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文檔簡介

1、三相四線低壓配電系統(tǒng)電壓、電流不平衡問題研究華北水利水電學(xué)院 周國安第一章 三相負(fù)載不平衡概述1.1 三相負(fù)載不平衡的危害三相電路中只要電源、負(fù)載阻抗或線路阻抗之一不滿足對稱條件,就是不 對稱三相電路。 我國城鄉(xiāng)配電網(wǎng)中大量采用了三相四線制接線方式, 且配電變壓 器為丫/Yn。接線,存在很多的單相負(fù)載,因此三相不平衡運(yùn)行是不可避免的。國 標(biāo)GB50052供配電設(shè)計規(guī)范、變壓器運(yùn)行規(guī)程中都規(guī)定了Y/Y no接線的配電變壓器運(yùn)行時中性線電流不能超過變壓器相、 線電流的 25%,這是由變壓器 的結(jié)構(gòu)所決定的。 中性線電流的增加會引起變壓器損耗的增加, 同時造成中性點 電位的偏移。 本項目定量分析研究

2、了這種影響, 同時采用一種新的補(bǔ)償方法減小 了附加損耗與中性點電壓的偏移。一般三相電源是對稱的,而在低壓配電系統(tǒng)中,三相負(fù)載的不對稱是常見 的。負(fù)載三相電壓不平衡是因為負(fù)載阻抗不對稱所致,屬于基本負(fù)荷配置問題。 發(fā)生三相電壓不平衡既與用戶負(fù)荷特性有關(guān), 同時也與電力系統(tǒng)規(guī)劃、 負(fù)荷配置 問題有關(guān)。由于負(fù)序分量和零序分量而引起公共連接點( PCC 點)電壓不平衡, 三相電壓不平衡給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來很大的危害,主要有: 1.1.1對于變壓器的危害在生產(chǎn)、生活用電中,三相負(fù)載不平衡時使變壓器處于不對稱運(yùn)行狀態(tài),造成變壓器損耗增大 (包括空載損耗和負(fù)載損耗 )。根據(jù)變壓器運(yùn)行規(guī)程規(guī)定,在運(yùn) 行中的變壓

3、器中性線電流不得超過變壓器低壓側(cè)額定電流的25%,此外,三相負(fù)載不平衡運(yùn)行, 會使變壓器零序電流過大, 局部金屬件溫度升高, 甚至導(dǎo)致變壓 器燒毀。配變出力減少。 配變設(shè)計時, 其繞組結(jié)構(gòu)是按負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計的, 其 繞組性能基本一致, 各相額定容量相等。 配變的最大允許出力要受到每相額定容 量的限制。 假如當(dāng)配變處于三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行, 負(fù)載輕的一相就有富余容量,從而使配變的出力減少。 其出力減少程度與三相負(fù)載的不平衡度有關(guān)。 三 相負(fù)載不平衡越大,配變出力減少越多。為此,配變在三相負(fù)載不平衡時運(yùn)行, 其輸出的容量就無法達(dá)到額定值, 其備用容量亦相應(yīng)減少, 過載能力也降低。 假 如

4、配變在過載工況下運(yùn)行,極易引發(fā)配變發(fā)熱,嚴(yán)重時甚至?xí)斐膳渥儫龘p。配變產(chǎn)生零序電流。配變在三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行,將產(chǎn)生零序電流, 該電流將隨三相負(fù)載不平衡的程度而變化,不平衡度越大,則零序電流也越大。 運(yùn)行中的配變?nèi)舸嬖诹阈螂娏?,則其鐵芯中將產(chǎn)生零序磁通。 (高壓側(cè)沒有零序 電流)這迫使零序磁通只能以油箱壁及鋼構(gòu)件作為通道通過,而鋼構(gòu)件的導(dǎo)磁率 較低,零序電流通過鋼構(gòu)件時, 即要產(chǎn)生磁滯和渦流損耗, 從而使配變的鋼構(gòu)件 局部溫度升高發(fā)熱。 配變的繞組絕緣因過熱而加快老化, 導(dǎo)致設(shè)備壽命降低。 同 時,零序電流的存在也會增加配變的損耗。1.1.2對用電設(shè)備的影響 三相電壓不平衡的發(fā)生將可能導(dǎo)

5、致數(shù)倍電流的不平衡發(fā)生,由于負(fù)序電流 的增大,誘導(dǎo)電動機(jī)中逆扭矩增加,從而使電動機(jī)的溫度上升,效率下降,能耗 增加,發(fā)生震動, 輸出功率降低等其他方面的影響。 各相之間不平衡會導(dǎo)致用電 設(shè)備使用壽命縮短, 加速設(shè)備部件更換率, 增加設(shè)備維修成本, 斷路器允許電流 的余量減少, 當(dāng)負(fù)載變更或交替時容易發(fā)生超載、 短路現(xiàn)象。中性線中流入過大 不平衡電流,導(dǎo)致中性線截面選擇過大。影響用電設(shè)備的安全運(yùn)行。配變是根據(jù)三相負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計的,其 每相繞組的電阻、 漏抗和激磁阻抗基本一致。 當(dāng)配變在三相負(fù)載平衡時運(yùn)行, 其 三相電流基本相等, 配變內(nèi)部每相壓降也基本相同, 則配變輸出的三相電壓也是 平衡

6、的。假如配變在三相負(fù)載不平衡時運(yùn)行,其各相輸出電流就不相等,其配變內(nèi)部相壓降就不相等, 這必將導(dǎo)致配變輸出電壓三相不平衡。 同時, 配變在三相負(fù)載不平衡時運(yùn)行, 三相輸出電流不一樣, 線產(chǎn)生阻抗壓降, 從而導(dǎo)致中性點漂移, 相電壓降低, 而負(fù)載輕的一相電壓升高。 電壓高的一相接帶的用戶用電設(shè)備燒壞,而中性線就會有電流通過。 因而使中性 致使各相相電壓發(fā)生變化。 負(fù)載重的一 在電壓不平衡狀況下供電, 即容易造成 而電壓低的一相接帶的用戶用電設(shè)備則可能無法使用。所以三相負(fù)載不平衡運(yùn)行時,將嚴(yán)重危及用電設(shè)備的安全運(yùn)行電動機(jī)效率降低。配變在三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行,將引起輸出電壓三 相不平衡。由于不平

7、衡電壓存在著正序、負(fù)序、零序三個電壓分量,當(dāng)這種不平 衡的電壓輸入電動機(jī)后,負(fù)序電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與正序電壓產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相 反,起到制動作用。但由于正序磁場比負(fù)序磁場要強(qiáng)得多,電動機(jī)仍按正序磁場方向轉(zhuǎn)動。而由于負(fù)序磁場的制動作用,必將引起電動機(jī)輸出功率減少,從而導(dǎo) 致電動機(jī)效率降低。同時,電動機(jī)的溫升和無功損耗,也將隨三相電壓的不平衡 度而增大。所以電動機(jī)在三相電壓不平衡狀況下運(yùn)行, 是非常不經(jīng)濟(jì)和不安全的。 1.1.3對線損的影響三相四線制接線方式,當(dāng)三相負(fù)荷平衡時線損最??;當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時, 中性線電流增大,無論何種負(fù)荷分配情況,電流不平衡度越大,線損增量也越大。增加線路的電能損耗。在三

8、相四線制供電網(wǎng)絡(luò)中,電流通過線路導(dǎo)線時, 因存在電阻必將產(chǎn)生電能損耗,其損耗與通過電流的平方成正比。 當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)以 三相四線制供電時,由于有單相負(fù)載存在,造成三相負(fù)載不平衡在所難免。當(dāng)三 相負(fù)載不平衡運(yùn)行時,中性線即有電流通過。這樣不但相線有損耗,而且中性線 也產(chǎn)生損耗,從而增加了電網(wǎng)線路的損耗。1.1.4導(dǎo)致周圍電子設(shè)備無法正常工作。1.2三相負(fù)載不平衡各序分量分析三個矢量組成一個閉合三角形,就是說,如果它們的幾何和等于零,那么 零序分量為零。因此,線電壓組成的多相系統(tǒng)中,不可能有零序分量。若無中性 線,線電流多相系統(tǒng)中也同樣不可能有零序分量。所以,在三相不對稱系統(tǒng)中有中性線的正序分量、負(fù)序

9、分量、零序分量均不為零;在三相不對稱系統(tǒng)中無中性 線的零序分量為零,正序分量和負(fù)序分量不為零。如表1-1所示:表1-1不同運(yùn)行情況時的各序分量運(yùn)行情況正序分量負(fù)序分量零序分量三相對稱運(yùn)行VXX三相不對稱運(yùn)行有中性線VVV三相不對稱運(yùn)行無中性線VVX對于一個不對稱系統(tǒng)(A,B,C)可以寫成(1-1)對系數(shù)矩陣求逆可得(1-2)由此可知,一個不對稱三相系統(tǒng),可以分解為三個對稱分量,而且是唯一可 行的分解方法。F面再用圖解法直觀地描述,將不對稱三相系統(tǒng)分解出各序分量。 如圖1-1, 假設(shè)有一個相矢量系統(tǒng)1回、匕和與之對應(yīng)的線矢量系統(tǒng)勺、勺、兇圖1-1不對稱三相系統(tǒng)分解出的各序分量對于相矢量系統(tǒng),其正

10、序分量及負(fù)序分量由式可知(1-3) 在圖中,可以做以下代替:H則可得(1-4)由此可見,為了求得矢量 因 和田,只需在線矢量三角形中以PQ邊為底繪兩個等邊三角形PQ和PQ 即可,這時=I(1-5)從圖解法中可知,假如線矢量系統(tǒng)不變,不論相矢量如何變化,由相矢量分 解的正序分量和負(fù)序分量是不變的。因此,線矢量系統(tǒng)相與對應(yīng)的相矢量系統(tǒng)之 間僅有零序分量之差。從圖中可以看出,當(dāng)線矢量系統(tǒng)為對稱系統(tǒng)時,相矢量系 統(tǒng)的負(fù)序分量等于零。在沒有零序分量時,負(fù)序分量與正序分量的比率決定系統(tǒng) 的不平衡度。F面再看零序分量圖形描述,如果(1-6)Q圖1-2零序分量圖如圖1-2,凹 是以矢量耳和勺兩邊為基礎(chǔ)繪出的平

11、行四邊形,矢量兇則等于回。從這個圖中可以看出,矢量回的末端0點是在三角形PQR的重心上。由此可知,將 0'與0點相連,貝U得知矢量(1-7)假入囚點是在線矢量三角形的重心上,那么相矢量系統(tǒng)的零序分量就等于 零。從以上分析可知,不對稱系統(tǒng)的對稱分量可以應(yīng)用分析法和圖解法求得。1.3三相四線配電系統(tǒng)不對稱負(fù)載算例在不對稱三相電路中,設(shè)三相電源的電壓是對稱的,不對稱往往是由于負(fù)載 阻抗等原因引起的。如各種單相負(fù)載(照明燈、單相電動機(jī)、單相電焊機(jī)等)就 很不容易均勻地分配到三相電路的各相上,特別是當(dāng)電路發(fā)生故障(短路或開路) 時不對稱情況就更為嚴(yán)重,甚至造成三相負(fù)載(如三相電動機(jī))不能正常工作

12、或 燒毀。因此,除電源電壓外,各相電流及負(fù)載、各相電壓不再具有對稱性。圖1-3星形接線三相負(fù)載在星形接線中,如圖3-1,電源電壓V。負(fù)載阻抗電源電壓是對稱的,負(fù)載的數(shù)值相等但特性不同,在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下,分兩種情況計算負(fù)載中性點 囚的偏移及負(fù)序分量。即 中性線阻抗I汽1 ,即中性線斷開; 中性線阻抗。第一種情況:中性線斷開,S S S S(1-8)代入數(shù)值匚三1各負(fù)載電壓:VY .V電壓矢量圖如圖1-4Y .V75 "圖1-4中性線阻抗上J負(fù)載電壓相量圖各相負(fù)載電流由本例可見,在不對稱三相系統(tǒng)的丫一丫電路中,盡管三相電源電壓是對稱 的,但由于負(fù)載不對稱,從位移的矢量圖上看,電源中性點0與負(fù)載中性點因不 再重合,即中性點發(fā)生位移。顯然,中性點位移,使得各相負(fù)載電壓大小不同。 某些相電壓升高,某些相電壓降低,這將影響負(fù)載的正常工作。相電壓升高,造 成通過負(fù)載的電流大許多,有可能使該相用電設(shè)備因超過額定工作電壓而損壞; 而相電壓降低,使得用電設(shè)備不能正常工作,本例中各相電壓都比額定工作電壓 220KV大許多,是一種的嚴(yán)重的不對稱情況。第二種情況:中性線阻抗一一中點 電壓(1-9)代入數(shù)值各相負(fù)載電壓分別為電壓矢量圖如圖1-5所示:中性線電流為各相負(fù)載電流分別為圖1-5有中性線時負(fù)載電壓相量圖由以上兩種情況的計算對比,可見在不同負(fù)載特

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