10kV配电网二次系统电源配置

王世平 张运龙 蔡文辉 曾杰 王家华

（云南电网有限责任公司昆明供电局）

0 引言

能源工业是我国国民经济发展的重要基础，对节约用能起到举足轻重的作用。通过对配电网络的改造，不仅能够达到国家的节能降耗指标，而且能够改善企业的整体效益。本文就10 kV配电网络存在的问题进行了探讨，探讨了10kV配电网络的节约能源措施。

1 配网二次电源配置现状概述

目前，10kV开关场和开关场二次系统有交流供电和直流供电两种方案，一般采用直流电源，通过整流装置配置电池。交流电源的配置一般有两种方式：低压侧电源和从低压电源中取出变压器。由于设备投资成本和对直流系统的专业维护要求，大多数配电盘都不能配备直流电源。所以，在上述电厂中，主、副两级都是由 AC电源来实现的。当前配电系统中，大部分二次供电都是从变电站进行的。大部 分的分配电路都是利用电机二次绕组的输出，再由一个小的变压器把它转变成220V的 AC，仅有几个关键的切换采用了DC供电。

特别是设置值不够。110kV火力发电厂或10kV火力发电厂由负载管理站输送，其电力供应距离为1/2以上。按照相对负载的分布情况，10 kV配电网络的供电范围为1500～4000km，低电压的输电线路为150～400m，超出此区间不但会增大线损，也无法保障电力的品质。施工忽略了实际，一味地跟随潮流，只管电压的稳定性，使变压器数量多，绕线，增加工程投资，造成电能损耗。输电线路的断面选取不科学，主要有线径小、线电阻大、线损与电阻之间的较大等形态，难以对工作电压进行有效调控和运行电压偏小。在同等负荷的情况下，工作电压略低于额定值，则负荷电流增大，从而导致损失增大。随着电源因子cosφ的降低，配电系统的电压、电路容量也随之增大，从而使电力系统的线路和电力系统的损失增大。三相负荷不合理会导致电力系统中的输电线路及变压器的损失增大，而在低电压端负荷均衡时，三相负荷也会得到均衡，而三相负荷则会在较高电压端得到体现。如果出现重大的事故，高压线路的电力损失将达到原来的12.5%。变压器的损失是负荷损失，在所有条件下，其工作电压基本上保持不变，也就是说，全负荷损失是不变的。通常情况下，线路负荷损失与变压器负荷电流的平方成正比关系，三相负荷失衡会使其损失增大。通过多个资料的统计，发现三相负荷失衡情况下，三相负荷非均衡状态下，其损失是三个典型的三相负荷损失。另外，由于负载特性不稳定，当负载超过某一时段，将导致更大的变压器容量，从而导致电力设备投资的成本和电力消耗。由此，变压器的负载损耗会在不同的运行模式下发生变化，例如，在变压器、电能表等计量检定装置的更新、拆除或重新装备过程中，不计算能耗，数据信息缺失时出现估计情况，指示的能耗不计入下一轮统计。在电力工人的日常工作中，抄表方式不同，漏抄表、预抄表或不抄表，都会导致很多施工空白。仪表安装顺序不合理容易偷电，有的家庭调整电表的接线方式，改变量规，导致电表出现误差。此外，部分地区电网布局不合理，电网结构差，致使电网建设进展缓慢，自动供电效率低下[1]。

2 10kV配电网的管理现状

（1）配电变压器的问题

配电网中将存在无法比拟的线性损耗，线路损耗不仅能直观地体现出职工的工作能力，而且还能作为一个企业发展的关键因素。要做好直线亏损的治理，就必须通过优化企业的外部过程来提高企业的经营效益。目前，国内一些地方的电力系统已经无法适应电力负荷的要求，从而造成电力系统的资源浪费。另外，由于电能表的安装损耗比较大，使得测量精度降低。

（2）配电网管理不到位

通过对10kV配网管理现状的分析，发现部分配网设备的配置和管理并不理想。此外，在检查配电设备时，人员的维护方法相对落后，无法准确检测配电网络中的问题，不及时修复会增加故障的概率。由此，还存在一些经济技术问题，配网设备的使用寿命比较长，耗电量没有减少。而且，如果员工不仔细抄表，还会出现未知的用电问题。

（3）无功补偿力度投入欠缺

目前国内各供电公司对配电网络缺乏统一的补偿装置，导致了系统的无功损失增大，从而影响了系统的稳定。通过对一些变电所进行的调研，发现一些变电所存在的问题，其原因在于电容容量过大，无法将其全部的能量让渡到装置自身，从而导致了对电力系统的资源消耗。另外，在减少投资回报率方面，还需投入一定的资金和时间[2]。

3 直流电源配置

为了确保10 kV重要的开关变电所的安全运行，通常使用断路器、直流控制系统、独立整流设备和电池组来进行实时充电，直流系统在断路器断电后断电。内置充电板及蓄电池屏风，双路AC输入开关，两路AC输入端均有电气互锁，确保了充电器屏幕的选择性供电。在一个AC断电时，另外的AC输入会被自动地利用，在AC的两个输入端断开，则停止充电，电池为装置和运行供电。为了确保避免一次设备发生故障，不会对整部设备造成任何的干扰。为了达到对电池进行实时监视和自动化的目的，需要确保直流电源能够在正常和浮动两种状态下进行任意的转换，并且对充电技术的各项指标进行实时的监视。整个电网的DC、蓄电池的组态，不仅投入巨大，还需要专业的维修和费用，而且由于实际的配电网运维人员的职业素养等诸多原因，使得其运营状态不容乐观[3]。

4 交流电源配置

（1）低压侧外引电源

不能供应 AC电力，所以配送站和货盘不能正常工作。为了确保对站场的控制系统的电力供应，采用了采用外接的电缆进行直流输电。电力输送后，由一根馈线连接到低压配电箱。10 kV高压箱次回路一般都是由外部DC电源来提供，而不会对其进行操作和保护。

（2）互感器抽取低压电源

在分配和传输现场结束后，100V的变电站和被控制的电源可以从变压器柜或电机中移除。为了确保计量精确、避免漏电，许多站点及所需要的计量柜均设有独立的专用计量电机，而电机则采用独立的二次绕组，并配有铅密封。因此，可在进线柜内设置一台进线电机，并使用两个转换率为10/0.1/0.1的次级线圈和一个0.2min电平的线圈作为进线功率监控器，精确度为0.5度绕组，作为控制电源绘制。如果需要220V交流电，产生220V次级电压的次级绕组可以通过小型变压器转换[4]。

5 嵌入式壁挂电源系统

嵌入式供电系统是目前正在应用和推广的新型供电系统之一，原理与一般直流电源系统基本相同，只是电池容量比较小，220V系统一般为38A，110V系统一般为65A。一般为一体化设计，由配电箱和电池箱组成，配电箱是心脏，负责管理电池充放电和电路电源。交流输入采用电机二次线圈交流输出，可自动切换市电交流电源，该系统不仅具有直流电力系统的安全可靠，而且可采用嵌入式安装方式，结构简单，维护方便，适用于带开关电缆的分箱、智能开闭、智能箱式变电站、环网柜和其他地方[5]。主要缺点是电池容量小，可能导致电池操作和维护不当，当供电系统出现故障时，表示电池无法正常供电。

6 全系统直流微断分级配置

控制电源和保护电源的直流供电电路应采用独立的直流开路电源供电，各保护电源、自动仪表电源和控制电路电源开路电源的安全数量应予以规定。为防止开路直流电路（直流熔断器）误动作引起的扩容事故，应注意在安装直流主输出电路和用熔断器进行直流切换时，熔断器必须分相分布，分步协调。在直流段上安装微型气动开关时，保险丝应与微型气动开关相配合；当将小型的空气切换器置于DC和DC分支时，一定要保证有一个较低的气压切换。气闸可选择性地配合，保险丝不能与上一次DC断路器相连接，DC回路的空气切换只具备DC的特点，而应该优先使用同一工厂和站点的自动空气切换。新建、扩建、技改工程均需配备自动气闸，并逐步取代保险丝的DC线路。若将原有的DC保险丝替换成无发热的微型气闸，并具备一定的截断DC负荷的容量，则其工作电流的最大值为1.5～2.0。

与断路器相配的原理：当 LG的开关连接时，多个断路器是通过一套保护设备和两个不同的复式断路器来进行的，每个断路器的工作线路应该通过一个专门的空气开关（DC保险丝）来驱动，而保护设备的DC线路应该是通过一个专门的电源来提供DC-空气切换（DC保险丝）。该系统需要另外一套DC空气切换（DC），若有两套绝缘线圈，每一次短路都需要使用一个专门的气动开关（DC保险丝）。保护原理：每个单独的保护设备，每个终端都要特别地为DC/DC/DC保险丝（DC保险丝）供电，所有的DC保护线路都应该包含短路保护的绕组回路，只有在反向端子上才能得到正、负DC供电，其他独立保护的线路，如短路保护，均不能接受来自其他独立保护端子对的正、负DC供电。若一套单独的保护继电器及线路被分开放置于不同的开关箱，也应由相同的指定接线端提供。两套保护性设备的DC逻辑线路通过各种保险丝或不同的特殊终端而没有电气连接。如果需要的话，它应该被弹出一个空的连接点。

7 新型电源系统研究概述

使用直流系统和电池配置时，成本高，经济性差。如果电池的运行和维护条件较差，当供电系统出现故障时，电池可能无法正常向二次系统供电。目前大多采用交流电源配置方案，但在这种配置中，配电系统失电后，所有二次系统都会失电，所有保护都不起作用，因此需要对电源系统进行改进。电容储能可用于无缝提供备用电源，当电流丢失时，电容器由放电过程触发[6]。但是，使用带有电容储能的开关电源作为备用电源的最大问题是其工作容量受限于电容。随着材料科学的发展，一种新型的储能元件超级电容器逐渐发展起来，其容量可以达到法拉第级别甚至数千法拉第，它是在电池和传统电容器之间储存能量的元件。冷凝器系统中没有绝缘体，为了达到电化学平衡，电荷在电极和电解质界面之间自动分配，形成阴阳离子界面，从而达到节能的目的。由于极板为活性炭，有效表面积大，可以获得较大的比电容，适用于短时间大电流放电。

如果超级电容器可以作为保护装置的开关电源的储能元件，那么这种供电系统应该是配电二次系统更好的供电选择，它主要由AC-DC转换器、升压转换器、保护电路和超级电容组成。正常工作时，单相交流电经过AC-DC变换器后，直流输出电压满足要求，一部分经过Buck-Boost变换器，为设备各部件提供恒定的直流电源。另一部分为超级电容器充电以补偿泄漏损失，同时保持电压稳定。当交流电正常启动时，AC-DC转换器为超级电容器充电。当电量超过低压保护值时，变压器开始工作，为二次系统供电。在一定电压下充电时，超级电容处于浮空状态。在充电过程中，AC-DC转换器的输出电压随着超级电容的增加而缓慢上升，但由于备用批量转换器的调整，仍然可以为保护装置提供稳定的输出电压。当交流电失电时，超级电容开始放电，通过Buck-Boost变换器为二次系统提供稳定的输出电压，实现二次系统的不间断供电。当超级电容器电压下降到设定的低压保护值时，系统通过低压保护电路停止向配电网二次系统供电，并发出开关管和降压变压器的信号[5]。新开关电源系统的组成如下图所示。

图 新开关电源系统的组成

8 结束语

目前，10kV配电网二次供电系统的配置方案较多。新型电源系统采用超级电容作为保护装置开关电源的储能元件，具有电容储能的电源在失去正常供电后，可以满足保护、操作和通信设备的需要，实现不间断供电，能满足停电后预期时间的要求，满足一定的电气性能指标要求。超级电容器在电源系统中的应用会根据负载的大小和重要性产生不同的解决方案，这些方案的合理选择，可以解决电池给电力系统带来的环保、维护、使用寿命等问题，提高电力系统的可靠性、可维护性和可用性。随着超级电容器的不断发展，新型电力系统将在电力系统中得到广泛应用。