1、三相不平衡調節及無功補償裝置 楊嘉文1概 述在中 、 低壓配電網系統中, 存在著大量的單相, 不對稱 、 非線性, 沖擊性負荷, 三相負荷系統是隨機變化的, 這些負荷會使配電系統產生三相不平衡, 三相負荷不平衡會導致供電系統三相電壓 、 電流的不平衡, 引起電網負序電壓和負序電流, 影響供電質量, 進而增加線路損耗, 降低供電可靠性 。 因此電力變壓器運行規程規定, Y/Y0變壓器的中線電流不能超過額定電流的25%。 由以上可知對負荷不平衡 、 無功短缺進行補償對配電網來說有很大的實用價值, 它可以降低線損, 提高電能質量, 增加配電網的可靠性 。由于負荷分配不均, 負荷性質也不一致, 造成低

2、壓供電系統無功不足, 負荷不平衡 。 尤其是經濟水平較為發達的地區表現更為明顯 。 無功不足 、 負荷不平衡這兩個問題已成為配電系統的兩大難題 。 針對無功不足的問題, 國內解決的辦法是:合理配置低壓無功補償電容器, 其補償的原則多數是共補與分補相結合, 并采取可控硅投切 、 接觸器運行的技術模式并附加電壓質量監測系統, 其采取手段多是通過遠紅外或 GPRS 通訊系統去實現 。 目前這項技術已基本成熟, 但它沒有考慮到如何去改善配電低壓系統三相不平衡的情況, 投切不當時, 反而增加不平衡的情況 。 因此, 三相不平衡的問題已成為當前配電系統亟待解決的問題, 也是配電系統的技術空白 。2項目的實

3、施的意義低壓配電網是電力系統的末端, 低壓配電網采用三相四線制方式, 配電變壓器低壓側采用 Yn0接線, 電網的不平衡會增加線路及變壓器的損耗, 降低變壓器的出力, 影響電網的供電質量, 甚至會影響電能表的精度, 造成計量系統計費損失, 由于三相負荷不平衡造成中線電流增大,會降低供電系統的可靠性, 影響配電系統的安全運行 。2.1中線電流帶來的變壓器損耗Y/Yn0接線的配電變壓器采用三鐵心柱結構,其一次側無零序電流, 二次側有零序電流, 因此二次側的零序電流完全是勵磁電流, 產生的零序磁通不能在鐵心中閉合, 需通過油箱壁閉合, 從而在鐵箱等附件中發熱產生鐵損 。Y/Yn0接線變壓器的零序電阻比

4、正序電阻大得多,變壓器的零序電阻可實測得到, 315kVA 變壓器的零序電阻是正序電阻的 10多倍, 因此零序電流產生的附加鐵損較大 。在不計零序回路損耗的情況下, 配電變壓器三相不平衡運行時三相繞組的總損耗 (單位為 kW 可計算為:P f1 =(I 2a+I 2b+I 2cR 1×10-3式中:I a 、 I b 、 I c 為三相負荷電流; R1為變壓器二次側繞組電阻 。三相平衡時每相繞阻電流為(I ·a+I ·b+I ·c/3, 三相繞組總損耗為:Pf2=3(Ia+Ib+Ic/32R1×10-3。三相不平衡時帶來的附加損耗為: Pf=P

5、f1-Pf2=(Ia-Ib2+(Ia-Ic2+(Ib-I c 2/I I3·R 1×10-3設某變壓器繞阻的電阻為 R, 三相總電流為 300A如補償前的電流分別為:I a =50A, I b =100A, I c =150A, 則:總銅損 =50×50×R+100×100×R+150×150×R=35000R 經過補償后:I a =I b =I c =100A總銅損 =3×100×100×R=30000R不 平 衡 系 統 與 平 衡 系 統 的 降 損 比 例 為 (35000-3

6、0000 /30000=17%。并且不平衡比例越大, 銅損的增加幅度越大, 甚至可到達 幾倍 。2.2中線電流造成的電壓偏移由于 Y/Yn0接線的變壓器一次側沒有零序電流, 二次側有 零序電流, 因此二次側的零序電流完全是勵磁電流, 產生的零 序磁通重疊在主磁通上, 感應出零序電動勢, 造成中性點電壓 偏移, 負荷重的相電壓降低, 負荷輕的相電壓上升 。 嚴重時會影 響變壓器的正常運行, 如熔絲熔斷, 零線過熱燒斷等 。由上述分析可知, Y/Yn0接線方式的配電變壓器不平衡運 行帶來的損耗與電壓偏移是很大的, 如對變壓器的三相不平衡 進行補償, 同時又補償無功, 則既可以節能, 又可以提高電能

7、質 量 。因此, 國標 GB/T15543-1995 電能質量三相電壓允許不 平衡度 對不平衡做出了規定 。 電力變壓器運行規程 也規定, Y/Yn0接線的配電變壓器,中線電流不能超過額定電流的 25%, 超過這一標準應調整負荷, 但負荷是實時變化的, 人工調 整負荷是不及時的 。 本裝置在技術上解決了這一難題 。 目前,在中 、 低壓配電網中,廣泛采用靜止無功補償器 (SVC 進行補償 。 供電點三相電壓的不平衡是由于三相不平衡 電流在輸電線路上引起的電壓降不同而產生的 。 在三相四線制 的低壓配電網中, 三相不平衡電流可分解為正序分量 、 負序分 量和零序分量 。 當前, 國內對于三相不平

8、衡補償的研究, 都局限 于三相三線制的中壓配電網, 采用三角形的電納網絡, 補償負 序電流和諧波電流, 而對于三相四線制的低壓配電網中的零序 電流分量的補償, 均未采取有效的補償措施 。 因此, 本裝置采用 一種新的三相四線制的低壓配電網中的三相不平衡負荷的補 償策略和與之配套的補償網絡的結構, 采用多組 和 Y 型補償 網絡元件, 其調整策略是作為三相不平調節元件同時也是無功 補償元件的一部分, 達到元件利用率最大化的目的, 在調節過 程中, 先采用指標平衡補償方案, 建立最小化目標, 即功率因摘 要:本文闡述了配電系統三相不平衡調節及無功補償原理 。 利用該原理可有效地調節低壓配電網中的三

9、相不平衡負荷及對功率因數進行補償, 使變壓器的負荷得到合理的分配 。 并介紹了一種新型無功補償裝置, 該裝置與傳統的無功補償裝置相比較, 可以使零序電流減少很多, 電壓不平衡大幅降低,功率因數提高, 是傳統的無功補償裝置升級換代產品 。關鍵詞:三相不平衡調節; 無功補償; 智能復合開關; 功率因數電力建設 專欄 129廣東科技 2008.11. 總第 200期 廣東科技 2008.11. 總第 200期數 0.9, 不平衡度 <0.25, 給出一套指標平衡組合補償網絡方案, 以滿足電力系統運行指標要求, 再根據剩余補償元件, 通過網損計算, 以網損最小化為目標, 給出一套網損最小化補償網

10、絡方案, 進行精細調整與補償 。本裝置通過上述方案, 使三相不平衡調節和無功優化滿足系統運行指標, 同時達到網絡損耗最小化的目的 。 有效地調節低壓配電網中的三相不平衡負荷及對功率因數進行補償 。 使變壓器的負荷得到合理的分配 。采用三相不平衡調節及無功補償裝置與傳統的無功補償裝置相比較, 傳統的無功補償裝置只能補償無功, 未考慮對三相不平等狀態的調整, 三相不平衡調節及無功補償裝置可以使得零序電流減少很多, 電壓不平衡大幅降低, 功率因數提高, 網絡損耗最小化, 是傳統的無功補償裝置升級的換代產品 。3原理分析與理論依據三相不平衡系統可以分解成正序 、 負序 、 零序分量, 而平衡系統只有正

11、序分量, 不存在零序 、 負序分量 。 因此只要將負序 、零序分量補償掉, 只剩下正序分量, 構成一個平衡的系統 。 補償技術的難點和關鍵點是構建目標優化計算系統及補償網絡模型 。 目標一是補償抵消系統的零序分量和負序分量, 只保留正序分量, 建立一個三相平衡系統 。 二是補償三相系統的無功分量, 使其 COS ->1。3.1三相不平衡 -無功補償裝置的工作原理補償網絡的結構和基本補償策略:補償網絡的拓撲結構如圖 1所示 。 在圖 1中, 由一個三相電壓平衡的供電母線向一個星形帶中線連接的三相不平衡負荷供電 。 為了供電母線提供的三相線電流相等, 也就是從供電母線的角度來看, 三相負荷是

12、平衡的, 需要引入 SVC 補償網絡如圖 1所示 。 SVC 補償網絡由一個三角形連接的 SVC 和一個星形帶中線連接的 SVC 構成, 二者相互配合, 可以完成三相不平衡負荷的補償 。在三相系統中, 跨接在相線與相線之間的電容或電感元件具有轉移相間有功功率補償無功的作用, 由于相間電感或電容元件的電流相量與每相電壓相量成 60或 120夾角,可通過一個簡單的示例來說明這一原理 。有一單相負荷接于 A 相與零線之間,其電流 IA=100A, 功率因數 cos a=0.85, 其中有功電流為 85A, 無功電流為 53A 。在 A 、 B 相間接入產生 61A 電流的電容器時,相量圖如圖 2所示

13、, 圖中, U ·A 為 A 相電壓相量, I ·AB 為接于 A 、 B 相間的電容器電流相量, 超前 A 相電壓 120° A 相負荷情況為:無功電流為零, 有功電流為 54A, 有功電流相量與無功電流相量合成的總電流為 54A, A 相有功負荷減少了; B 相負荷的情況為:B 相有功電流為 31A, 無功電流為 53A, 有功電流相量和無功電流相量合成的總電流為 61A 。由圖 2可見,通過在 A 、 B 相間跨接一電容器, A 相的有功轉移到 B 相一部分, 無功得到補償, 而接電容器前后 A 相與 B相的有功之和并未改變, 這說明可以在變壓器三相之間調整

14、有功, 變壓器的三相不平衡也是可以調整 、 補償的, 同時功率因數 可以得到提高 。采用星角混合接法的電容 、 電抗元件可補償掉或大大減少 零序電流與負序電流, 使系統轉變成基本平衡系統 。3.2補償不平衡負載實例分析(1 三相不平衡 -無功補償方法的接線如圖 3所示 。 圖中, I·a、 I·b、 I·c為負荷電流; I ·ao 、 I ·bo 、 I ·co 為星接補償元件電流; I ·ab 、 I ·bc 、 I·ca為角接補償元件電流 。(2 以前面的單相負載為例子來分析, 將其補償為對配電 變壓

15、器來講是三相平衡系統, 只需在 A 相接 100A 電流的電容 器, C 相接 98A 電流的電容器, AB 相間接 28A 的電容器, BC 相間接 28A 的電抗器, CA 相間接 85A 的電抗器:則 A 相電流為:I AX =I ·A +I ·A0+I ·AB -I ·CA =28.3A;則 B 相電流為:I BX =I ·B +I ·B0+I ·BC -I ·AB =28.3A;則 C 相電流為:I CX =I ·C +I ·C0+I ·CA -I ·BC =28.

16、3A 。每相功率因數接近 1, 三相有功電流之和與補償前 A 相有 功電流相等 。(3 設 一 配 電 變 壓 器 A 相 電 流 I a =100A 、 B 相 電 流 I b =200A 、 C 相電流 I c =300A 、 功率因數 cos a=cos b=co-s c=0.7時, 零序電流 I 0=173A 。根據三相不平衡 -無功補償方法得到如下數據: I -bo=140A, I co =120A, I ca =110A, I bc =0, I ab=0, I ao =0; A 相補償后 電流 I ·ax =I ·a +I ·ab -I ·c

17、a +I ·ao, I ax =120A,功率因數為 0.982(見圖 5 (a ; B 相 補 償 后 電 流 I ·bx =I ·b +I ·bc -I ·ab +I ·bo, I bc =0, I ab =0, I bx =140A, 功率因數為 0.9998(見圖 5(b ; C 相補償后電流 I ·cx=I ·c +I ·ca -I ·bc+I ·co, I cx =155A, 功率因數為 0.9999(見圖 5(c ; 補償后零序電流 I 0=45A 。電力建設專欄130

18、廣東科技 2008.11. 總第 200期(采用共補 -分補的無功補償裝置將無功全部補償, 補償 相量圖如圖 6所示, 補償后 A 相電流 I ·ax =I ·a +I ·ao, I ax =70A; 補償 后 B 相電流 I ·bx =I ·b +I ·bo, I bx =140A;補償后 C 相電流 I ·cx =I ·c +I ·co, I cx =210A; 補償后零序電流 I 0=120A 。比較圖 5和圖 6可見, 三相不平衡 -無功補償方法與分補-共補方法相比, 零序電流下降很多, 使不平衡

19、系統基本恢復 到平衡 。從以上可以看出三相不平衡調節與無功補償方法是將負 荷較均勻地分配到三相上去, 但三相有功負荷之和等于未補償 前的有功負荷之和, 而零序電流大為減少, 大大地降低了零序 損耗及中性點電位偏移 。4三相不平衡調節及無功補償裝置技術說明4.1裝置結構說明BT-06三相不平衡調節及無功補償裝置組成原理如圖, 包 括 3個主要組成部分:智能復合開關組, 補償電容器組, 微機控 制器 。圖中 YB-801為主控制器, 復合開關分為單相組復合開關和三相組復合開關兩種, 單相組復合開關又分為相間補償復合 開關和相地補償復合開關 。 主控器與各復合開關之間采用 485通信, 各復合開關采用 +12V 供電 。 電容器分為單相電容器和 三相電容器兩種, 三相電容器用三相組復合開關控制, 單相電 容器分別由相間型和相地型復合開關控制 。主控器分析用戶側 UA, UB, UC 三相相電壓和 IA, IB, IC, 各相電流 。 并形成主控器工作判斷所必要的參量 。 計算出需補 償的電容器組容量, 給出補償方案, 控制復合開關對電容器組 進行投切 。4.2智能復合開關智能復合開關是本裝置的主要部件之