台区三相不平衡问题及补偿实践

台区三相不平衡问题及补偿实践近年来，由于城农网改造及加强供用电管理，使供电企业的经济和社会效益有了明显提高。但一些单位在加强管理、降损节能的同时，只看到了许多表面化现象，而对有关技术改进方面缺少足够的重视。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、低压电网三相平衡的重要性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。三、如何实现三相负载平衡综上所述，调整三相负载使之趋于平衡，这是无需增加设备投资的最佳降损措施。把单相用户均衡地接在A、B、C三相上，减少中性线电流，降低损耗。同时要减少单相负载接户线的总长度。如果单相用户功率因数较低，就应进行无功补偿。也可以装置三相断相保护器，当任何一相断相时，能立即切断电源以消除三相不平衡。实际中，每相的用电负荷比较直观：动力线路三相平衡，而单相用户负荷有较大差异。每相的对地阻抗又由什么决定呢?三相动力线路一般质量较好，对地绝缘阻抗较高；而涉及到职明等单相负荷则用电线路情况复杂、质量低劣、绝缘程度差，使该相的对地阻抗显著降低，且用电户数越多，线路越密杂，则绝缘程度越差，使接带该类用户多相的对地阻抗降低越显著。因此，在正常漏电(总漏电电流由各处微小的漏电流汇集组成)情况下，每相对地阻抗的高低主要由接在该相上的单相负荷用电户的多少来决定。因此，只要把单相负荷用电户均衡地分配到三相上，就能实现三相平衡。但必须要注意，均衡分配用户不仅仅是形式上看来每相接单相负荷用户总数的三分之一，而是要把其中用电负荷、漏电情况在同一等级的用户也均衡地分配到三相上。例如，某村单相用户，其中用电水平一般户，负荷较小，日用电时间较短，线路质量较差；用电水平较高户，负荷较大，日用电时间较长，线路质量较好；地埋线户，泄露电流较大，则每相上应尽量接这三类用户的各三分之一。具体实施为(1)从公用变出线至进户表电源侧的低压干线、分支线应尽量采用三相四线制，减少迂回，避免交叉跨越。(2)无论架空或电缆线路，相线与零线应按A、B、C、O采用不同颜色的导线或标识，并按一定顺序排列。(3)在低压线路架好、下线集装各户电能表前，要把配变下的单相负荷用电户统一规划，均衡地分配到低压线路的三相上，并记录在册。下线集表施工时要查对无误。表箱编号要注明相位，如“***线路A相**号”。(4)下线集表完工后，要看一下低压电网实际运行三相负载是否在平衡度范围内，必要时可做些调整。(5)在以后发展用户或变更用户时，要顾及三相平衡问题，在实际工作中形成常态机制，不断完善提高。没有绝对的平衡，但要相对的平衡，以平衡度指标为限，在实际工作中加大负荷调查分析力度，将各配变各类负载最大、平均负荷及发展趋势记录在案，经常性对目2变负荷电流进行测试，及时发现不平衡超标情况，反馈负荷分析同时，不定期组织进行有针对性地调整。只有这样，才能从根本上控制不平衡现象发生，避免发生损坏用电设备等故障和事故。四三相不平衡负荷补偿原理为了说明三相不平衡负荷的补偿原理,首先使用对称分量法对不对称负荷进行分析。如图1所示,不对称的三角形连接负荷由三相对称的正序电压供电,由1台SVC对其进行补偿,SVC的各相电纳可独立调节。对于中性点不接地的星形连接负荷,可通过YO$变换表示成三角形连接负荷,再进行分析。图1由平衡的三相正序电压供电的不平衡负荷以A相对中性点的电压UA为参考向量,那么A,B,C三相的相电压可表示为：线电压为：三角形接线中每支路的负荷电流是：而线电流为：化简后,得当选择A相作为基准相时,三相线电流与其对称分量之间的关系为：式中含有因子1/3,这是为了使对称分量变换矩阵成为酉矩阵,保证变换后功率不变。IA1,IA2和IA0分别为A相线电流的正序、负序和零序分量。B相和C相的对称分量有由式(6)和式(7)即可求出三相线电流的三组对称分量。从式(7)可以看出,如果A相线电流的负序分量为0,那么B相和C相线电流的负序分量也等于0。因此,要讨论负序电流的补偿,只需要讨论A相负序电流的补偿。五采用相间存在根合的电抗器对三相不平衡负荷进行补偿相间存在祸合的电抗器网络,由于三相间存在祸合,改变三相间的互感便能改变能量在三相间的分布[4]。这符合通用瞬时功率理论的思想。以三相四线制电路为例,设由相间存在祸合的电抗器组成的补偿网络如图2所示。补偿网络注入系统的电流(无功电流)为式(l3)中共有6个未知数,3个复数方程(实部、虚部分开后相当于6个方程)。图2三相四线制不对称电路补偿网络互感与自感之间的约束关系为：上面各式中,Nl,从,,丛分别为补偿网络a,b,c相的匝数。考虑到同名端的接法,令Nl)0,则从和凡的取值可正可负。把补偿网络的各相自感和相间的互感当作未知数,对式(12)或(l3)进行精确求解是不实用的。因为,在有些情况下,式(12)是没有解的。即便有解,也有可能不满足约束条件的要求。但可以将补偿网络的各相电感及各相间的互感预先离散化,列出在各种离散情况下补偿网络能够提供的补偿电流,然后根据负载实际的无功电流来查表求得与之最相近的补偿电流,最后根据这一补偿电流对应的各相自感值和各相间的互感值调节补偿网络。这虽不能精确地对负载进行平衡,但却可以比较方便地改善负载的平衡水平。六基于静止无功补偿器对三相不平衡化负荷进行补偿以晶闸管相控电抗器(TCR)为核心的SVC是目前国内外广泛使用的动态无功补偿装置。TCR配合电力电容器,除了可以校正功率因数、稳定系统电压外,还可以补偿三相负荷的不平衡[5]。瞬时无功功率算法：以**()mqIUI，则上式可改写为：若电压和电流为正弦波，则有：由上式,在同一时刻采样三相的电压和电流的瞬时值,就可以求出三相需要补偿的电纳。所以,如何实现电压、电流的90相移是该算法的关键。采用Hilbert数字滤波器来完成电压、电流的相移,进而求得无功功率,最后算出系统需要的补偿电纳,平衡不对称负载,补偿负载的无功缺损。七结论三相负荷不平衡时应采用就地平衡、就近平衡的原则,必须做到线段上平衡、线路上平衡、小区域就地平衡。调整前对具体调整方案进行分析与筛选，对人员进行分配和分工，调整中作好各种测试数据的记录和统计分析，然后断电就近调整，调整后进行测试和校正[6]。对于不平衡的三相负荷,只有采用补偿电纳连续可调的分相补偿技术,才能将其补偿为三相平衡负荷。TCR+TSC型的SVC采用晶闸管作为无触点开关,它可根据负荷变化,迅速调整无功功率的输出,实现快速跟踪补偿,使供电电源输出的电流基本为三相平衡的有功电流,改善了供电点的电压质量,减小了不平衡负荷对电力系统的影响。