配电台区三相不平衡治理控制策略研究

配电台区三相不平衡治理控制策略研究

张建

国网山东省电力公司乳山市供电公司 山东省乳山市 264500

摘要：配电站区是城乡电网的重要组成部分，对安全、可靠、高效地向千家万户输送优质电能起着重要作用。它是农村电网末端的核心和基本组成部分。据统计，在中低压配电网中，输电线路的线损严重，约占线损的50%。在实际应用过程中，单相负荷应用广泛，且用电量不同，特别是大功率单相负荷的接入，导致配电变压器长期处于三相不平衡状态；而且大量的感性用电设备和电力电子设备逐年增加，而相应的配电设备改造速度相对滞后，导致无功严重不足，供电端功率因数低，配电电压、谐波电流合格率低。

关键词：配电台区；三相不平衡；治理策略

1配电台区三相不平衡的危害

1.1配电变压器出力降低和电能转换效率下降

当配电变压器运行于三相不平衡状态时,对于负载轻的一相而言,负载电流未达到额定值,该相的容量还有富余,导致配电变压器的输出难以达到其额定输出值,进而减少了配电变压器的出力,导致变压器的过载能力也随之降低。

1.2配电变压器和线路损耗的增加1)增加变压器损耗

配电变压器的负载损耗与变压器负荷的大小有关,根据线路电能损耗的计算公式可知,损耗的大小与线路电流的平方成正比,配电变压器的总损耗可计算为:P1=(Ia2+Ib2+Ic2)R。在三相电流平衡的情况下,各相绕组电流均为:(Ia+Ib+Ic)/3,三相绕组总损耗为:P2=3[(Ia+Ib+Ic)/3]2R,在变压器运行过程中,其电能损耗是无法避免的,但是可以通过三相不平衡的治理,降低其附加损耗,三相不平衡带来的附加损耗为:ΔP=P1-P2={[(Ia-Ib)2+(Ib-1Ic)2+(Ic-Ia)2]/3}R。

2)增加配电线路的损耗

在三相四线供电系统中,只有当三相供电电压对称并且三相负载电流平衡时,配电线路的电能损耗最小。当三相电流不平衡时,中性线存在电流,此时不仅增加相线的电能损耗,并且还会形成中性线上的电能损耗,导致整条线路的损耗增加。

1.3影响电器设备正常运行

在采用三相四线的低压配电系统中,当三相不平衡运行时,在变压器中性线中产生零序电流,从而造成中性点位移,引起三相电压的不对称,导致有的相电压过低,而有的相电压过高,致使一些负载不能长期工作于额定的状态,缩短了其使用寿命,严重时甚至引发烧毁事故。

2导致三相不平衡的主要原因

(1)三相负荷分配不平衡造成的不对称。因为装表接电人员三相平衡意识不强,随意在电路上装接负荷,尤其遇到动力和照明混合接线的线路时,极易造成单相用电负荷超大,加剧配电变压器三相负荷的不平衡状况。

(2)用电负荷的频繁变化。用户的突然增加或减少,频繁移表、临时大负荷用电、非线性电力负荷大量增加等,在总用电能量和用电时间上的不确定性导致用电负荷随时变化。

(3)谐振的影响。谐振分为基频谐振、高频谐振。当一相电压降低,另两相电压升高,若未出现接地,可能就是谐振引起的。高频谐振也称分频谐振,其特征是三相电压同时升高。某些负荷不仅产生谐波,还引起供电电压波动与闪变,而引起三相电压不平衡。

3三相不平衡的治理措施

3.1相间电容补偿装置

相间电容补偿装置是通过在两相线之间跨接不同容量的电容,达到有功功率转移的目的,进而实现治理三相不平衡的目的,由于不对称电容本身为容性负载,所以不仅可以在相连接的相间传递有功功率,还可以起到补偿系统中感性无功的效果,并且向其连接的每相注入的无功功率是其传递有功功率的3倍,可以在三相电以及三相电与零线之间连接多个电容调节支路,调节更加精细,也可以防止过补的现象发生,故对于功率因数较低的不平衡台区更为实用,且该装置成本较低,安装相对简单。而对于已安装无功补偿的台区中,再配置相间无功补偿装置,则在调有功平衡的同时,也增大了无功功率,无法同时兼顾无功补偿和有功平衡。

3.2电力电子型三相负荷不平衡自动调节装置

电力电子型三相负荷不平衡自动调节装置采用全控型电力电子器件(如IGBT)作为开关部件,通过适当的触发控制,装置输出幅值、相位角可调的电流或电压,从而实现补偿电流中无功损耗、负序(零序)分量的作用。该装置响应时间短,能够对三相负荷进行实时调整,快速连续地补偿无功,准确控制接入点三相负荷的不平衡度和电压,能够综合解决配变台区功率因数低、三相不平衡、电压不合格以及谐波等电能质量问题,并且安装相对简单,但由于此类装置的价格较昂贵,目前还未大范围推广应用。

3.3换相开关型三相不平衡自动调节装置

换相开关型三相负荷不平衡自动调节装置通过台区不平衡率的分析,系统自动计算每相的负荷数据,并根据具体数据计算选取需调整表箱,利用大功率可控硅控制和过零投切的换相开关,实现自动调整的目的。首先设定好台区最高限制的不平衡率,对换相开关下达换相命令,可以使线路的不平衡率保持在设定的不平衡率以下。该方案的优点为通过智能化逻辑判断自动选择供电相,从三相不平衡产生的源头进行治理,调整三相负荷,从而降低线路上的电能损耗,并且能够有效解决配电线路末端低电压问题,提高电能利用率的同时增强电网供电的可靠性,其缺点为供电线路功率因数提高有限。

3.4利用无功补偿装置调整

电力线路传输的功率包括有功功率和无功功率两部分。利用无功功率补偿装置提高供电电路的功率因数,减少无功功率在线路上的传播,既可提高电源的供电效率,又可调整三相负载电流的不平衡。

3.5采用有源模块与智能电容器的混合补偿进行治理

对于同时存在三相负荷不平衡度超限制标准和功率因数低于0.85的配变台区,可同时进行三相不平衡的治理和无功补偿,其采用有源模块与智能电容器组的混合补偿方式,相间补偿电容器组根据三相电流不平衡度及功率因数调节相间电容支路的投切,完成三相不平衡及功率因数的粗调,电容投切中在不能出现过补的情况下达到最佳的不平衡治理的目标;有源模块进行实时动态补偿实现不平衡电流与无功的精细化补偿,将三相不平衡度控制在10%以下。可根据配电台区的现场情况,进行有源模块与智能电容器组之间的最优、灵活组合,达到治理三相不平衡、调节电压、补偿无功和治理谐波的效果。

该治理方案可根据配电台区的实际需求进行有源模块和电容器模块的容量配置,可以实现多种组合方式的安全并联运行。该方案的整体成本较纯有源模块的补偿设备降低较多,保证了一定的经济可行性。

3.6采用三相负荷自动调整平衡系统进行治理

对于仅存在三相负荷不平衡超限制标准的配变台区,可采用三相负荷自动调整平衡系统进行治理,其由智能终端和换相开关、漏电断路器等组成,可以实现三相负荷自动调整平衡、配电参数监测统计、配变油温采集、线路漏电监控、远程控制及自动报警、线路末端电压采集等功能。通过比较三相电流,控制选相开关箱,将重载相的单相分支逐个切换到轻载相,实现三相负载的粗略调平;在终端箱前端加装自动换相开关,通过换相开关执行动作,使三相不平衡度控制在设定范围内,实现三相负荷的精确调平。该治理方案能够从根本上解决三相负荷不平衡问题,改善线路末端“低电压”用户的用电质量,并使低压配电网数据采集和集中监控功能更加完善。因其在低压侧治理、节能方面的效果比较良好,符合复合节能及节约型社会需求,可以说几乎可适应所有农网供电区域。

结论

当前配电台区普遍存在三相负荷不平衡现象,本文根据三相负荷不平衡产生原因,设计一种三相不平衡治理方案,通过在配电台区低压侧安装智能终端和在用户侧安装换相开关,实现平衡三相负荷的目的。最后根据实际算例验证本文治理方案的有效性。

参考文献：

[1]张征凯,章元德,史亮,陆巍,徐学均,徐艳军.智能配电台区三相负荷不平衡治理方案[J].电力需求侧管理,2019,18(01):49-52.

[2]孙建东,蔡月明,蔡郑光.配电台区三相不平衡治理方案分析[J].自动化与仪器仪表,2019(11):147-148.