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成功案例

国网城步县供电分公司 三相不平衡调节典型经验

发布时间:2017-06-12    访问:1766

1.前言

       一个三相平衡电路的三相电压源必须是正弦波,且频率相同,幅度相同,相位互差120度;三相的负荷阻抗相同且均为线性阻抗,因此三相的电流都是正弦波,且频率相同,幅度相同,相位互差120度。
绝对的三相平衡是不存在的,实际的三相系统总是存在不同程度的不平衡现象。电网希望用户负载的三相电流越平衡越好,否则三相不平衡电流会导致变压器容量浪费、中性线电流过大;电网希望用户负载的无功电流越小越好,否则无功在电网与负载间来回循环,导致电能浪费;电网希望用户负载的谐波电流越小越好,否则谐波会导致电网电压、电流失真,引起设备工作异常;用户希望电网提供的电压幅值越稳定越好,否则过高或过低的电压都会导致设备保护甚至损坏。
2、三相不平衡的概念
       事故性不平衡:由于三相系统中某一相(或两相)出现故障所致,例如一相或两相断线,或者单相接地故障等。这种状况是系统运行所不允许的,一定要在短期内切除故障使系统恢复正常。 
正常性不平衡:由于系统三相元件或负荷不对称引起的。作为电能质量指标之一的“三相电压允许不平衡度”是针对正常不平衡运行工况而定的。

3、三相不平衡的国家标准及规定
  国家标准
   电压不平衡度的允许值 
      GB/T 15543-1995规定,电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%,短时不得超过4%。这是基于对重要用电设备(旋转电机)标准、电网电压不平衡度的实况调查、国外同类标准及电磁兼容标准进行全面分析后选取的。 
      GB755-1981《电机基本技术要求》中规定,同步电机连续运行的I2/IN最大值为0.08-0.10,而旋转电机的负序阻抗约为0.14-0.45,如机端不平衡度为2%,则相应的电流不平衡度为0.044-0.14,即有可能超过该电机的负序电流长期承受能力。但将机端作为公共连接点,只有极少量的直配供电网。实际旋转电机与公共连接点之间一般有线路及变压器的阻抗。只要这些元件的折合阻抗能达到0.1以上,则相应的负序电流有望降至额定电流的8%以下。当然,旋转电机负序承受能力和电机本身承载状况也有关系。如电机不满载,自然可以负担更多的负序电流。
国家规定
      对于出口电流不平衡度超过15%,负载率大于60%通过管理措施难以调整的配变台区,需加装三相不平衡自动调节装置。
      对于低压谐波、电压闪变、无功补偿容量不足等多种因素导致的“低电压”问题,需加装低电压无功发生器(SVG)。
规定了电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%,同时规定了短时的不平衡度不得超过4%。对接入公共连接点的每个用户引起该点正常压不平衡的允许值一般为1.3%。
二、三相不平衡的危害
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,因存在阴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。
在生产、生活用电中,三相负载不平衡不平衡时,使变压器处于不对称运行状态。造成变压器的损耗增大(包括空载损耗和负载损耗)。根据变压器运行规程规定,在运行中的变压器中性线电流不得超过变压器低压侧额定电流的25%。此外,三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大,局部金属件升温增高,甚至会导致变压器烧毁。
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,零序电流的存在也增加配变的损耗。
5、影响用电设备的安全运行
      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。因而使中性线产生阴抗压降,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设备烧坏,而电压你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。
三相电压不平衡的发生将导致达到数倍电流不平衡的发生,诱导电动机逆扭矩增加,从而使电动机的温度上升,效率下降,能耗增加,发生震动,输出亏耗等影响。各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短,加速设备部件更换频率,增加设备维护的成本。断路器允许电流的余量减少,当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象。中性线中流入过大的不平衡电流,导致中性线增粗。
三、三相不平衡的原因
1、配电变压器三相不平衡的原因
      电网的电都是三相的,但是一般民用负载都是单相的,还存在电焊等两相负载,电焊设备是接在两相之间,依靠瞬间短路产生极大电流融化金属,因为负载是两相的,导致电网侧三相电流中一相没有电流,因此也会出现不平衡的情况。
      一般在配电时会有意让单相负载均匀地分配在三相上,比如三层大楼,一楼全接A相,二楼全接B相,三楼全接C相,这样实现一个大体的三相平衡。以上的前提是居民还是建立在稳定居住的情况下,而个别农村存在春节期间和春节过后的居民流动性的问题。这样的时候,人工已平均分配各相使用的平衡度,由于在居民在年底回家过年和春节外出返工两个节点都会引起三相不平衡。
不平衡会导致变压器容量浪费,N线电流增大,中性点偏移等等情况,因此需要治理。
2、参数计算
      我们知道,配电变压器三相负荷不平衡率的计算公式是:
三相负荷不平衡率=(最大相负负荷 - 最小相负荷)/最大相负荷*100%
(国家规定的配电三相负荷不平衡率的标准是不大于15%,中性线电流不大于变压器额定电流的25%)。

不平衡的表达式为:

不平衡的精确计算式为:


3、调节可性行分析
治理三相不平衡的原理
      三相不平衡治理设备开启后,通过外接电流互感器(CT)实时检测系统电流,并将系统电流信息发送给内部控制器进行处理分析,以判断系统是否处于不平衡状态,同时计算出达到平衡状态时各相所需转换的电流值,然后将信号发送给内部 IGBT 并驱动其动作,将不平衡电流从电流大的相转移到电流小的相,最后达到三相平衡状态。 如下图所示:


治理三相不平衡的效果
      1、避免中线发热老化,甚至火灾的风险
      2、避免因局部电压不平衡,引起的设备误报警
      3、避免零地电压偏高导致控制系统弱电设施烧毁的风险



治理不平衡的规格


图3  不平衡治理规格
如上图,有一个90A的单相负载,则三相不平衡治理后,电流的分布为:
      1、对于三相电网电流,输出ABC分别均为30A,N线电流为0,达到三相完全平衡
      2、对于单相负载,C相电流输入90A,N线输出90A
      3、对于不平衡治理设备,A相B相流入30A,C相输出60A,N线流入90A。
     这样,就保证了即使在单相负载的情况下,三相不平衡治理设备也可以令三相电网电流保持完全平衡。
      原先不平衡电流都通过N线流入电网,现在在负载侧的不平衡电流仍然存在,不过全部都流入三相不平衡治理设备中了。
治理无功
      减少用户自身电费开支,功率因数达到国家标准,避免功率因数低导致的力率电费罚款减少线路损耗,减少电压降落提高变压器、发电机的实际使用容量。   


总结--可性行分析解决三相不平衡的措施
      1、将不对称负荷合理分布于三相中,使各相负荷尽可能平衡;
      2、将不对称负荷分散于不同的供电点,减少集中连接造成的不平衡度过大;
      3、将不对称负荷接入高一级电压供电。电压等级越高,系统短路容量也越大,不对称负荷在系统总负荷中所占比例就越小,电压三相不平衡度也随之减小。对于单相负荷,系统短路容量只要大于负荷容量的50倍,就能保证连接点的电压三相不平衡度小于2%;
      4、将不对称负荷采用单独的变压器供电;
      5、采用特殊接线的平衡变压器供电。平衡变压器是一种用于三相――两相并兼有降压及换相两种功能的特殊变压器。使用它供电可以提高电能质量,减小电能损耗,当前多用于对电气化铁路和大型感应加热炉的供电
      6、加装三相电流平衡装置
总结:
     就以上6种方式进行讨论,前面5种的方案不管从资金投入、人工管理难度性及可行性分析,都不可能做到全面性。
     而第6种方案,加装三相电流平衡装置通过以上文中分析,是最有效益、最为理想和最全面的解决方案。
四、铺头1#公变三相不平衡调节
1、基本参数
      铺头1#公变的具体参数信息


产品结构图

产品二次接线图


2、调节装置计算容量设计
      根据铺头1#公变的基本信息描述,变电压额定容量为100KVA,相对应的低压侧额定电流为144A。依此信息设计配置产品为三相

不平衡调节装置容量为100kvar,装置100kvar按I=100/U/1.732=144A,完全可以满足此铺头1#公变的调节优化使用,并有余量用

于优化电能质量。

4、安装过程
初检
在安装调节装置前,首先应进行如下检查:
      1.目检调节装置外部和内部是否存在运输损坏。如有损坏,请立即通报承运商。
      2.核对产品标签,确认设备的正确性。设备外壳贴有铭牌、眉头,标明了调节装置型号、容量及主要参数。
选位
      调节装置安装位置
      调节装置应安装在清洁的环境中,并且应通风良好,以保证环境温度满足产品规格要求。
      调节装置由内部风扇提供强制风冷,冷风通过调节装置机柜前面的风栅进入调节装置内部,并通过调节装置后部的风栅排出热风。

请勿阻塞通风孔。
      调节装置可选择机架安装方式、平面安装方式及壁挂式安装方式。为了方便日常运行时对调节装置进行维护,除满足当地规定外,

调节装置进线端应保留足够空间,以方便维护人员进行线缆的接入

注意!

如果安装方式为壁挂模式,在模块的上下出口至少要预留150mm的进出风空间

如果安装方式为机柜模式,在机柜的前后出口至少要预留600mm的进出风空间以及后方维护空间

如有必要,应安装室内排气扇,以避免室温增高

安装环境
为了延长使用寿命,调节装置位置的选择应保证:
      1.接线方便
      2.有足够的操作空间
      3.通风良好,以满足散热要求
      4.周围无腐蚀性气体
      5.无过湿和高温源
      6.非多尘环境
      7.符合消防要求
调节装置机箱进线端有电力端子和CT输入接线端子。调节装置整机前面板有主触摸屏,用于集中操作和显示运行状态。
装置的搬运

注意!

由于单个调节装置模块重量为30kg-50kg,在短距离内推荐由两个人共同搬运,如果要长距离搬运,需要借助一定的运输设备来完成。

功率电缆的选材
      三相四线调节装置至负载的中线电缆视补偿谐波情况,因为三次以及三的倍数次谐波都流经中线,所以要求中线电缆规格是进线电缆的2倍左右(否则中线可能会发热导致危险)。
      各电流等级下的调节装置进线电缆如下表:

                          表4.7  电缆规格

装置额定电流

50A

100A

150A

200A

250A

300A

350A

铜电缆(mm2)

16

35

50

95

120

150

185

铝电缆(mm2)

 

 

 

 

 

 


安装后上电调试

   根据用户手册完成一线的接线和外部采样CT的接线后,确认完成无误后,下一步上电调试及可完成整个安装过程。








治理效果
未开机运行治理

注:三相负荷不平衡率=(最大相负负荷 - 最小相负荷)/最大相负荷*100%




开机运行治理后

    注:三相负荷不平衡率=(最大相负负荷 - 最小相负荷)/最大相负荷*100%


   

     安装地点:铺头1#公交
该处变压器为公变,变压器为100KVA,用户主要为当地居民自建住房,用途主要以餐饮、自住为主。负荷主要为单相照明、空调、取暖

设备为主。三相负荷不平衡现象比较严重,会对变压器长期稳定运行存在较大隐患。
1、三相负荷不平衡可能造成烧毁变压器的严重后果: 
     不平衡时重负荷相电流过大,超载过多,可能造成绕组和变压器油的过热。绕组过热,绝缘老化加快;变压器油过热,引起油质劣化,

迅速降低变压器的绝缘性能,减少变压器寿命(温度每升高8℃,使用年限将减少一半),甚至烧毁绕组。 
2、三相负荷不平衡运行会造成变压器零序电流过大,局部金属件温升增高: 
  在三相负荷不平衡运行下的变压器,必然会产生零序电流,而变压器内部零序电流的存在,会在铁芯中产生零序磁通,这些零序磁通就

会在变压器的油箱壁或其他金属构件中构成回路。但配电变压器设计时不考虑这些金属构件为导磁部件,则由此引起的磁滞和涡流损耗使

这些部件发热,致使变压器局部金属件温度异常升高,严重时将导致变压器运行事故。

实测数据

 

A相电流(A

B相电流(A

C相电流(A

A相功率因数

B相功率因数

C相功率因数

安装前

40.2

70.5

54.9

0.96

0.98

0.96

安装后

53.5

53.2

54.3

1.00

1.00

1.00

安装前三相负荷不平衡度为:
(70.5-40.2)/70.5=43%
安装后三相负荷不平衡度为:
(54.3-53.2)/54.3=2%
结论:
装置投运后对于负载并不大的情况三相不平衡有明显质的改善,随着负载加大效果更为明显。并且无功补偿功率因数提升,变压器损耗降低,运行稳定,功耗低,效果明显。


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