三相负荷不对称自动调补装置详细技术资料.docx

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三相负荷不对称自动调补装置详细技术资料

三相负荷不对称自动调补装置

技术说明

一、概述

在我国中、低压配电网中，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。

由于在用户端存在着大量的单相负荷，而负荷接入的随机性和用电不具同时性，必然使供电点配电变压器处于不对称运行状态。

对于三相不对称电流可分解为正序分量、负序分量和零序分量。

而配电变压器的不对称运行会产生大量的零序电流和负序电流，零序电流流过中线形成中线电流，而中线电流的增大，会增加变压器的铁损和铜损，是中性点电压偏移，降低变压器的出力，严重时会烧断中线，威胁变压器的安全运行；另外负序电流增加变压器的铜损，使电能计量精度下降，同时会对接在供电点上的电动机运行产生不利的影响，减少用电器出力和使用寿命，给用户造成损失。

目前，应用最先进的的可以实现分补和共补的无功补偿装置对负荷进行补偿，也只能将系统中的无功电流部分补掉，解决功率因数的补偿问题,而对于不平衡有功电流部分却无能为力，不能有效地平衡三相负荷，有时补偿后电流的不平衡度却有可能更大，因此电业部门只能定期用人工改线的方式进行负荷调整。

针对上述情况，我们研究了既适合三相三线制接线形式又适合三相四线制接线形式的不平衡负荷无功补偿方法。

依据线性系统的叠加原理，在只知补偿前各相有功和无功功率的情况下,建立数学模型。

利用该模型,解决了消除负序和零序电流的算法这个关键技术，巧妙地利用了负荷回路中的感性无功等效为电抗器，用单片机开发出专用微电脑控制器，通过微电脑控制器的计算和控制，通过智能编组复合开关，采用只需在三相四线低压配电系统中的各相与相之间及各相与零线之间恰当地接入若干单相电力电容器的创新方法，开发了三相负荷不对称自动调补装置，解决了在进行无功补偿的同时自动调整配电变压器有功电流不平衡的难题。

二、装置原理

理想情况下，三相变压器接三相均衡对称负荷，系统处于对称运行状态，三相电流大小相等，且相邻相间的相位差相等。

但当三相负荷发生不对称变化，引起三相电流也发生不对称变化，造成三相电流的大小、相位各不相同，且相邻相间的相位差也不相等，因此系统中的电流便出现不对称。

而不对称的三相电流可采用对称分量法将不对称的三相量分解为正序、负序和零序三组对称分量。

由于三相电流的不对称是由三相负荷的不对称引起的，只要我们让负荷变为对称，三相电流就会对称。

如果我们用无功元件构造一个不对称的导纳网络，将之接在三相电源上后产生负序和零序电流，让其大小与负荷产生的负序和零序电流大小相等，而方向相反，那末根据叠加定理，系统中的负序和零序电流将被抵消为零，只剩下正序分量，那么变压器的不对称的三相输出电流就转变成平衡的三相电流了。

综上所述，如何构造一个不对称的补偿导纳网络，便成为解决该问题的关键。

下面简述一下不对称的补偿导纳网络公式。

1、无功元件可以调整有功的物理原理

首先我们对于可用无功元件构造构造的网络能够调整有功负荷的原理进行说明。

1、基本物理原理矢量分析

[原理一]：

在相线与相线之间跨接电阻，具有在相线与相线之间转移无功的能力。

Ø如图1所示：

A、B相之间跨接电阻R，Ur为电阻的电压，由于电阻中的电流与电压同相。

所以，电阻电流Ir与电阻电压Ur矢量方向相同。

这时，从A相看：

有与电源电压方向相同的有功电流分量Ipr和垂直于电源电压的无功电流分量+Iqr，并且这是一个超前的无功电流分量。

同理，从B相看：

同样有一个与电源电压方向相同的有功电流分量Ipr和垂直于电源电压的无功电流分量-Iqr，并且这是一个滞后的无功电流分量，由此说明，电阻R将A相的无功电流转移到了B相。

[原理二]：

在相线与相线之间跨接电容或电感，具有在相线与相线之间转移有功的能力。

1、相线与相线之间跨接电容，使有功转移的矢量分析：

Ø

如图2所示：

A、B相之间接入电容C。

Ø从A相看：

Uc为电容电压，由于电容中的电流超前于电容电压90º。

所以，电容电流Ic垂直于电容电压Uc，这时，在A相体现一个垂直且超前于A相电压的容性无功电流分量+Iqc和与A相电压方向相反的负有功电流分量-Ipc。

Ø从B相看：

同理，电容电流Ic超前于电容电压Uc90º。

这时，在B相体现一个垂直于B相电压的容性无功电流分量+Iqc和与B相电压方向相同的正有功电流分量+Ipc。

Ø由此看出：

通过在A、B相之间跨接电容C，使A相的部分有功电流被转移到了B相。

2、相线与相线之间跨接电感，使有功转移的矢量分析：

Ø如图3所示：

A、B相之间接入电感L。

Ø从A相看：

UL为电感电压，由于电感中的电流滞后电感电压90º。

所以，电感电流IL垂直于电感电压UL。

这时，在A相体现一个垂直于A相电压的感性无功电流分量-IqL和与A相电压方向相同的正有功电流分量+IpL。

Ø从B相看：

同理，电感电流IL垂直且滞后于电感电压UL。

这时，在B相体现一个垂直于B相电压的感性无功电流分量-IqL和与B相电压方向相反的负有功电流分量-IpL。

Ø由此看出：

通过在A、B相之间跨接电感L，使B相的部分有功电流被转移到了A相。

3、对于三相电流不平衡系统的解决办法

[实例一]：

Ø如图4所示：

A、B相之间接有电阻R，在没有接入电容C和电感L之前，只有A、B相有电流且相等，C相无电流，这是一个典型的不平衡系统。

要将A、B相电流平均分配到三相，并且三相功率因数都能补偿到1。

采用如图所示的方法来进行不平衡的调整和功率因数补偿：

①、接入电容C的现象：

Ø从B相看：

由于电容电流Ic超前电容电压Uc90º。

这时，在B相体现一个垂直于B相电压的容性无功电流分量＋Iqc和与B相电压方向相反的负有功电流分量-Ipc。

Ø从C相看：

同理，电容电流Ic超前电容电压Uc90º。

这时，在C相体现一个垂直于C相电压的容性无功电流分量＋Iqc和与C相电压方向相同的正有功电流分量+Ipc。

Ø可以看出：

在B、C相之间跨接电容C后，将B相的部分有功电流转移到了C相。

Ø如果恰当地选择电容C，使之在B相的有功电流分量-Ipc是B相有功电流的1/3，这时，电容C就会将B相的1/3有功电流转移到C相（即+Ipc）。

②、接入电感L的现象：

Ø从A相看：

由于电感电流IL滞后电感电压UL90º。

这时，在A相体现一个垂直于A相电压的感性无功电流分量-IqL和与A相电压方向相反的负有功电流分量-IpL。

Ø从C相看：

同理，电感电流IL滞后电感电压UL90º。

这时，在C相体现一个垂直于C相电压的感性无功电流分量-IqL和与C相电压方向相同的正有功电流分量+IpL。

Ø可以看出：

在A、C相之间跨接电感L后，将A相的部分有功电流转移到了C相。

Ø如果恰当地选择电感L，使之在A相的有功电流分量-IpL是A相有功电流的1/3，这时，电感L就将A相的1/3有功电流转移到C相（即+IpL）。

Ø通过上述分析看出：

电容C将B相的1/3有功电流转移到C相；电感L又将A相的1/3有功电流也转移到了C相。

这时，A、B相都有1/3的有功电流被转移到了C相，这时，C相有2/3的有功电流，A、B相也都剩有2/3的有功电流。

所以，三相有功电流完全平衡。

、调整后的三相功率因数：

ØC相功率因数：

接入电容C后的无功电流分量+Iqc与接入电感L后的无功电流分量-IqL相互抵消,该相无功无零,功率因数为1。

ØA相功率因数：

由于电阻R使A相的无功电流分量转移到B相（原理见图1），所以，A相无功电流为零，功率因数为1。

ØB相功率因数：

由A相转移过来的无功电流分量-Iqr与电容C在B相的无功电流分量+Iqc相抵消。

这时B相无功电流为零，功率因数为1。

[实例二]：

如图5所示：

A相与零之间接有电阻R，在没有接入所有电容和电感之前，只有A相有电流，B、C相都没有电流，这是一个严重不平衡系统。

为使A相电流平均分配到三相之间且每相功率因数都能补偿到1。

采用如图所示的方法来进行不平衡的调整和功率因数补偿：

①、A、B相之间接入电容C1的现象：

Ø从A相看：

由于电容电流Ic1超前电容电压Uc90º。

这时，在A相体现出垂直于A相电压的容性无功电流分量+Iqc1和与A相电压方向相反的负有功电流分量-Ipc。

Ø从B相看：

同理，电容电流Ic1超前电容电压Uc90º。

这时。

在B相体现出垂直于B相电压的容性无功电流分量+Iqc1和与B相电压方向相同的正有功电流分量+Ipc。

Ø由此看出：

在A、B相之间跨接的电容C1后，A相的部分有功电流被转移到了B相。

Ø如果恰当地选择电容C1，使之在A相的有功电流分量-Ipc是A相有功电流的1/3，这时，电容C1就会将A相的1/3有功电流转移到B相（即+Ipc）。

②、A、C相之间接入电感L1的现象：

Ø从A相看：

由于电感电流IL1滞后电感电压UL90º。

在A相体现出一个垂直于A相电压的感性无功电流分量-IqL1和与A相电压方向相反的负有功电流分量-IpL。

Ø从C相看：

同理，电感电流IL1滞后电感电压UL90º。

在C相体现出一个垂直于C相电压的感性无功电流分量-IqL1和与C相电压方向相同的正有功电流分量+IpL。

Ø由此看出：

在A、C相之间跨接电感L1后，A相的部分有功电流被转移到了C相。

Ø如果恰当地选择电容L1，使之在A相的有功电流分量-IpL是A相有功电流的1/3，这时，电容L1就会将A相的1/3有功电流转移到C相。

Ø通过上述分析看出：

电容C1将A相的1/3有功电流转移到B相，电感L1又将A相的1/3有功电流转移到了C相。

这时B相有1/3的有功电流，C相也有1/3的有功电流，A相也只剩下了1/3的有功电流。

所以，三相有功电流完全平衡。

、调整后的三相功率因数：

A相功率因数：

电容C1在A相的容性无功电流分量+Iqc1与电感L1在A相的感性无功分量-IqL1相互抵消。

该相无功电流为零，功率因数为1。

B相功率因数：

在B相与零之间恰当地接入电感L2，使之在B相的感性无功电流分量-IqL2正好抵消该相容性无功电流分量+Iqc1。

该相无功电流为零，功率因数为1。

C相功率因数：

在C相与零之间恰当地接入电容C2，使之在C相的容性无功电流分量+Iqc2正好抵消该相感性无功电流分量-IqL1。

该相无功电流为零，功率因数为1。

以上的分析表明：

只要在相与相之间能够接入电容或电感，是完全可以达到在相与相之间的转移有功的目的。

当实际的负荷相当于若干个电阻时，只要按照各个电阻的情况分别计算出补偿量，再按照迭加原理相加就可以了。

2、平衡补偿一般理论公式

上面是对应用无功元件进行有功调补的定性分析，下面应用数学方法进行建模，给出调补计算公式。

首先假设网络线电流和电压可测，三相电流不对称，存在负序和零序分量。

补偿前后电源电压均对称，补偿后各相功率因数为1,三相电流平衡,不含有负序和零序分量。

2.1　不对称负荷为△接法

系统接线如下图所示。

SVC网络负荷网络

上图中，GL﹢JBL为负荷网络的导纳，JB△为SVC补偿网络的电纳。

由理论推导可知：

B△ab=-BLab+√3／3（GLac-GLbc）

B△bc=-BLbc+√3／3（GLab-GLac）[1]

B△ac=-BLac+√3／3（GLbc-GLab）

上式只能作为补偿原理的说明，因为要求的补偿器的电纳是用负荷导纳来表示的，而在此种接线方式中，负荷的导纳却不象有功和无功那么容易测量，所以可以将上式变形，由补偿前的有功和无功量来表示。

这样只需对相间进行补充一定量电容和电感即可。

（负号表示电感，正号表示电容）

2.2不对称负荷为Y接法

系统接线如下图所示。

SVC网络负荷网络

上图中，GL﹢JBL为负荷网络的导纳，JB△和JBＹ为SVC补偿网络的电纳。

由理论推导可知：

B△ab=2（GLa-GLb）／3√3-BLab+√3／3（GLac-GLbc）

B△bc=2（GLb-GLc）／3√3-BLbc+√3／3（GLab-GLac）

B△ac=2（GLc-GLa）／3√3-BLac+√3／3（GLbc-GLab）[2]

BYa=（GLb-GLc）／√3-BLa

BYb=（GLc-GLa）／√3-BLb

BYc=（GLa-GLb）／√3-BLc

也可以将上式变形，由补偿前的有功和无功量来表示。

所以对于不对称负荷为Y接线的情况，需对相间和相对地进行补充一定量电容和电感即可。

（负号表示电感，正号表示电容）

通过以上分析，根据叠加原理，将方程组[1]和方程组[2]可得出三相四线制情况下的不对称负荷的补偿模型方程组[3]。

B△ab=2（GLa-GLb）／3√3-BLab+√3／3（GLac-GLbc）

B△bc=2（GLb-GLc）／3√3-BLbc+√3／3（GLab-GLac）

B△ac=2（GLc-GLa）／3√3-BLac+√3／3（GLbc-GLab）[3]

BYa=（GLb-GLc）／√3-BLa

BYb=（GLc-GLa）／√3-BLb

BYc=（GLa-GLb）／√3-BLc

由上述所知，无论系统负荷在那种接线方式下，只要知道了负荷的有功功率和无功功率，就可以通过上式确定最终的要补偿的模型。

2、实际补偿器的构成

通过上一节的阐述，我们得到了要补偿的模型。

但模型中所需的电感在实际装置中却难以实施。

如何解决装置中所需的电感，便成为装置构成的制约条件。

值得注意的是：

实际负荷系统中，存在着大量的感性负荷。

我们可以将这些感性负荷看成等效电抗器，这样一来就巧妙的解决了装置所需的电抗器的难题。

应用上面方程组[3]的数学模型和方法，通过Y接线和△接线不同作用，实现在相间转移不同数量的有功，在相对地又补偿了不同数量的无功，既解决了有功负荷的不对称，又补偿了无功，实现了一举两得，一机双效。

三、装置构成

根据前面公式[3]计算结果，我们只须将若干单相电容器组按实际系统的需要，恰当的接在变压器二次输出端的相间和相对地间，就可以实现调补功能。

1、调补装置的总体构成

我们设计的低压三相负荷不平衡自动调整及无功补偿装置主要由LHRC-TB微机控制器、LHISW-20智能编组复合开关、单相电力电容器组C、微型断路器NF1—NF4、放电线圈L、箱体等构成。

根据容量的不同，装置内装有若干台额定电压为415V的相同容量的单相电力电容器，每台电容器在微机控制器经RS-485总线的控制下，通过智能编组复合开关的切换，使之即可以接在相线与相线之间，也可以接在相线与零线之间，完成电容器的星角不等量任意混接，实现装置的调补功能。

2、微电脑控制器的构成

[硬件构成]

微电脑控制器是该装置的核心部分。

该微机控制器的硬件采用嵌入式单片机ARM7，外接存储器、键盘显示电路、RS-232通信接口、RS-485通信接口、交流采样电路，如下图所示。

微电脑控制器的工作过程如下：

低压三相四线系统的电压和电流经电压互感器PT和电流互感器CT，经专用电能信号采样芯片CS5451，将交流信号模拟量转为数字量，并暂存于存储器MEM中，然后ARM7对采样所得的数据进行计算，算出三相电压、电流、有功、无功、功率因数等数值，这些数据被存储于存储器MEM中。

ARM7根据这些数据，再分析计算出各相间及各相与零线之间所需投切的电容器数量，通过RS485接口向智能编组复合开关发出动作命令，控制相应的电容器投入或切除。

另外，ARM7还可以通过键盘显示器电路接受键盘信息，执行对应操作，将各相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等显示出来。

串行通信接口可以与GPRS无线数传模块相连，实现无线通信，将所有数据通过公用移动无线通信网和Internet互联网传输到监测中心。

[软件构成]：

1）、软件平台

UCOS-Ⅱ是著名的，源码公开的实时内核，可用于各类8位、16位和32位单片机或DSP，应用范围也变得越来越广泛，目前已在超过40多种不同架构的微处理器上运行。

该控制器采用UCOS-Ⅱ作为操作系统内核，这样不仅可以提高整个系统的响应效率，还可以使程序模块化，便于日后扩展。

2）、计算方法

微机控制器采用三相交流采样，可计算出三相交流的真实电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波分量等数据。

其计算方法依据是基于矢量分析的三相电路瞬时无功功率理论，在dqo系统中，利用三相对称正弦电压、电流产生的瞬时有功功率和瞬时无功功率等于其三相总平均有功功率和三相总平均无功功率的特点，可以非常方便的将谐波电压、谐波电流、基波无功电流以及负序电流、零序电流等分离出来。

3）、程序框图

该微机控制器采用模块化结构程序设计，其中主要模块有显示、A/D转换、看门狗、键盘扫描、参数计算、投切电容、通信的模块，核心子程序是参数计算模块和投切电容模块。

其整体软件流程框图如下：

3、智能编组复合开关的构成

智能编组复合开关是该装置的关键部分。

主电路如下图所示。

主要由编组磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5、K6，双向可控硅Q1、Q2、Q3，旁路磁保持继电器K7,K8,K9的组成。

可控硅和磁保持继电器的动作由一个单片机来控制。

单片机通过RS-485接口与控制器相连，接受控制器的命令，并返回复合开关的状态。

投入电容时，单片机根据接收到的命令，K1、K2、K3、K4、K5、K6动作完成编组，让每个单相电容器接在相间或相对地，然后在电压过零时控制触发可控硅导通，把电容器无扰动的接入电路中，可控硅导通后经过几十毫秒的延时，控制K7,K8,K9闭合，把电容器旁路，电容器的电流便从继电器流过，这时再撤掉触发信号，关闭可控硅，完成电容投入动作。

切除电容器时，单片机根据接收到的命令，先控制可控硅导通，经过几十毫秒的延时，控制K7,K8,K9断开，电容器的电流便从可控硅流过，这时再撤掉触发信号，关闭可控硅，使电流在过零时断开电路，再使K1、K2、K3、K4、K5、K6动作接地，便完成电容器的切除动作。

四、装置的技术特点

1、先进的调整三相不对称有功电流同时补偿无功功率因数的功能

通过在三相四线低压配电系统中的各相与相之间及各相与零线之间恰当地接入若干电力电容器的方法，并巧妙地利用了负荷回路中的电感，不仅使各相的有功电流达到平衡，同时使各相的功率因数都得到良好的补偿。

2、科学快速的算法

微机控制器检测、计算三相电压，三相电流，三相有功功率和三相无功功率，根据理论计算结果，以最佳编组一步投切到位，实现调整有功功率，使三相电流接近或达到平衡，并补偿无功功率，使功率因数接近为1。

3、独特的智能编组复合开关

在单片机的机控制下，通过可控硅和磁保持继电器构成的编组开关，使每台单相电容器既可接在相线与相线之间，又可接在相线与零线之间，达到了调整有功和补偿无功的目的。

4、优良的补偿精度

由于每台电容器既可接在相与相之间，又可接在相与零之间。

当电容器接在相线与零线之间时，其工作电压变为额定电压的1/√3，这时的实际补偿量为额定补偿量的1/3。

其补偿精度是一般补偿装置不可能达到的。

同时又达到延长电容器使用寿命的目的。

五、装置的主要性能

1、调整及补偿性能：

将三相不平衡有功电流校正至变压器额定电流的5%以内，并把三相功率因数补偿至0.95以上。

2、磁保持继电器智能复合开关的设计：

编组功能使电容器可在相与相或相与零之间任意连接。

不但达到了充分、灵活利用电容器的功能，同时更有效地降低了装置自身的耗电量。

3、现场设定及运行数据采集保存功能：

根据现场不同的设备容量进行数字设定。

具有实时运行数据的采集和整点运行数据的保存功能。

通过串口或加装通讯模块，可将所有数据传至后台管理系统。

4、抗干扰能力：

微机控制器采用EMC（电磁兼容）设计，并配置硬件狗、软件容错、硬件容错等手段，满足各种恶劣运行环境的要求，杜绝误动和拒动，确保装置可靠运行。

5、防轻载振荡性能：

微电脑控制器通过对有功不平衡状况和负荷无功量的准确计算，控制策略采用以功率变化增量来确定电容器的补偿容量和继电器的编组方式，因此不会出现轻载振荡现象。

六、装置的功能

1、三相负荷不对称自动调整及无功补偿功能

根据目标算法的值控制电容器的投切，使系统的零序电流最小，各相的功率因数接近1。

2、保护功能

2.1过电压速断，欠压保护切除电容器。

2.2谐波保护。

即电网电压谐波超出设定值切除电容器。

3、通信功能

3.1具有RS232/RS485接口，可进行多种方式下的数据抄收。

后台软件功能强大、齐全，可输出报表。

3.2手操器抄收，采用振中手操器，后台软件处理。

3.3无线手机公用电话网方式。

GPRS网络、GSM短信方式。

4、电气参数测量功能

A、B、C三相电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数指示。

5、数据存储和统计分析功能

5.1整点时刻存储三相电压、电流、有功、无功、功率因数、谐波等数据，可通过通信设备实时召唤数据。

5.2最近30日数据存储。

七、装置的技术条件

1、额定交流数据

1.1额定交流电压Un：

220V；

1.2交流电源波形为正弦波，畸变系数不大于5%；

1.3频率fn：

50HZ，允许偏差为±0.5%

2、功率消耗

整个装置的静态运行功率消耗不大于5Ｗ

3、主要技术指标

3.1测量精度：

U，I0.5级；

P1.0级；

Q2.0级；

3.2功率因数补偿：

0.95-1。

3.3三相电流不平衡度：

低于5％In。

4、环境条件

4.1环境温度

工作：

－3０℃~＋５０℃。

贮存：

－２５℃~＋７０℃在极限值下不施加激励量，装置不出现不可逆变化，温度恢复后装置能正常工作。

4.2大气压力：

８０~１１０ＫＰa（相当海拨高度2km及以下）。

4.3相对湿度：

最湿月的月平均最大相对湿度为９０％，同时该月的月平均最低温度为25℃且表面无凝露。

最高温度为40℃时，平均最大相对湿度不超过50%；包装后的装置应保存在相对湿度不大于80%

其它条件：

装置周围的空气中不应含有带酸、碱腐蚀或爆炸性的。

八、现场安装方法

1、装置可以安装在配电间内、箱变旁、或用支架安装在变压器台下面的电线杆上，当变压器台上有空闲位置时，也可以直接安装在变压器台上。

为便于操作与维修，机柜前后要留有（≥1米）足够空间。

2、连接调补装置的电源线一端按A、B、C相序接在变压器二次刀开关上，另一端接在调补装置内空气开关的1、3、5端，零线接在零线柱上。

3、三个电流互感器按A、B、C相序分别套在电网变压器输出端（变压器二次刀开关之前），测变压器的总输出电流，并固定牢固。

互感器二次引出线加护套接到调补装置内的辅助接线端子上，各相互感器接线必须与电源相序对应，但每只互感器的两条二次线有反正之分。