改善三相不平衡与节能

改善三相不平衡与节能★引言：在我国的城乡配电网中，主要采用三相四线制的配电方式，配电变压器为Y/YN0接线方式，理想情况下，三相负荷为平衡配置变压器对称运行。但实际上由于在用户端存在着大量的单相负荷，而且用电不具同时性，因此配电变压器的三相不平衡运行是不可避免的，因此必然使配电变压器处于绝对不对称运行状态。而配电变压器的不对称运行，会产生大量的负序电流和零序电流，这些负序电流和零序电流会严重污染电网，大大增加电网的功率损耗，降低变压器的出力，威胁配电网的安全运行，严重影响供电质量。如负序电流会使电能计量精度大幅下降，给供电部门造成经济损失；负序电流还会降低电动机的出力并使电动机发热从而减少使用寿命，给用户造成损失。负序电流和零序电流（中线电流）的增大，会使变压器的铜损和铁损增大，极端情况下铜损可比正常多6倍！零序电流严重时零序磁通会使变压器过热，甚至烧断中线和烧毁开关，严重威胁变压器的安全运行；同时零序电流会造成中性点电压偏移，使负荷大的相电压降低，负荷小的相电压升高，严重时会烧毁用户的用电器。所以，国标GB50052-95《供配电设计规范》、《变压器运行规程》中都规定了Y/Yno接线的配电变压器运行时中线电流不能超过变压器额定电流的25%，三相电流的不平衡度小于15%。中线电流的增加会引起变压器损耗的增加，同时造成中性点电位的偏移。★三相不平衡的产生原因三相不平衡的产生原因主要由于单相负载的不合理配置或使用造成。如果系统内有较大功率的单相负载，情况将更为严重。正常标准的供电系统三相供电的幅值相同，三相之间依次相差120度。完全是由正序分量组成。当出现三相不平衡时，三相的幅值不同，三相之间的角度也发生了变化，原点也不在中心位置。不平衡三相合成矢量，可以分解为三个部分，三相正序分量，三相负序分量，零序分量。其中三相负序分量和零序分量部分对于用电设备都不能起到实际的作用，尤其是负序分量还起到反作用。★平衡原理对于三相不平衡系统，可采用对称分量法将电流分解为正序电流、负序电流和零序电流，而三相平衡系统的电流只有正序电流，因此只需补偿掉负序电流和零序电流，不平衡的三相电流就可转变成平衡的三相电流；通过零线改变各相之间有功的流动，从而达到对各相有功的调节，补偿三相不平衡，消除零序谐波在中线上的电流迭加，改善电气设备的安全性。★三相不平衡对系统与设备的影响与危害低压电网的三相平衡一直就是困扰供电单位的主要问题之一，低压电网大多是经10／0．4KV变压器降压后，以三相四线制向用户供电，是三相生产用电与单相负载混合用电的供电网络。在装接单相用户时，供电部门应该将单相负载均衡地分接在A、B、C三相上。但在实际工作及运行中，线路的标志、接电人员的疏忽再加上由于单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等，都造成了三相负载的不平衡。低压电网若在三相负荷不平衡度较大情况下运行，将会给低压电网与电气设备造成不良影响。一、三相负载不平衡的危害1．三相负荷平衡是安全供电的基础。三相负荷不平衡，轻则降低线路和配电变压器的供电效率，重则会因重负荷相超载过多，可能造成某相导线烧断、开关烧坏甚至配电变压器单相烧毁等严重后果。2．三相负荷平衡才能保证用户的电能质量。三相负荷严重不对称，中性点电位就会发生偏移，线路压降和功率损失就会大大增加。接在重负荷相的单相用户易出现电压偏低，电灯不亮、电器效能降低、小水泵易烧毁等问题。而接在轻负荷相的单相用户易出现电压偏高，可能造成电器绝缘击穿、缩短电器使用寿命或损坏电器。对动力用户来说，三相电压不平衡，会引起电机过热现象。3．三相负荷保持平衡是节约能耗、降损降价的基础。三相负荷不平衡将产生不平衡电压，加大电压偏移，增大中性线电流，从而增大线路损耗。实践证明，一般情况下三相负荷不平衡可引起线损率升高2％-10％，三相负荷不平衡度若超过10％，则线损显著增加。有关规程规定：配电变压器出口处的负荷电流不平衡度应小于10％，中性线电流不应超过低压侧额定电流的25％，低压主干线及主要分支线的首端电流不平衡度应小于20％。通过电网技术改造，要真正使低压电网线损达到12％以下，上述指标只能紧缩，不能放大。4．只有三相阻抗平衡，才能保证低压漏电总保护良好运行，防止人身触电伤亡事故。二、三相负载不平衡的影响1．增加线路的电能损耗。在三相四线制供电网络中，电流通过线路导线时，因存在阻抗必将产生电能损耗，其损耗与通过电流的平方成正比。当低压电网以三相四线制供电时，由于有单相负载存在，造成三相负载不平衡在所难免。当三相负载不平衡运行时，中性线即有电流通过。这样不但相线有损耗，而且中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。2．增加配电变压器的电能损耗。配电变压器是低压电网的供电主设备，当其在三相负载不平衡工况下运行时，将会造成配变损耗的增加。因为配变的功率损耗是随负载的不平衡度而变化的。3．配变出力减少。配变设计时，其绕组结构是按负载平衡运行工况设计的，其绕组性能基本一致，各相额定容量相等。配变的最大允许出力要受到每相额定容量的限制。假如当配变处于三相负载不平衡工况下运行，负载轻的一相就有富余容量，从而使配变的出力减少。其出力减少程度与三相负载的不平衡度有关。三相负载不平衡越大，配变出力减少越多。为此，配变在三相负载不平衡时运行，其输出的容量就无法达到额定值，其备用容量亦相应减少，过载能力也降低。假如配变在过载工况下运行，即极易引发配变发热，严重时甚至会造成配变烧损。4．配变产生零序电流。配变在三相负载不平衡工况下运行，将产生零序电流，该电流将随三相负载不平衡的程度而变化，不平衡度越大，则零序电流也越大。运行中的配变若存在零序电流，则其铁芯中将产生零序磁通。(高压侧没有零序电流)这迫使零序磁通只能以油箱壁及钢构件作为通道通过，而钢构件的导磁率较低，零序电流通过钢构件时，即要产生磁滞和涡流损耗，从而使配变的钢构件局部温度升高发热。配变的绕组绝缘因过热而加快老化，导致设备寿命降低。同时，零序电流的存也会增加配变的损耗。5．影响用电设备的安全运行。配变是根据三相负载平衡运行工况设计的，其每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。当配变在三相负载平衡时运行，其三相电流基本相等，配变内部每相压降也基本相同，则配变输出的三相电压也是平衡的。假如配变在三相负载不平衡时运行，其各相输出电流就不相等，其配变内部三相压降就不相等，这必将导致配变输出电压三相不平衡。同时，配变在三相负载不平衡时运行，三相输出电流不一样，而中性线就会有电流通过。因而使中性线产生阻抗压降，从而导致中性点漂移，致使各相相电压发生变化。负载重的一相电压降低，而负载轻的一相电压升高。在电压不平衡状况下供电，即容易造成电压高的一相接带的用户用电设备烧坏，而电压低的一相接带的用户用电设备则可能无法使用。所以三相负载不平衡运行时，将严重危及用电设备的安全运行。6．电动机效率降低。配变在三相负载不平衡工况下运行，将引起输出电压三相不平衡。由于不平衡电压存在着正序、负序、零序三个电压分量，当这种不平衡的电压输入电动机后，负序电压产生旋转磁场与正序电压产生的旋转磁场相反，起到制动作用。但由于正序磁场比负序磁场要强得多，电动机仍按正序磁场方向转动。而由于负序磁场的制动作用，必将引起电动机输出功率减少，从而导致电动机效率降低。同时，电动机的温升和无功损耗，也将随三相电压的不平衡度而增大。所以电动机在三相电压不平衡状况下运行，是非常不经济和不安全的。7．中线电流带来的损耗及中性点电位的偏移7.1中线电流带来的变压器损耗（1）附加铁损Y/Yno接线的配电变压器采用三铁心柱结构，其一次侧无零序电流，二次侧有零序电流，因此二次侧的零序电流完全是励磁电流，产生的零序磁通不能在铁心中闭合，需通过油箱壁闭合，从而在铁箱等附件中发热产生铁损。Y/Yno接线变压器的零序电阻比正序电阻大得多，变压器的零序电阻可实测得到，提到315kVA变压器的零序电阻是正序电阻的15倍，因此零序电流产生的附加铁损较大。（2）不平衡运行时绕阻附加铜损配电变压器三相不平衡运行时三相绕组的总损耗（单位为kW）可计算为式中Ia、Ib、Ic为三相负荷电流；R1为变压器二次侧绕组电阻。7.2中线电流造成的电压偏移由于Y/Yno接线的变压器一次侧没有零序电流，二次侧有零序电流，因此二次侧的零序电流完全是励磁电流，产生的零序磁通重叠在主磁通上，感应出零序电动势，造成中性点电压偏移，负荷重的相电压降低，负荷轻的相电压上升。7.3实例分析型号为SJ、315kVA、10kV/0.4kV变压器的零序电阻R0=0.122Ω，零序电抗X0=0.174Ω，绕组电阻R1=0.00849Ω。AIa100，AIb200，AIc300，7.0coscoscoscba时：1）零序电流AIo173；2）零序电流损耗功率KWRIPooo65.32；3）附加铜损KWPf17.0；4）总损耗功率△P=P0+△Pf=3.82kW；5）一年内损耗电量W=3.82×8760KWh=33463KWh；6）中性点偏移电压VZIE6.36000...，Z0为零序阻抗，212.020200XRZ由上述分析可知，Y/Yno接线方式的配电变压器不平衡运行带来的损耗与电压偏移是很大的，如对变压器的三相不平衡进行补偿，则既可以节能，又可以提高电能质量。3补偿方法3.1三相不平衡–无功补偿装置的工作原理在三相系统中，跨接在相线与相线之间的电容或电感元件具有转移相间有功功率的作用，由于相间电感或电容元件的电流相量与每相电压相量成60°或120°夹角，可通过一个简单的示例来说明这一原理。有一单相负荷接于A相与零线之间，其电流IA=100A，功率因数cosφa=0.85，其中有功电流为85A，无功电流为53A。在A、B相间接入产生61A电流的电容器时，相量图如图1所示，图中，为A相电压相量，为接于A、B相间的电容器电流相量，超前A相电压120º；A相负荷情况为：无功电流为零，有功电流为54A，有功电流相量与无功电流相量合成的总电流为54A，A相有功负荷减少了；B相负荷的情况为：B相有功电流为31A，无功电流为53A，有功电流相量和无功电流相量合成的总电流为61A。由图1可见，通过在A、B相间跨接一电容器，A相的有功转移到B相一部分，而接电容器前后A相与B相的有功之和并未改变，这说明可以在变压器三相之间调整有功，变压器的三相不平衡也是可以调整、补偿的。对于三相不平衡系统，可采用对称分量法将电流分解为正序电流、负序电流和零序电流，而三相平衡系统的电流只有正序电流，因此只需补偿掉负序电流和零序电流，不平衡的三相电流就可转变成平衡的三相电流。采用星角混合接法的电容、电抗元件可补偿掉或大大减少零序电流与负序电流，使系统转变成基本平衡系统。实例分析2.3小节的配电变压器A相电流Ia=100A、B相电流Ib=200A、C相电流Ic=300A、功率因数cosφa=cosφb=cosφc=0.7时，零序电流I0=173A。根据三相不平衡–无功补偿方法得到如下数据：Iao=0；②A相补偿后电流，功率因数为0.982（见图3(a)）；③B相补偿后电流功率因数为0.9998（见图3(b)）；④C相补偿后电流，功率因数为0.9999（见图3(c)）；⑤补偿后零序电流I0=45A。（2）采用共补–分补的无功补偿装置将无功全部补偿，补偿相量图如图4所示，补偿后A相电流补偿后零序电流I0=120A。比较图3和图4可见，三相不平衡–无功补偿方法与分补–共补方法相比，零序电流下降很多，使不平衡系统基本恢复到平衡。表1为三相不平衡–无功补偿装置在徐州供电局的投切记录，在功率因数较高的情况下，零序电流也下降很多；如果采用共补与分补装置，零序电流不但没有减少，而且会增加。该装置在朝阳市供电局某一变压器上投运与不投运时得到的数据分别列于表2和表3中。由表2和表3可见，装置运行与不运行时相比，零序电流下降很多，三相电压不平衡度也下降较多。4结论对配电变压器三相不平衡运行带来的附加损耗、