低壓電網(wǎng)三相不平衡的補(bǔ)償電流計(jì)算和治理

宋 凱

上海電氣電力電子有限公司 上海 201906

1 研究背景

三相不平衡情況在廣大農(nóng)村、城鄉(xiāng)接合部等用電負(fù)荷高增長地區(qū)普遍存在,原因是低壓電網(wǎng)中三相負(fù)荷與單相負(fù)荷是共存的,用電負(fù)荷主要以單相為主,再加上居民用電情況受季節(jié)、天氣、節(jié)假日等因素影響,導(dǎo)致三相不平衡情況存在較大的不確定性,很難通過管理手段解決三相不平衡這個(gè)難題。加強(qiáng)低壓電網(wǎng)電能質(zhì)量的治理,進(jìn)一步降低三相不平衡度,通過使用三相不平衡治理裝置,切實(shí)能夠提高供電質(zhì)量和供電可靠性,可以起到節(jié)能增效的目的。筆者對(duì)低壓電網(wǎng)三相不平衡進(jìn)行補(bǔ)償電流計(jì)算和治理。

2 三相不平衡產(chǎn)生原因

(1) 電壓波動(dòng)。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)存在電壓波動(dòng)時(shí),高壓電壓一旦有波動(dòng),低壓電壓也會(huì)跟著波動(dòng),由于電壓的波動(dòng),電網(wǎng)就會(huì)出現(xiàn)三相不平衡。

(2) 低壓電網(wǎng)發(fā)生短路現(xiàn)象。如果低壓電網(wǎng)中相與相之間產(chǎn)生短路或者相與中性線之間產(chǎn)生短路,會(huì)導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定,電網(wǎng)由此產(chǎn)生三相不平衡。

(3) 諧振。低壓電網(wǎng)中非線性負(fù)荷不斷增加,一些非線性負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生,還會(huì)導(dǎo)致電壓出現(xiàn)波動(dòng)和閃變,甚至可能造成三相電壓不平衡。三相電壓不平衡由諧振造成主要有兩種類型。一種是基頻諧振,特征類似于單相接地,即一相電壓降低,另兩相電壓升高。另一種是分頻諧振或高頻諧振,特征是三相電壓同時(shí)升高。

(4) 低壓電網(wǎng)斷線或接地故障。低壓電網(wǎng)中任意一相在未接地的情況下突然斷開,會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)三相線路參數(shù)不對(duì)稱。線路在單相接地的情況下,低壓電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)三相電壓不平衡,但電壓值在接地后不會(huì)發(fā)生變化。

(5) 三相負(fù)荷不合理分配。在分配負(fù)荷時(shí),單相負(fù)荷應(yīng)均勻地分配到三相電網(wǎng)中。在實(shí)際運(yùn)行中,單相負(fù)載不均衡、單相負(fù)荷不同時(shí)間的使用,以及單相負(fù)載不可控的增容,導(dǎo)致了低壓電網(wǎng)三相不平衡的出現(xiàn)。

(6) 低壓電網(wǎng)負(fù)荷分配缺少監(jiān)視力度。三相負(fù)荷的均衡分配往往在運(yùn)維管理上不被重視,并且低壓電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中也缺少對(duì)三相負(fù)荷的監(jiān)測(cè)和定期的負(fù)荷調(diào)整,因此導(dǎo)致了三相不平衡頻繁發(fā)生。

3 三相不平衡對(duì)低壓電網(wǎng)影響

(1) 線路損耗增加。在三相四線制的供電網(wǎng)絡(luò)中,電流通過導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生一定的損耗,損耗大小與通過導(dǎo)線的電流二次方成正比。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)三相負(fù)荷處于不平衡時(shí),中性線上是有電流通過的,因此線路中相線損耗和中性線損耗同時(shí)存在,這樣線路損耗也就會(huì)增加。

(2) 配電變壓器損耗增加。低壓電網(wǎng)大多采用Y/yn0接法的配電變壓器,當(dāng)配電變壓器二次側(cè)負(fù)載不平衡且有零序電流時(shí),一次側(cè)由于無中性點(diǎn)引出,導(dǎo)致零序電流無法安匝平衡,從而使配電變壓器的有功損耗增加。

(3) 配電變壓器出力減少。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)三相負(fù)荷處于不平衡的狀態(tài)時(shí),配電變壓器負(fù)荷低的那相會(huì)有冗余容量出現(xiàn),從而導(dǎo)致配電變壓器出力減少。

配電變壓器的輸出容量S計(jì)算式為:

S=SL1+SL2+SL3

(1)

式中:SL1、SL2、SL3為配電變壓器的三相輸出容量。

配電變壓器的輸出容量的大小與每一相輸出容量直接有關(guān),只有在三相平衡狀態(tài)下,變壓器的利用率才能達(dá)到最大。

例如,有一臺(tái)1 250 kVA三相變壓器,電網(wǎng)電壓為400 V,二次側(cè)額定電流為1 804 A,在三相負(fù)載不平衡的情況下,假設(shè)低壓側(cè)的負(fù)載電流IL1為1 804 A,IL2和IL3為1 200 A,通過公式計(jì)算S為970.9 kVA,因此,配電變壓器的利用率為77.7%。

從以上示例計(jì)算可見,配電變壓器在三相不平衡運(yùn)行時(shí),其最大輸出容量明顯降低,利用率只有額定容量的77.7%。

(4) 配電變壓器產(chǎn)生零序電流。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)三相負(fù)荷處于不平衡的狀態(tài)時(shí),配電變壓器會(huì)產(chǎn)生零序電流,零序電流與低壓電網(wǎng)三相不平衡度成正比。零序電流不僅會(huì)降低配電變壓器的使用壽命,也會(huì)增加配電變壓器的損耗。

(5) 用電存在安全隱患。低壓電網(wǎng)如果存在三相負(fù)荷不平衡,就會(huì)造成配電變壓器內(nèi)部三相不等壓降,負(fù)荷高的相電壓值低,負(fù)荷低的相電壓值高。前者造成低電壓,導(dǎo)致用電設(shè)備無法正常工作。后者造成高電壓,導(dǎo)致用電設(shè)備損壞,甚至危及人身安全。

4 三相不平衡補(bǔ)償電流計(jì)算

按照Q/GDW 1519—2014《配電網(wǎng)運(yùn)維規(guī)程》要求,結(jié)合補(bǔ)償設(shè)備三相不平衡補(bǔ)償原理,取每日計(jì)算的所有補(bǔ)償需量電流中的最大值,在每日的計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)整月補(bǔ)償需量電流最大值,從而獲得使配電變壓器輸出端電流不平衡度降低至25%以內(nèi)的最小補(bǔ)償裝置電流。

首先,計(jì)算補(bǔ)償前每日三相負(fù)荷的電流平均值IM、電流最大值Imax、電流最小值Imin、補(bǔ)償前的不平衡度ε1和補(bǔ)償因數(shù)K:

IM=(IA+IB+IC)/3

(2)

Imax=max{IA,IB,IC}

(3)

Imin=min{IA,IB,IC}

(4)

ε1=1-Imin/Imax

(5)

(6)

式中:IA、IB、IC依次為A相、B相、C相負(fù)荷電流;IUb為采樣點(diǎn)需要補(bǔ)償?shù)碾娏鳌?/p>

然后,計(jì)算補(bǔ)償后每日三相負(fù)荷的電流最大值I′max、電流最小值I′min和補(bǔ)償后的不平衡度ε2:

I′max=Imax-K(Imax-IM)

(7)

I′min=Imin+K(IM-Imin)

(8)

ε2=1-I′min/I′max

(9)

最后,根據(jù)公式換算,得出采樣點(diǎn)需要補(bǔ)償?shù)碾娏鱅Ub為:

max{Imax-IM,IM-Imin}

(10)

5 三相不平衡治理裝置選擇

(1) 純電容裝置治理。純電容器三相不平衡治理裝置利用王氏定理,電力電容器跨接在低壓電網(wǎng)相線之間,通過對(duì)低壓電網(wǎng)有功功率的控制來實(shí)現(xiàn)有功功率相間平衡,從而降低低壓電網(wǎng)中的三相不平衡度。

(2) 換相開關(guān)裝置治理。換相開關(guān)裝置是由智能換相終端和換相開關(guān)單元組成的一種調(diào)節(jié)裝置,配電變壓器二次側(cè)三相電流通過智能換相終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,然后通過軟件控制換相開關(guān)單元的操作,從而實(shí)現(xiàn)用戶負(fù)載相序的調(diào)度和分配電網(wǎng)三相負(fù)荷的平衡。

(3) 電力電子裝置治理。電力電子裝置利用電力電子技術(shù)、絕緣柵雙極型晶體管技術(shù)等多種技術(shù)融合,裝置內(nèi)的采樣電路對(duì)電網(wǎng)的三相電流、三相電壓等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,電流跟蹤控制電路根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)碾娏饔?jì)算出指令電流,指令電流傳輸給驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生控制信號(hào),控制功率單元輸出幅值相等、相位相反的補(bǔ)償電流,平衡低壓電網(wǎng)中的三相電流,從而達(dá)到對(duì)低壓電網(wǎng)三相不平衡治理。

(4) 電力電子+換相開關(guān)裝置治理。電力電子+換相開關(guān)混合型治理裝置由電力電子模塊和多臺(tái)換相開關(guān)組成。電力電子模塊主要由軟上電回路、濾波回路、檢測(cè)回路、絕緣柵雙極型晶體管功率變換模塊、驅(qū)動(dòng)電路、跟蹤控制電路、狀態(tài)指示、人機(jī)接口組成。換相開關(guān)由主控開關(guān)和換相開關(guān)組成。主控開關(guān)通過采集分析低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷數(shù)據(jù),換相開關(guān)切換單相負(fù)荷。這樣的組合能夠快速準(zhǔn)確的檢測(cè)低壓電網(wǎng)的三相不平衡問題,通過換相開關(guān)實(shí)時(shí)不停電粗略調(diào)整單相負(fù)荷,電力電子模塊精細(xì)調(diào)節(jié),使低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷處于相對(duì)平衡點(diǎn)狀態(tài)。

(5) 電力電子+智能電容器裝置治理。電力電子型+智能電容器混合型治理裝置由電力電子技術(shù)智能電能質(zhì)量校正裝置模塊及智能電容器技術(shù)跨相補(bǔ)償模塊融合而成,實(shí)現(xiàn)了大容量的動(dòng)態(tài)優(yōu)化電能質(zhì)量。在裝置調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi),可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)三相電流不平衡調(diào)節(jié),無功補(bǔ)償和諧波的濾除。其工作原理如下:進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)分析,通過通信,控制由三角形接法和星型接法三相負(fù)荷不平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊構(gòu)成的電容組在相間或相零間投入電容,構(gòu)成不對(duì)稱的補(bǔ)償導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò),對(duì)基礎(chǔ)量的不平衡有功電流進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償,再由智能電能質(zhì)量校正裝置模塊剩余的變化量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)補(bǔ),實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電流負(fù)荷不平衡的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)及合理的無功補(bǔ)償。

三相不平衡治理裝置對(duì)比見表1。

表1 三相不平衡治理裝置對(duì)比

6 結(jié)束語

低壓電網(wǎng)的三相不平衡問題可以根據(jù)不同的治理需求來選擇對(duì)應(yīng)的治理裝置,從而降低配電變壓器及電網(wǎng)的線損、無功就地平衡、實(shí)時(shí)改善電壓質(zhì)量,以及解決由三相不平衡引起的配電變壓器損耗和效率問題。以上措施同時(shí)可以改善低壓電網(wǎng)的電能質(zhì)量,避免三相負(fù)荷不平衡引起的負(fù)序、零序電流,減少相關(guān)故障和事故。