不平衡負荷帶電換相裝置-可行性分析

1、PAGE 不平衡負荷帶電換相裝置可行性分析目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc381101502 一、三相不平衡問題產(chǎn)生的原因 PAGEREF _Toc381101502 h 1 HYPERLINK l _Toc381101503 二、三相不平衡的危害 PAGEREF _Toc381101503 h 1 HYPERLINK l _Toc381101504 1、增加了線路損耗 PAGEREF _Toc381101504 h 1 HYPERLINK l _Toc381101505 2、增加了配電變壓器的有功損耗 PAGEREF _Toc381101505 h 1

2、HYPERLINK l _Toc381101506 3、降低了配電變壓器出力 PAGEREF _Toc381101506 h 2 HYPERLINK l _Toc381101507 4、影響電動機輸出功率，并使繞組溫度升高 PAGEREF _Toc381101507 h 2 HYPERLINK l _Toc381101508 三、三相不平衡補償方式的分析 PAGEREF _Toc381101508 h 3 HYPERLINK l _Toc381101509 1、通過無功補償裝置對不平衡進行調(diào)整 PAGEREF _Toc381101509 h 3 HYPERLINK l _Toc38110151

3、0 2、通過負荷調(diào)補網(wǎng)絡(luò)對不平衡進行調(diào)整 PAGEREF _Toc381101510 h 4 HYPERLINK l _Toc381101511 3、通過不平衡負荷帶電換相裝置對不平衡負荷進行調(diào) PAGEREF _Toc381101511 h 6PAGE 9一、三相不平衡問題產(chǎn)生的原因在中、低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中，存在大量單相、不對稱、非線性、沖擊性負荷，由于早期電網(wǎng)設(shè)計規(guī)劃的不周，會出現(xiàn)大量單相負荷集中在一相或兩相的情況，這些不均衡負荷會使配電系統(tǒng)產(chǎn)生三相不平衡，導(dǎo)致供電系統(tǒng)三相電壓、電流的不平衡。由于負荷分配不均，負荷性質(zhì)也不一致，造成低壓供電系統(tǒng)無功不足，負荷不平衡。尤其是經(jīng)濟水平較為發(fā)達的地

4、區(qū)表現(xiàn)更為明顯。無功不足及負荷不平衡已成為配電系統(tǒng)的兩大難題。在中、低壓配電網(wǎng)尤其是農(nóng)網(wǎng)系統(tǒng)中由于線路及配電變壓器數(shù)量眾多、供電用戶分散、資金成本等因素的制約，通過配置低壓無功補償裝置等方式來解決三相不平衡的問題并不現(xiàn)實。通常做法是通過人工切換單相負荷的供電相來調(diào)整三相平衡，但這種方式需要先對負荷停電再進行操作，這嚴重影響了對用戶的供電可靠性，對電網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)供電提出了挑戰(zhàn)，因此中低壓配電網(wǎng)及農(nóng)網(wǎng)的三相不平衡問題已成為當(dāng)前配電系統(tǒng)中亟待解決的問題。二、三相不平衡的危害目前在我國對于低壓電網(wǎng)來說，一般都采用三相四線制配電方式，配電變壓器為Yyn0 接線。由于大量的單相負載以及用電不同時性的原因，因此

5、配電變壓器的三相不平衡運行是不可避免的。三相電壓或電流不對稱會對電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電、配電設(shè)備及用電設(shè)備造成一系列的危害。分別敘述如下:1、增加了線路損耗電流通過導(dǎo)線時，由于導(dǎo)線電阻的作用，將在導(dǎo)線上產(chǎn)生功率損耗。不平衡度越大，線路損耗也越大。2、增加了配電變壓器的有功損耗現(xiàn)有的 10/0.4kV 低壓配電變壓器多為 Y/yn0 接法。這種類型的變壓器，當(dāng)二次側(cè)負載不平衡且有零線電流時，零線電流即為零序電流，而一次側(cè)由于無中點引出線，因此零序電流無法流通，故零序電流無法安匝平衡。對鐵心而言，有一個激磁零序電流，它受零序激磁阻抗控制，根據(jù)磁路的設(shè)計，這一零序激磁阻抗較大，相對地電壓的對稱會受到

6、影響，中性點會偏移。對三相三柱的磁路而言，零序磁通不能在磁路內(nèi)形成回路，必須在油箱壁及緊固件內(nèi)形成回路，而油箱壁及緊固件內(nèi)的磁通會產(chǎn)生較大的渦流損耗，因而使變壓器的鐵損增加。當(dāng)零序電流過大導(dǎo)致零序磁通過大時，由于中性點漂移過大會引起某些相電壓過高而導(dǎo)致鐵心飽和，使鐵損急劇增加。3、降低了配電變壓器出力變壓器容量的設(shè)計和制造是按照三相負荷平衡條件確定的，其三相繞組結(jié)構(gòu)和性能是一致的，每相額定容量相等，最大允許出力受每相額定容量限制。三相負荷不平衡時，其最大出力只能按三相負荷中最大一相不超過額定容量為限，負荷輕的相就富裕容量，從而使變壓器出力降低，而變壓器出力降低程度與平衡度有關(guān)，不平衡度越大，出

7、力降低程度越大。同時，配電變壓器的過載能力也降低。國標(biāo) GB 50052-95 第 6.08 條規(guī)定“當(dāng)選用 Yyn0 接線組別的三相變壓器，其由單相不平衡負荷引起的電流不得超過低壓繞組額定電流的 25%，且其中一相的電流在滿載時不得超過額定電流值。” 由于上述規(guī)定，限制了 Yyn0 接線配電變壓器接用單相負荷的容量，也影響了變壓器設(shè)備能力的充分利用。4、影響電動機輸出功率，并使繞組溫度升高三相負荷不平衡造成的三相電壓不對稱，將在感應(yīng)電動機定子中產(chǎn)生逆序旋轉(zhuǎn)磁場，電動機在正、逆兩序旋轉(zhuǎn)磁場的作用下運行。由于正序旋轉(zhuǎn)磁場比逆序旋轉(zhuǎn)磁場強，所以電動機旋轉(zhuǎn)方向不變。但由于轉(zhuǎn)子逆序阻抗小，因此逆序電流

8、大。逆序磁場、逆序電流將產(chǎn)生較大的制動力矩，使電動機輸出功率降低，繞組溫度升高，危及電動機安全運行。三、三相不平衡補償方式的分析為了減小負載不平衡對系統(tǒng)供電性能的影響，使得系統(tǒng)負載平衡化，許多用于平衡負載的補償裝置被應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，對電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)起到了積極的作用。1、通過無功補償裝置對不平衡進行調(diào)整應(yīng)用最廣泛的是靜止無功補償裝置(Static Var CompensatorSVC)，SVC可以對不平衡負載進行分相補償，已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。其典型代表是固定電容器+晶閘管控制電抗器(Fixed Capacitor + Thyristor Controlled ReactorFC+TCR)

9、，并且晶閘管投切電容器(Thyristor Switching CapacitorTSC)也獲得了廣泛應(yīng)用。TSC只能分組投切，和TCR配合使用，連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，對系統(tǒng)不平衡負載進行分相控制，可以達到平衡負載的目的。TCR + FC型SVC由TCR裝置和FC濾波支路組成。其中TCR裝置采用移相觸發(fā)方式控制電抗器的輸入電壓，從而控制TCR的電流與無功功率，F(xiàn)C濾波支路輸出定量容性無功功率，同時吸收負載諧波電流和TCR產(chǎn)生的諧波電流。如下圖所示：圖1. 靜止無功補償裝置原理靜止無功補償裝置(SVC)具有可以分相補償、連續(xù)調(diào)節(jié)補償裝置產(chǎn)生的無功功率，容量大、成本低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。但是，也有其固

10、有的缺點。SVC 補償裝置含有較多的無源器件電抗器或者電容器，體積龐大。并且，TCR 這些類型的 SVC 本身還會產(chǎn)生低次諧波電流，也需要安裝濾波器。通常采用無源濾波器與 SVC 并聯(lián)使用，這樣會增加成本，而且如果設(shè)計不仔細，實際運行時有可能由于系統(tǒng)發(fā)生或接近于諧振而使某些諧波嚴重放大而不是衰減。另外，SVC 的工作范圍較窄，當(dāng)系統(tǒng)電壓降低到一定程度時，輸出無功將隨著電壓下降而下降，無法對系統(tǒng)提供足夠的無功支持。同樣可以實現(xiàn)分相補償?shù)撵o止無功發(fā)生器(Static Var GeneratorSVG)也可以實現(xiàn)不平衡負載的平衡化補償，是一種比SVC更先進的補償裝置。當(dāng)SVG在其直流側(cè)接有電源或儲能

11、裝置時，可以獨立地發(fā)出或吸收有功功率，補償系統(tǒng)不平衡負載為平衡。同時，靜止無功發(fā)生器可以從輸電和配電系統(tǒng)中的動態(tài)電壓控制、功率振蕩的阻尼、暫態(tài)穩(wěn)定性等多個方面改善電力系統(tǒng)的性能。并且，其占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，電磁干擾小，對環(huán)境的影響降到了最低，是一種發(fā)展前景很好的補償裝置。2、通過負荷調(diào)補網(wǎng)絡(luò)對不平衡進行調(diào)整三相不平衡的根本原因?qū)嵸|(zhì)上就是負荷網(wǎng)絡(luò)不對稱造成的。只要將負荷網(wǎng)絡(luò)對稱化，就可以使變壓器對稱運行。由此，我們可以構(gòu)造一個阻抗網(wǎng)絡(luò)疊加在負荷網(wǎng)絡(luò)上，該網(wǎng)絡(luò)本身不消耗有功功率，并在不改變負荷有功功率特性的前提下使變壓器的輸出電流對稱，同時補償負荷的無功功率，該網(wǎng)絡(luò)稱之為“調(diào)補

12、網(wǎng)絡(luò)”。而如何構(gòu)造這樣一個調(diào)補網(wǎng)絡(luò)便是解決問題的關(guān)鍵。變壓器不對稱的三相負荷電流可采用對稱分量法分解為正序、負序和零序三組對稱分量。如果消除掉負序和零序，三相電流就會對稱。調(diào)補網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用Steinmetz原理和線性電路疊加原理，推導(dǎo)出科學(xué)的工程計算公式。利用負荷中的感性無功虛擬為電抗器元件，通過在變壓器低壓側(cè)各相之間及各相與零線之間各自恰當(dāng)?shù)亟尤雴蜗嚯娏﹄娙萜鞯姆椒?，?gòu)成不對稱補償網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)消除掉變壓器電流中的負序和零序分量，使各相輸出的有功電流達到平衡，同時無功電流被補償，而負荷本身的有功電流保持不變，負荷調(diào)補網(wǎng)絡(luò)示意圖如下：圖2. 三相負荷調(diào)補網(wǎng)絡(luò)示意圖調(diào)補網(wǎng)絡(luò)解決了在進行無功補償?shù)耐瑫r

13、自動調(diào)整變壓器三相不平衡有功電流的難題。但在其構(gòu)成的部件方面和外觀與常規(guī)無功補償值裝置相似，其使用場合和方法也相同，市場價格也近似，如吉林龍華電力的LHRC-TB型低壓三相負荷不對稱自動調(diào)整及無功補償裝置，原理圖如下：圖3. 三相負荷不對稱自動調(diào)整及無功補償裝置原理圖該裝置內(nèi)裝有12-24臺額定電壓415V的自愈式單相電容器，每臺電容器在微電腦控制器的控制下，通過智能編組復(fù)合開關(guān)使之既可以接于相線與相線之間，也可以接于相線與零線之間，實現(xiàn)了在補償系統(tǒng)無功功率的同時調(diào)整不平衡有功負荷的目的。采用構(gòu)造調(diào)補網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的方式有如下優(yōu)點：(a).減少變壓器視在功率，從而降低電網(wǎng)設(shè)備投資，減少變壓器視在電流

14、，從而減少變壓器的有功損耗。 (b).調(diào)整三相不平衡電流，能夠有效地降低變壓器銅損和鐵損，減輕電力工人頻繁調(diào)節(jié)相間負載的勞動強度，能夠提高配電變壓器負荷利用率，降低配電變壓器單相或兩相過負荷燒毀的機率，平均節(jié)電效率比單純的分相補償裝置可提高10%以上。 (c).改善供電電壓質(zhì)量，使三相電壓平衡，延長用電設(shè)備壽命，提高設(shè)備使用效率。3、通過不平衡負荷帶電換相裝置對不平衡負荷進行調(diào)整實際上，在低壓配電網(wǎng)特別是農(nóng)網(wǎng)中，由于配電變壓器眾多，在每臺變壓器端安裝無功補償裝置或負荷調(diào)補網(wǎng)絡(luò)并不現(xiàn)實，所以以上兩種調(diào)整三相不平衡的方式都存在著實現(xiàn)成本過大的問題。而且在某些特定的情況下，如配電網(wǎng)中負荷較穩(wěn)定，但由

15、于早期線路規(guī)劃不周造成三相負荷分配不平衡的問題，并不需要對三相負荷進行經(jīng)常性的快速調(diào)整，往往只需調(diào)整一次便可以保證較長時間的三相平衡。因此，通常采取將造成三相不平衡的單相負荷斷電后，投切到另一相的方式來調(diào)整三相負荷平衡。但如果采取傳統(tǒng)手動切換的方式，那么負荷的停電時間往往要超過30min，這大大降低了用戶的供電可靠性。所以現(xiàn)在采用一種利用不平衡負荷帶電換相裝置來完成三相負荷平衡調(diào)整的方式，示意圖如下：圖4. 三相負荷帶電換相裝置工作示意圖例如某單相負荷由B相供電，由于三相負荷不平衡需將其投切到C相，則操作人員只需將帶電換相裝置的輸入端子1和輸入端子2分別接到輸電線路的C相和B相，輸出端子3與單

16、相負荷相連接（如圖4），端子2、3之間導(dǎo)通，帶電換相裝置輸出電壓為B相電壓，此時再將單相負荷與輸電線路B相斷開，則負荷依然由B相通過帶電換相裝置供電；當(dāng)需要投切時，現(xiàn)場操作人員只需控制帶電換相裝置，使其2、3端子快速斷開，1、3端子快速導(dǎo)通，負荷的供電方式便由B相通過帶電換相裝置供電切換為C相通過帶電換相裝置供電，這時再將負荷接到輸電線路C相，然后拆除帶電換相裝置，便完成負荷平衡調(diào)整。采取這種方式時，單相負荷的失電時間由帶電換相裝置的動作時間決定，一般可以控制在10ms以內(nèi)，大大提高了用戶的供電可靠性，且操作簡便成本低廉，在某些特定的情況下具有極高的應(yīng)用價值。不平衡負荷帶電換相裝置原理圖如下：

17、圖5. 三相負荷帶電換相裝置原理圖該裝置由輸入通道L1、輸入通道L2、輸出通道L3、中性線/地線通道N、微控制器和控制顯示板構(gòu)成。當(dāng)需要對負荷供電方式進行調(diào)整時，只需將輸入通道L1、L2接于需要切換的兩路電源端，輸出通道L3接到負荷的供電端，然后切除負荷原先與電源的連接線路，使負荷只由L3獲得電力，此時通過裝置控制顯示板上的切換按鈕可實現(xiàn)負荷由輸入通道L1供電切換到由L2供電，即L1、L3先斷開，然后L2、L3導(dǎo)通，切換時間可控制在10ms內(nèi)。由于上述調(diào)整三相平衡的方式會造成用電負荷短暫的電壓暫降（約10ms），而我國標(biāo)準GB/T 17626.11-2008 電磁兼容試驗和測量技術(shù)電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗中關(guān)于用電設(shè)備電壓暫降耐受時間的規(guī)定如下：在GB/T 18039.4-2003 電磁兼容 環(huán)境 工廠低頻傳導(dǎo)騷擾的兼容水平中對電磁環(huán)境的分類有如下規(guī)定：第1類適用于受保護的供電電源，其兼容水平低于公用供電系統(tǒng)。它涉及到對電源騷擾很敏感的設(shè)備（例如，實驗室的儀器、某些自動控制和保護設(shè)備及計算機等）的使用。注：安裝在第1類環(huán)境中的設(shè)備要求有保護裝置如不間斷電源、濾波器或浪涌保護器等。第2類一般適用于商業(yè)環(huán)境的公共耦合點PCC和工業(yè)環(huán)境的內(nèi)部耦合點IPC。該類的兼容水平與公共供電系統(tǒng)的相同。因此涉及用于公共系統(tǒng)的元件也