臺(tái)區(qū)三相不平衡問(wèn)題及補(bǔ)償實(shí)踐

臺(tái)區(qū)三相不平衡問(wèn)題及補(bǔ)償實(shí)踐近年來(lái)，由于城農(nóng)網(wǎng)改造及加強(qiáng)供用電管理，使供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益有了明顯提高。但一些單位在加強(qiáng)管理、降損節(jié)能的同時(shí)，只看到了許多表面化現(xiàn)象，而對(duì)有關(guān)技術(shù)改進(jìn)方面缺少足夠的重視。低壓電網(wǎng)的三相平衡一直就是困擾供電單位的主要問(wèn)題之一，低壓電網(wǎng)大多是經(jīng)10／0．4KV變壓器降壓后，以三相四線制向用戶供電，是三相生產(chǎn)用電與單相負(fù)載混合用電的供電網(wǎng)絡(luò)。在裝接單相用戶時(shí)，供電部門(mén)應(yīng)該將單相負(fù)載均衡地分接在A、B、C三相上。但在實(shí)際工作及運(yùn)行中，線路的標(biāo)志、接電人員的疏忽再加上由于單相用戶的不可控增容、大功率單相負(fù)載的接入以及單相負(fù)載用電的不同時(shí)性等，都造成了三相負(fù)載的不平衡。低壓電網(wǎng)若在三相負(fù)荷不平衡度較大情況下運(yùn)行，將會(huì)給低壓電網(wǎng)與電氣設(shè)備造成不良影響。一、低壓電網(wǎng)三相平衡的重要性1．三相負(fù)荷平衡是安全供電的基礎(chǔ)。三相負(fù)荷不平衡，輕則降低線路和配電變壓器的供電效率，重則會(huì)因重負(fù)荷相超載過(guò)多，可能造成某相導(dǎo)線燒斷、開(kāi)關(guān)燒壞甚至配電變壓器單相燒毀等嚴(yán)重后果。2．三相負(fù)荷平衡才能保證用戶的電能質(zhì)量。三相負(fù)荷嚴(yán)重不對(duì)稱，中性點(diǎn)電位就會(huì)發(fā)生偏移，線路壓降和功率損失就會(huì)大大增加。接在重負(fù)荷相的單相用戶易出現(xiàn)電壓偏低，電燈不亮、電器效能降低、小水泵易燒毀等問(wèn)題。而接在輕負(fù)荷相的單相用戶易出現(xiàn)電壓偏高，可能造成電器絕緣擊穿、縮短電器使用壽命或損壞電器。對(duì)動(dòng)力用戶來(lái)說(shuō)，三相電壓不平衡，會(huì)引起電機(jī)過(guò)熱現(xiàn)象。3．三相負(fù)荷保持平衡是節(jié)約能耗、降損降價(jià)的基礎(chǔ)。三相負(fù)荷不平衡將產(chǎn)生不平衡電壓，加大電壓偏移，增大中性線電流，從而增大線路損耗。實(shí)踐證明，一般情況下三相負(fù)荷不平衡可引起線損率升高2％-10％，三相負(fù)荷不平衡度若超過(guò)10％，則線損顯著增加。有關(guān)規(guī)程規(guī)定：配電變壓器出口處的負(fù)荷電流不平衡度應(yīng)小于10％，中性線電流不應(yīng)超過(guò)低壓側(cè)額定電流的25％，低壓主干線及主要分支線的首端電流不平衡度應(yīng)小于20％。通過(guò)電網(wǎng)技術(shù)改造，要真正使低壓電網(wǎng)線損達(dá)到12％以下，上述指標(biāo)只能緊縮，不能放大。4．只有三相阻抗平衡，才能保證低壓漏電總保護(hù)良好運(yùn)行，防止人身觸電傷亡事故。二、三相負(fù)載不平衡的影響1．增加線路的電能損耗。在三相四線制供電網(wǎng)絡(luò)中，電流通過(guò)線路導(dǎo)線時(shí)，因存在阻抗必將產(chǎn)生電能損耗，其損耗與通過(guò)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(shí)，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(shí)，中性線即有電流通過(guò)。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。2．增加配電變壓器的電能損耗。配電變壓器是低壓電網(wǎng)的供電主設(shè)備，當(dāng)其在三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行時(shí)，將會(huì)造成配變損耗的增加。因?yàn)榕渥兊墓β蕮p耗是隨負(fù)載的不平衡度而變化的。3．配變出力減少。配變?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，其繞組結(jié)構(gòu)是按負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計(jì)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?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，其輸出的容量就無(wú)法達(dá)到額定值，其備用容量亦相應(yīng)減少，過(guò)載能力也降低。假如配變?cè)谶^(guò)載工況下運(yùn)行，即極易引發(fā)配變發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐膳渥儫龘p。4．配變產(chǎn)生零序電流。配變?cè)谌嘭?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(méi)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(guò)，而鋼構(gòu)件的導(dǎo)磁率較低，零序電流通過(guò)鋼構(gòu)件時(shí)，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(guò)熱而加快老化，導(dǎo)致設(shè)備壽命降低。同時(shí)，零序電流的存也會(huì)增加配變的損耗。5．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(jì)的，其每相繞組的電阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。當(dāng)配變?cè)谌嘭?fù)載平衡時(shí)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的。假如配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，其各相輸出電流就不相等，其配變內(nèi)部三相壓降就不相等，這必將導(dǎo)致配變輸出電壓三相不平衡。同時(shí)，配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，三相輸出電流不一樣，而中性線就會(huì)有電流通過(guò)。因而使中性線產(chǎn)生阻抗壓降，從而導(dǎo)致中性點(diǎn)漂移，致使各相相電壓發(fā)生變化。負(fù)載重的一相電壓降低，而負(fù)載輕的一相電壓升高。在電壓不平衡狀況下供電，即容易造成電壓高的一相接帶的用戶用電設(shè)備燒壞，而電壓低的一相接帶的用戶用電設(shè)備則可能無(wú)法使用。所以三相負(fù)載不平衡運(yùn)行時(shí)，將嚴(yán)重危及用電設(shè)備的安全運(yùn)行。6．電動(dòng)機(jī)效率降低。配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡工況下運(yùn)行，將引起輸出電壓三相不平衡。由于不平衡電壓存在著正序、負(fù)序、零序三個(gè)電壓分量，當(dāng)這種不平衡的電壓輸入電動(dòng)機(jī)后，負(fù)序電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與正序電壓產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相反，起到制動(dòng)作用。但由于正序磁場(chǎng)比負(fù)序磁場(chǎng)要強(qiáng)得多，電動(dòng)機(jī)仍按正序磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。而由于負(fù)序磁場(chǎng)的制動(dòng)作用，必將引起電動(dòng)機(jī)輸出功率減少，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫升和無(wú)功損耗，也將隨三相電壓的不平衡度而增大。所以電動(dòng)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。三、如何實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載平衡綜上所述，調(diào)整三相負(fù)載使之趨于平衡，這是無(wú)需增加設(shè)備投資的最佳降損措施。把單相用戶均衡地接在A、B、C三相上，減少中性線電流，降低損耗。同時(shí)要減少單相負(fù)載接戶線的總長(zhǎng)度。如果單相用戶功率因數(shù)較低，就應(yīng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。也可以裝置三相斷相保護(hù)器，當(dāng)任何一相斷相時(shí)，能立即切斷電源以消除三相不平衡。實(shí)際中，每相的用電負(fù)荷比較直觀：動(dòng)力線路三相平衡，而單相用戶負(fù)荷有較大差異。每相的對(duì)地阻抗又由什么決定呢?三相動(dòng)力線路一般質(zhì)量較好，對(duì)地絕緣阻抗較高；而涉及到職明等單相負(fù)荷則用電線路情況復(fù)雜、質(zhì)量低劣、絕緣程度差，使該相的對(duì)地阻抗顯著降低，且用電戶數(shù)越多，線路越密雜，則絕緣程度越差，使接帶該類用戶多相的對(duì)地阻抗降低越顯著。因此，在正常漏電(總漏電電流由各處微小的漏電流匯集組成)情況下，每相對(duì)地阻抗的高低主要由接在該相上的單相負(fù)荷用電戶的多少來(lái)決定。因此，只要把單相負(fù)荷用電戶均衡地分配到三相上，就能實(shí)現(xiàn)三相平衡。但必須要注意，均衡分配用戶不僅僅是形式上看來(lái)每相接單相負(fù)荷用戶總數(shù)的三分之一，而是要把其中用電負(fù)荷、漏電情況在同一等級(jí)的用戶也均衡地分配到三相上。例如，某村單相用戶，其中用電水平一般戶，負(fù)荷較小，日用電時(shí)間較短，線路質(zhì)量較差；用電水平較高戶，負(fù)荷較大，日用電時(shí)間較長(zhǎng)，線路質(zhì)量較好；地埋線戶，泄露電流較大，則每相上應(yīng)盡量接這三類用戶的各三分之一。具體實(shí)施為(1)從公用變出線至進(jìn)戶表電源側(cè)的低壓干線、分支線應(yīng)盡量采用三相四線制，減少迂回，避免交叉跨越。(2)無(wú)論架空或電纜線路，相線與零線應(yīng)按A、B、C、O采用不同顏色的導(dǎo)線或標(biāo)識(shí)，并按一定順序排列。(3)在低壓線路架好、下線集裝各戶電能表前，要把配變下的單相負(fù)荷用電戶統(tǒng)一規(guī)劃，均衡地分配到低壓線路的三相上，并記錄在冊(cè)。下線集表施工時(shí)要查對(duì)無(wú)誤。表箱編號(hào)要注明相位，如“***線路A相**號(hào)”。(4)下線集表完工后，要看一下低壓電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行三相負(fù)載是否在平衡度范圍內(nèi)，必要時(shí)可做些調(diào)整。(5)在以后發(fā)展用戶或變更用戶時(shí)，要顧及三相平衡問(wèn)題，在實(shí)際工作中形成常態(tài)機(jī)制，不斷完善提高。沒(méi)有絕對(duì)的平衡，但要相對(duì)的平衡，以平衡度指標(biāo)為限，在實(shí)際工作中加大負(fù)荷調(diào)查分析力度，將各配變各類負(fù)載最大、平均負(fù)荷及發(fā)展趨勢(shì)記錄在案，經(jīng)常性對(duì)目2變負(fù)荷電流進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不平衡超標(biāo)情況，反饋負(fù)荷分析同時(shí)，不定期組織進(jìn)行有針對(duì)性地調(diào)整。只有這樣，才能從根本上控制不平衡現(xiàn)象發(fā)生，避免發(fā)生損壞用電設(shè)備等故障和事故。四三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償原理為了說(shuō)明三相不平衡負(fù)荷的補(bǔ)償原理,首先使用對(duì)稱分量法對(duì)不對(duì)稱負(fù)荷進(jìn)行分析。如圖1所示,不對(duì)稱的三角形連接負(fù)荷由三相對(duì)稱的正序電壓供電,由1臺(tái)SVC對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償,SVC的各相電納可獨(dú)立調(diào)節(jié)。對(duì)于中性點(diǎn)不接地的星形連接負(fù)荷,可通過(guò)YO$變換表示成三角形連接負(fù)荷,再進(jìn)行分析。圖1由平衡的三相正序電壓供電的不平衡負(fù)荷以A相對(duì)中性點(diǎn)的電壓UA為參考向量,那么A,B,C三相的相電壓可表示為：線電壓為：三角形接線中每支路的負(fù)荷電流是：而線電流為：化簡(jiǎn)后,得當(dāng)選擇A相作為基準(zhǔn)相時(shí),三相線電流與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系為：式中含有因子1/3,這是為了使對(duì)稱分量變換矩陣成為酉矩陣,保證變換后功率不變。IA1,IA2和IA0分別為A相線電流的正序、負(fù)序和零序分量。B相和C相的對(duì)稱分量有由式(6)和式(7)即可求出三相線電流的三組對(duì)稱分量。從式(7)可以看出,如果A相線電流的負(fù)序分量為0,那么B相和C相線電流的負(fù)序分量也等于0。因此,要討論負(fù)序電流的補(bǔ)償,只需要討論A相負(fù)序電流的補(bǔ)償。五采用相間存在根合的電抗器對(duì)三相不平衡負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償相間存在禍合的電抗器網(wǎng)絡(luò),由于三相間存在禍合,改變?nèi)嚅g的互感便能改變能量在三相間的分布[4]。這符合通用瞬時(shí)功率理論的思想。以三相四線制電路為例,設(shè)由相間存在禍合的電抗器組成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)注入系統(tǒng)的電流(無(wú)功電流)為式(l3)中共有6個(gè)未知數(shù),3個(gè)復(fù)數(shù)方程(實(shí)部、虛部分開(kāi)后相當(dāng)于6個(gè)方程)。圖2三相四線制不對(duì)稱電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)互感與自感之間的約束關(guān)系為：上面各式中,Nl,從,,叢分別為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)a,b,c相的匝數(shù)?？紤]到同名端的接法,令Nl)0,則從和凡的取值可正可負(fù)。把補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的各相自感和相間的互感當(dāng)作未知數(shù),對(duì)式(12)或(l3)進(jìn)行精確求解是不實(shí)用的。因?yàn)?在有些情況下,式(12)是沒(méi)有解的。即便有解,也有可能不滿足約束條件的要求。但可以將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的各相電感及各相間的互感預(yù)先離散化,列出在各種離散情況下補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠提供的補(bǔ)償電流,然后根據(jù)負(fù)載實(shí)際的無(wú)功電流來(lái)查表求得與之最相近的補(bǔ)償電流,最后根據(jù)這一補(bǔ)償電流對(duì)應(yīng)的各相自感值和各相間的互感值調(diào)節(jié)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。這雖不能精確地對(duì)負(fù)載進(jìn)行平衡,但卻可以比較方便地改善負(fù)載的平衡水平。六基于靜止無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)三相不平衡化負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償以晶閘管相控電抗器(TCR)為核心的SVC是目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。TCR配合電力電容器,除了可以校正功率因數(shù)、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓外,還可以補(bǔ)償三相負(fù)荷的不平衡[5]。瞬時(shí)無(wú)功功率算法：以，則上式可改寫(xiě)為：若電壓和電流為正弦波，則有：由上式,在同一時(shí)刻采樣三相的電壓和電流的瞬時(shí)值,就可以求出三相需要補(bǔ)償?shù)碾娂{。所以,如何實(shí)現(xiàn)電壓、電流的相移是該算法的關(guān)鍵。采用Hilbert數(shù)字濾波器來(lái)完成電壓、電流的相移,進(jìn)而求得無(wú)功功率,最后算出系統(tǒng)需要的補(bǔ)償電納,平衡不對(duì)稱負(fù)載,補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功缺損。七結(jié)論三相負(fù)荷不平衡時(shí)應(yīng)采用就地平衡、就近平衡的原則,必須做到線段上平衡