投资等原因的限制，我国农村配电网的发展相对滞后，农村配电网电压质量不合格问题突出，已经严重影响到用户用电设备的正常运行。

　　本文针对农网电压质量问题，分析了影响农村配电网电压质量的影响因素，介绍了目前我国为改善农网电压质量采取的措施，分析串补技术对改善农网线路电压质量的基本原理，利用PSASP仿真软件建立了宁夏某实际农村配电网线路，仿真分析了串补技术对于改善农村配电网电压质量、线路输送容量的效果。

　　1 影响农网电压质量的因素

　　农村配电网主要是10kV和6kV，其网络规模巨大，负荷情况复杂。目前影响农村配电网电压质量的主要因素是：

　　(1)网架相对薄弱，布局不合理，供电半径长，设备老化，造成线路的电压损耗进一步加大，当负荷较重时，往往线路末端电压严重偏低。

　　(2)农网配电变压器数量多、地域分散，农网负荷峰谷差大，季节性强，用户负荷小和功率因数低导致农网送电效率低和电能质量差。

　　(3)农网部分线路带有大容量的电动机，由于其设施不够先进，大量电动机启停造成农网线路电压跌落。除了以上原因外，农网建设资金短缺，改造速度慢，农网管理体制等因素也是造成农网电压质量差的原因。

　　2 改善农网电压质量的措施

　　针对农网线路末端电压低的问题，单纯从技术角度考虑，目前可采取的主要措施有改变变压器分接头位置、更换线径更大导线或增加电源点和采用分散式并联无功补偿装置。第一种方法最容易实现，但是该方法调节范围有限，在实际调节中，由于变压器位置分散，现场实际调节困难;第二种方法投资费用高;第三种方法是目前国内改善农网电压问题比较常用的一种方法，在提高功率因数，降低线损等方面起到了明显的作用。但是目前普通开关型并联电容器补偿装置存在开关动作频繁，响应速度慢、维护量大、使用寿命短以及补偿精度差等问题，同时存在线路重载时，无功补偿量低，电压提升效果不明显，线路轻载时线路电压又过高的问题。虽然近几年以电力电子技术为基础的SVC、STATCOM等无功补偿装备发展迅速，但是其设备价格高，维护率高，也未能在农网中大规模应用。

　　除了上述3种措施外，还有一种措施是在线路中串联电容器，它对改善辐射状配电线路沿线电压分布、减小电压跌落及提高线路输送容量具有明显的作用。目前在线路中串联电容器技术在国内外高压输电线路得到了广泛应用，在国外欧美国家低压配电网也得到了一定的应用，但是该技术在国内农村配电网的应用极少，因此本文研究分析串补技术改善农网电压质量的效果。

　　3 串联补偿技术基本原理分析

　　3.1 串补改善线路输送容量特性分析

　　串补技术最早应用输电领域，技术发展较为成熟。下面采用一个简单的双机系统分析串联补偿对线路输送容量的影响，分析系统示意图如图1所示。

　　3.2 串联补偿技术改善线路电压特性分析

　　不加串补时线路电路图如图2所示。

　　4 实际算例仿真分析

　　本文以宁夏某实际配电网线路为例，在电力系统综合程序(PSASP 7.1)建立其仿真模型，仿真分析串联补偿电容对配电网线路电压质量的影响。

　　4.1 算例模型建立

　　通常能从供电局得到的线路信息有线路总长、主线和支线线型、各个负荷分接点的数量和位置(通常由电力杆号表示)及各个分接点处的配变容量。

　　由于一般配电线路主干线线路长，分接线路多，沿线负荷较多，负荷类型也不同。在建立模型时如果将线路的每个节点和负荷都详细建模无疑会增加工作量，同时本文主要目的在于评估线路的电压情况，没有必要对线路所有节点都进行建模。因此建模时有必要进行适当简化。保证主干线路总长度不变前提下，减少主干线路上的负荷节点数量，相邻负荷节点之间距离较短的可以合并为一个负荷点，合并后负荷大小为两者之和，距离为离上一个负荷节点较远的那个节点。支线的所有负荷全部移至主干线路，忽略支线的线路阻抗，忽略变压器阻抗，即在建模时可不考虑变压器。

　　由于配电线路无法采集各个分接支路的负荷功率/电流大小及相应的功率因数，因此建模时各个负荷大小可根据配电变压器容量负载率估算，功率因数为0.85～0.95之间。根据PSASP软件的特点，在建模时负荷的有功值和无功值可由容量为配电变压器容量，功率因数为0.85而计算得出。然后在实际计算时可再根据线路的负载率和实际情况按比例整体调整线路负荷大小和功率因数。

　　本文选取的线路变压器总容量为13875kVA，两条线路杆塔之间的距离平均为81m，主干线路末端与首端距离大约为20km。

　　根据上述的简化原则，本文选取的线路简化后的仿真模型图如图6所示。

　　4.2 加入串补前线路仿真结果

　　根据所建立的模型，本文分别仿真分析了0.85、0.9和0.95三种不同功率因数下，线路负载率为69%、25%时线路的电压分布情况，具体仿真结果如图7所示。

　　根据仿真结果，线路负荷平均功率因数为0.85时，当负载率高于69%时，此时潮流计算不收敛。从图7可以看出，线路负载率在69%时，线路末端电压降至4.65kV;当线路负载率低于25%时，才能满足线路末端电压在9.3kV以上这个要求[10]。同时从图中还可以看出，线路负载率为69%，功率因数为0.95、0.9、0.85时，线路末端电压分别降至6.09kV、5.45kV、4.65kV。因此同一负载率下，线路功率因数越低，线路末端电压越低，即线路电压降幅越大。4.3 加入串联补偿电容后线路仿真结果

　　农网配电线路比较长，串联补偿电容安装位置对线路的补偿效果影响较大，同时也影响其容量的选择，因此串联补偿电容安装位置应该在解决线路电压问题的同时尽可能使电容器的安装数量和容量达到最小。

　　一般来说为了使全线路的电压都得到改善，串联电容器可选择安装在距离电源点较近，线路电压降幅较大的位置。

　　从图7可以看出，线路电压在57#杆后电压降幅较大，且电压已降至8.12kV，因此考虑在57#杆后面加入串联电容器。

　　加入电容器的大小可根据补偿度k%表示，补偿度通常定义为串联电容器的电抗值与系统和电容器安装点之间的总电抗之比。补偿度定义示意图如图8所示。

　　从图10中可以看出加入串补后，线路电压在57#杆后有明显的提升，同时整条线路的电压水平也明显提升，末端电压提高至8.7kV。加入串补前后线路首端电流由807A降至589A，线路损耗降低。线路首端功率因数也由0.83提高至0.96。

　　根据仿真结果，线路功率因数为0.9时，加入串补前，如果为了使线路末端电压达到9.3kV以上，此时线路输送的极限功率仅为3.33+j1.75MVA;加入串补后，线路输送极限功率提高至7.38+j2.47MVA。线路输送功率能力得到明显的提升。

　　5 效果评价

　　通过仿真分析可以看出，负荷功率因数为0.9，线路负载率为69%时，线路采用串联补偿技术，加入串联电容器后，线路末端电压由5.5kV提高至8.7kV，整条线路的电压水平也整体提高;线路首端电流由807A降至589A，功率因数由0.83提高至0.96。线路输送极限功率也由3.33+j1.75MVA提高至7.38+j2.47MVA，线路输送功率能力提高。

　　从上面的分析和仿真结果可以看出串联电容器技术对改善农村配电网电压质量、提高输电能力、减少电能损失及提高线路功率因数等方面具有很好的效果。但是仍然有以下几点问题需要注意：

　　(1)变压器铁磁谐振

　　由于变压器铁芯是饱和的非线性的，当变压器空载合闸会产生很大的励磁电流，通常可达到变压器额定电流的8倍～10倍，该励磁电流称为励磁涌流。励磁涌流快速变化，使电容器两侧产生很大的电压升，加大变压器铁芯饱和程度，使变压器电感发生变化，达到电感和串联电容谐振的条件，则会产生谐振电流，发生“铁磁谐振”现象。为了防止铁磁谐振尽量避免串联电容器过补偿，也可配置旁路阻尼电阻并联在电容器上，当变压器空充时接入阻尼电阻。

　　(2)感应电动机自激

　　许多农村配电网线路上都有较多的异步电动机，当线路串入电容器后，线路本身的电抗和电动机本身的电抗与电容器发生谐振，使异步电动机群发生自激，无法运行。当电动机在启动时，电动机如果发生自激，电动机有可能被锁定在次同步振荡频率上，并持续以次同步频率速度旋转，使得电动机滑差减小，产生大电流，导致电机过热，严重时造成电机损坏。为了防止电动机自激发生，可在电动机启动时旁路电容器，或者在串联电容器上并联阻尼电阻。

　　(3)串联电容器过电压保护

　　串联电容器相当于减少了线路阻抗，因此当串联电容器至线路末端这段线路中间发生短路时，短路电流会急剧增大，电容器两端的电压也急剧增大。为了避免电容器因过电压而烧坏，需要选择电容能够承受极大短路电压的电容器，或者是在短路时将电容器旁路。

　　6 结论

　　(1)串联电容器补偿技术对改善农村配电网电压质量、提高线路输送能力，减少电能损失以及减少线路电压波动等方面效果显著，具有良好的应用前景。

　　(2)在应用串联电容器技术改善农村配电网电压质量时，应通过合理选择补偿度、旁路电容器和并联阻尼电阻等措施避免铁磁谐振，感应电动机自激和电容器过电压等问题。

　　(3)改善农村配电网电压质量的方法还有很多，例如电网升级、改变变压器分接头位置、并联无功补偿装置等，每种方法都有其各自的技术和经济方面的优势，因此改善农网电压质量应该是多种方法综合考虑。

　　作者简介

　　艾绍贵，现任无源滤波装置在照明系统的应用案例分析"