不平衡负荷带电换相装置 可行性分析.docx

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不平衡负荷带电换相装置可行性分析

不平衡负荷带电换相装置

可行性分析

目录

一、三相不平衡问题产生的原因1

二、三相不平衡的危害1

1、增加了线路损耗1

2、增加了配电变压器的有功损耗1

3、降低了配电变压器出力2

4、影响电动机输出功率，并使绕组温度升高2

三、三相不平衡补偿方式的分析3

1、通过无功补偿装置对不平衡进行调整3

2、通过负荷调补网络对不平衡进行调整4

3、通过不平衡负荷带电换相装置对不平衡负荷进行调6

一、三相不平衡问题产生的原因

在中、低压配电网系统中，存在大量单相、不对称、非线性、冲击性负荷，由于早期电网设计规划的不周，会出现大量单相负荷集中在一相或两相的情况，这些不均衡负荷会使配电系统产生三相不平衡，导致供电系统三相电压、电流的不平衡。

由于负荷分配不均，负荷性质也不一致，造成低压供电系统无功不足，负荷不平衡。

尤其是经济水平较为发达的地区表现更为明显。

无功不足及负荷不平衡已成为配电系统的两大难题。

在中、低压配电网尤其是农网系统中由于线路及配电变压器数量众多、供电用户分散、资金成本等因素的制约，通过配置低压无功补偿装置等方式来解决三相不平衡的问题并不现实。

通常做法是通过人工切换单相负荷的供电相来调整三相平衡，但这种方式需要先对负荷停电再进行操作，这严重影响了对用户的供电可靠性，对电网的优质供电提出了挑战，因此中低压配电网及农网的三相不平衡问题已成为当前配电系统中亟待解决的问题。

二、三相不平衡的危害

目前在我国对于低压电网来说，一般都采用三相四线制配电方式，配电变压器为Yyn0接线。

由于大量的单相负载以及用电不同时性的原因，因此配电变压器的三相不平衡运行是不可避免的。

三相电压或电流不对称会对电力系统中的发电、输电、配电设备及用电设备造成一系列的危害。

分别叙述如下:

1、增加了线路损耗

电流通过导线时，由于导线电阻的作用，将在导线上产生功率损耗。

不平衡度越大，线路损耗也越大。

2、增加了配电变压器的有功损耗

现有的10/0.4kV低压配电变压器多为Y/yn0接法。

这种类型的变压器，当二次侧负载不平衡且有零线电流时，零线电流即为零序电流，而一次侧由于无中点引出线，因此零序电流无法流通，故零序电流无法安匝平衡。

对铁心而言，有一个激磁零序电流，它受零序激磁阻抗控制，根据磁路的设计，这一零序激磁阻抗较大，相对地电压的对称会受到影响，中性点会偏移。

对三相三柱的磁路而言，零序磁通不能在磁路内形成回路，必须在油箱壁及紧固件内形成回路，而油箱壁及紧固件内的磁通会产生较大的涡流损耗，因而使变压器的铁损增加。

当零序电流过大导致零序磁通过大时，由于中性点漂移过大会引起某些相电压过高而导致铁心饱和，使铁损急剧增加。

3、降低了配电变压器出力

变压器容量的设计和制造是按照三相负荷平衡条件确定的，其三相绕组结构和性能是一致的，每相额定容量相等，最大允许出力受每相额定容量限制。

三相负荷不平衡时，其最大出力只能按三相负荷中最大一相不超过额定容量为限，负荷轻的相就富裕容量，从而使变压器出力降低，而变压器出力降低程度与平衡度有关，不平衡度越大，出力降低程度越大。

同时，配电变压器的过载能力也降低。

国标GB50052-95第6.08条规定“当选用Yyn0接线组别的三相变压器，其由单相不平衡负荷引起的电流不得超过低压绕组额定电流的25%，且其中一相的电流在满载时不得超过额定电流值。

”由于上述规定，限制了Yyn0接线配电变压器接用单相负荷的容量，也影响了变压器设备能力的充分利用。

4、影响电动机输出功率，并使绕组温度升高

三相负荷不平衡造成的三相电压不对称，将在感应电动机定子中产生逆序旋转磁场，电动机在正、逆两序旋转磁场的作用下运行。

由于正序旋转磁场比逆序旋转磁场强，所以电动机旋转方向不变。

但由于转子逆序阻抗小，因此逆序电流大。

逆序磁场、逆序电流将产生较大的制动力矩，使电动机输出功率降低，绕组温度升高，危及电动机安全运行。

三、三相不平衡补偿方式的分析

为了减小负载不平衡对系统供电性能的影响，使得系统负载平衡化，许多用于平衡负载的补偿装置被应用到电力系统中，对电能质量的调节起到了积极的作用。

1、通过无功补偿装置对不平衡进行调整

应用最广泛的是静止无功补偿装置（StaticVarCompensator—SVC），SVC可以对不平衡负载进行分相补偿，已被广泛应用于电力系统。

其典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器（FixedCapacitor+ThyristorControlledReactor—FC+TCR），并且晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchingCapacitor—TSC）也获得了广泛应用。

TSC只能分组投切，和TCR配合使用，连续调节无功功率，对系统不平衡负载进行分相控制，可以达到平衡负载的目的。

TCR+FC型SVC由TCR装置和FC滤波支路组成。

其中TCR装置采用移相触发方式控制电抗器的输入电压，从而控制TCR的电流与无功功率，FC滤波支路输出定量容性无功功率，同时吸收负载谐波电流和TCR产生的谐波电流。

如下图所示：

图1.静止无功补偿装置原理

静止无功补偿装置（SVC）具有可以分相补偿、连续调节补偿装置产生的无功功率，容量大、成本低、响应速度快等优点。

但是，也有其固有的缺点。

SVC补偿装置含有较多的无源器件—电抗器或者电容器，体积庞大。

并且，TCR这些类型的SVC本身还会产生低次谐波电流，也需要安装滤波器。

通常采用无源滤波器与SVC并联使用，这样会增加成本，而且如果设计不仔细，实际运行时有可能由于系统发生或接近于谐振而使某些谐波严重放大而不是衰减。

另外，SVC的工作范围较窄，当系统电压降低到一定程度时，输出无功将随着电压下降而下降，无法对系统提供足够的无功支持。

同样可以实现分相补偿的静止无功发生器（StaticVarGenerator－SVG）也可以实现不平衡负载的平衡化补偿，是一种比SVC更先进的补偿装置。

当SVG在其直流侧接有电源或储能装置时，可以独立地发出或吸收有功功率，补偿系统不平衡负载为平衡。

同时，静止无功发生器可以从输电和配电系统中的动态电压控制、功率振荡的阻尼、暂态稳定性等多个方面改善电力系统的性能。

并且，其占地面积小，结构紧凑，实现了模块化设计，电磁干扰小，对环境的影响降到了最低，是一种发展前景很好的补偿装置。

2、通过负荷调补网络对不平衡进行调整

三相不平衡的根本原因实质上就是负荷网络不对称造成的。

只要将负荷网络对称化，就可以使变压器对称运行。

由此，我们可以构造一个阻抗网络叠加在负荷网络上，该网络本身不消耗有功功率，并在不改变负荷有功功率特性的前提下使变压器的输出电流对称，同时补偿负荷的无功功率，该网络称之为“调补网络”。

而如何构造这样一个调补网络便是解决问题的关键。

变压器不对称的三相负荷电流可采用对称分量法分解为正序、负序和零序三组对称分量。

如果消除掉负序和零序，三相电流就会对称。

调补网络应用Steinmetz原理和线性电路叠加原理，推导出科学的工程计算公式。

利用负荷中的感性无功虚拟为电抗器元件，通过在变压器低压侧各相之间及各相与零线之间各自恰当地接入单相电力电容器的方法，构成不对称补偿网络，从而实现消除掉变压器电流中的负序和零序分量，使各相输出的有功电流达到平衡，同时无功电流被补偿，而负荷本身的有功电流保持不变，负荷调补网络示意图如下：

图2.三相负荷调补网络示意图

调补网络解决了在进行无功补偿的同时自动调整变压器三相不平衡有功电流的难题。

但在其构成的部件方面和外观与常规无功补偿值装置相似，其使用场合和方法也相同，市场价格也近似，如吉林龙华电力的LHRC-TB型低压三相负荷不对称自动调整及无功补偿装置，原理图如下：

图3.三相负荷不对称自动调整及无功补偿装置原理图

该装置内装有12-24台额定电压415V的自愈式单相电容器，每台电容器在微电脑控制器的控制下，通过智能编组复合开关使之既可以接于相线与相线之间，也可以接于相线与零线之间，实现了在补偿系统无功功率的同时调整不平衡有功负荷的目的。

采用构造调补网络调节的方式有如下优点：

（a）.减少变压器视在功率，从而降低电网设备投资，减少变压器视在电流，从而减少变压器的有功损耗。

（b）.调整三相不平衡电流，能够有效地降低变压器铜损和铁损，减轻电力工人频繁调节相间负载的劳动强度，能够提高配电变压器负荷利用率，降低配电变压器单相或两相过负荷烧毁的机率，平均节电效率比单纯的分相补偿装置可提高10%以上。

（c）.改善供电电压质量，使三相电压平衡，延长用电设备寿命，提高设备使用效率。

3、通过不平衡负荷带电换相装置对不平衡负荷进行调整

实际上，在低压配电网特别是农网中，由于配电变压器众多，在每台变压器端安装无功补偿装置或负荷调补网络并不现实，所以以上两种调整三相不平衡的方式都存在着实现成本过大的问题。

而且在某些特定的情况下，如配电网中负荷较稳定，但由于早期线路规划不周造成三相负荷分配不平衡的问题，并不需要对三相负荷进行经常性的快速调整，往往只需调整一次便可以保证较长时间的三相平衡。

因此，通常采取将造成三相不平衡的单相负荷断电后，投切到另一相的方式来调整三相负荷平衡。

但如果采取传统手动切换的方式，那么负荷的停电时间往往要超过30min，这大大降低了用户的供电可靠性。

所以现在采用一种利用不平衡负荷带电换相装置来完成三相负荷平衡调整的方式，示意图如下：

图4.三相负荷带电换相装置工作示意图

例如某单相负荷由B相供电，由于三相负荷不平衡需将其投切到C相，则操作人员只需将带电换相装置的输入端子1和输入端子2分别接到输电线路的C相和B相，输出端子3与单相负荷相连接（如图4），端子2、3之间导通，带电换相装置输出电压为B相电压，此时再将单相负荷与输电线路B相断开，则负荷依然由B相通过带电换相装置供电；当需要投切时，现场操作人员只需控制带电换相装置，使其2、3端子快速断开，1、3端子快速导通，负荷的供电方式便由B相通过带电换相装置供电切换为C相通过带电换相装置供电，这时再将负荷接到输电线路C相，然后拆除带电换相装置，便完成负荷平衡调整。

采取这种方式时，单相负荷的失电时间由带电换相装置的动作时间决定，一般可以控制在10ms以内，大大提高了用户的供电可靠性，且操作简便成本低廉，在某些特定的情况下具有极高的应用价值。

不平衡负荷带电换相装置原理图如下：

图5.三相负荷带电换相装置原理图

该装置由输入通道L1、输入通道L2、输出通道L3、中性线/地线通道N、微控制器和控制显示板构成。

当需要对负荷供电方式进行调整时，只需将输入通道L1、L2接于需要切换的两路电源端，输出通道L3接到负荷的供电端，然后切除负荷原先与电源的连接线路，使负荷只由L3获得电力，此时通过装置控制显示板上的切换按钮可实现负荷由输入通道L1供电切换到由L2供电，即L1、L3先断开，然后L2、L3导通，切换时间可控制在10ms内。

由于上述调整三相平衡的方式会造成用电负荷短暂的电压暂降（约10ms），而我国标准《GB/T17626.11-2008电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验》中关于用电设备电压暂降耐受时间的规定如下：

在GB/T18039.4-2003《电磁兼容环境工厂低频传导骚扰的兼容水平》中对电磁环境的分类有如下规定：

第1类

适用于受保护的供电电源，其兼容水平低于公用供电系统。

它涉及到对电源骚扰很敏感的设备（例如，实验室的仪器、某些自动控制和保护设备及计算机等）的使用。

注：

安装在第1类环境中的设备要求有保护装置如不间断电源、滤波器或浪涌保护器等。

第2类

一般适用于商业环境的公共耦合点PCC和工业环境的内部耦合点IPC。

该类的兼容水平与公共供电系统的相同。

因此涉及用于公共系统的元件也适用于这类工业环境。

第3类

仅适用于工业环境的IPC。

该类某些骚扰现象的兼容水平要高于第2类。

在连接有下列设备时应认为是这类环境：

大部分负荷经换流器供电、有焊接设备、频繁启动的大型电动机、变化迅速的负荷。

可见在低压配电网或农网中，大部分的用电设备属于第2类和第3类，这两类设备对于电压暂降的耐受时间应该大于1个周期（20ms），所以通过不平衡负荷带电换相装置对不平衡负荷进行调整时所造成的10ms内的电压暂降不会对用电设备造成较大影响。

综上所述，在低压配电网和农网中，通过不平衡负荷带电换相装置对电网三相平衡进行调整是一种成本低廉且十分有效的方式，具有极高的可行性。