宋 凯
上海电气电力电子有限公司 上海 201906
三相不平衡情况在广大农村、城乡接合部等用电负荷高增长地区普遍存在,原因是低压电网中三相负荷与单相负荷是共存的,用电负荷主要以单相为主,再加上居民用电情况受季节、天气、节假日等因素影响,导致三相不平衡情况存在较大的不确定性,很难通过管理手段解决三相不平衡这个难题。加强低压电网电能质量的治理,进一步降低三相不平衡度,通过使用三相不平衡治理装置,切实能够提高供电质量和供电可靠性,可以起到节能增效的目的。笔者对低压电网三相不平衡进行补偿电流计算和治理。
(1) 电压波动。当低压电网存在电压波动时,高压电压一旦有波动,低压电压也会跟着波动,由于电压的波动,电网就会出现三相不平衡。
(2) 低压电网发生短路现象。如果低压电网中相与相之间产生短路或者相与中性线之间产生短路,会导致电压不稳定,电网由此产生三相不平衡。
(3) 谐振。低压电网中非线性负荷不断增加,一些非线性负荷会导致谐波的产生,还会导致电压出现波动和闪变,甚至可能造成三相电压不平衡。三相电压不平衡由谐振造成主要有两种类型。一种是基频谐振,特征类似于单相接地,即一相电压降低,另两相电压升高。另一种是分频谐振或高频谐振,特征是三相电压同时升高。
(4) 低压电网断线或接地故障。低压电网中任意一相在未接地的情况下突然断开,会导致电网三相线路参数不对称。线路在单相接地的情况下,低压电网会出现三相电压不平衡,但电压值在接地后不会发生变化。
(5) 三相负荷不合理分配。在分配负荷时,单相负荷应均匀地分配到三相电网中。在实际运行中,单相负载不均衡、单相负荷不同时间的使用,以及单相负载不可控的增容,导致了低压电网三相不平衡的出现。
(6) 低压电网负荷分配缺少监视力度。三相负荷的均衡分配往往在运维管理上不被重视,并且低压电网实际运行中也缺少对三相负荷的监测和定期的负荷调整,因此导致了三相不平衡频繁发生。
(1) 线路损耗增加。在三相四线制的供电网络中,电流通过导线会产生一定的损耗,损耗大小与通过导线的电流二次方成正比。当低压电网三相负荷处于不平衡时,中性线上是有电流通过的,因此线路中相线损耗和中性线损耗同时存在,这样线路损耗也就会增加。
(2) 配电变压器损耗增加。低压电网大多采用Y/yn0接法的配电变压器,当配电变压器二次侧负载不平衡且有零序电流时,一次侧由于无中性点引出,导致零序电流无法安匝平衡,从而使配电变压器的有功损耗增加。
(3) 配电变压器出力减少。当低压电网三相负荷处于不平衡的状态时,配电变压器负荷低的那相会有冗余容量出现,从而导致配电变压器出力减少。
配电变压器的输出容量S计算式为:
S=SL1+SL2+SL3
(1)
式中:SL1、SL2、SL3为配电变压器的三相输出容量。
配电变压器的输出容量的大小与每一相输出容量直接有关,只有在三相平衡状态下,变压器的利用率才能达到最大。
例如,有一台1 250 kVA三相变压器,电网电压为400 V,二次侧额定电流为1 804 A,在三相负载不平衡的情况下,假设低压侧的负载电流IL1为1 804 A,IL2和IL3为1 200 A,通过公式计算S为970.9 kVA,因此,配电变压器的利用率为77.7%。
从以上示例计算可见,配电变压器在三相不平衡运行时,其最大输出容量明显降低,利用率只有额定容量的77.7%。
(4) 配电变压器产生零序电流。当低压电网三相负荷处于不平衡的状态时,配电变压器会产生零序电流,零序电流与低压电网三相不平衡度成正比。零序电流不仅会降低配电变压器的使用寿命,也会增加配电变压器的损耗。
(5) 用电存在安全隐患。低压电网如果存在三相负荷不平衡,就会造成配电变压器内部三相不等压降,负荷高的相电压值低,负荷低的相电压值高。前者造成低电压,导致用电设备无法正常工作。后者造成高电压,导致用电设备损坏,甚至危及人身安全。
按照Q/GDW 1519—2014《配电网运维规程》要求,结合补偿设备三相不平衡补偿原理,取每日计算的所有补偿需量电流中的最大值,在每日的计算结果基础上统计整月补偿需量电流最大值,从而获得使配电变压器输出端电流不平衡度降低至25%以内的最小补偿装置电流。
首先,计算补偿前每日三相负荷的电流平均值IM、电流最大值Imax、电流最小值Imin、补偿前的不平衡度ε1和补偿因数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依次为A相、B相、C相负荷电流;IUb为采样点需要补偿的电流。
然后,计算补偿后每日三相负荷的电流最大值I′max、电流最小值I′min和补偿后的不平衡度ε2:
I′max=Imax-K(Imax-IM)
(7)
I′min=Imin+K(IM-Imin)
(8)
ε2=1-I′min/I′max
(9)
最后,根据公式换算,得出采样点需要补偿的电流IUb为:
max{Imax-IM,IM-Imin}
(10)
(1) 纯电容装置治理。纯电容器三相不平衡治理装置利用王氏定理,电力电容器跨接在低压电网相线之间,通过对低压电网有功功率的控制来实现有功功率相间平衡,从而降低低压电网中的三相不平衡度。
(2) 换相开关装置治理。换相开关装置是由智能换相终端和换相开关单元组成的一种调节装置,配电变压器二次侧三相电流通过智能换相终端进行实时监控,然后通过软件控制换相开关单元的操作,从而实现用户负载相序的调度和分配电网三相负荷的平衡。
(3) 电力电子装置治理。电力电子装置利用电力电子技术、绝缘栅双极型晶体管技术等多种技术融合,装置内的采样电路对电网的三相电流、三相电压等运行参数进行实时监控,电流跟踪控制电路根据需要补偿的电流计算出指令电流,指令电流传输给驱动电路产生控制信号,控制功率单元输出幅值相等、相位相反的补偿电流,平衡低压电网中的三相电流,从而达到对低压电网三相不平衡治理。
(4) 电力电子+换相开关装置治理。电力电子+换相开关混合型治理装置由电力电子模块和多台换相开关组成。电力电子模块主要由软上电回路、滤波回路、检测回路、绝缘栅双极型晶体管功率变换模块、驱动电路、跟踪控制电路、状态指示、人机接口组成。换相开关由主控开关和换相开关组成。主控开关通过采集分析低压电网三相负荷数据,换相开关切换单相负荷。这样的组合能够快速准确的检测低压电网的三相不平衡问题,通过换相开关实时不停电粗略调整单相负荷,电力电子模块精细调节,使低压电网三相负荷处于相对平衡点状态。
(5) 电力电子+智能电容器装置治理。电力电子型+智能电容器混合型治理装置由电力电子技术智能电能质量校正装置模块及智能电容器技术跨相补偿模块融合而成,实现了大容量的动态优化电能质量。在装置调节能力范围内,可以稳定地实现三相电流不平衡调节,无功补偿和谐波的滤除。其工作原理如下:进行采样数据分析,通过通信,控制由三角形接法和星型接法三相负荷不平衡自动调节模块构成的电容组在相间或相零间投入电容,构成不对称的补偿导纳网络,对基础量的不平衡有功电流进行调节,同时进行无功补偿,再由智能电能质量校正装置模块剩余的变化量进行动态调补,实现对三相电流负荷不平衡的快速稳定调节及合理的无功补偿。
三相不平衡治理装置对比见表1。
表1 三相不平衡治理装置对比
低压电网的三相不平衡问题可以根据不同的治理需求来选择对应的治理装置,从而降低配电变压器及电网的线损、无功就地平衡、实时改善电压质量,以及解决由三相不平衡引起的配电变压器损耗和效率问题。以上措施同时可以改善低压电网的电能质量,避免三相负荷不平衡引起的负序、零序电流,减少相关故障和事故。
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