中性點(diǎn)接地系統(tǒng)三相負(fù)載綜合補(bǔ)償

1、中性點(diǎn)接地系統(tǒng)三相負(fù)載綜合補(bǔ)償遷安彭志強(qiáng)供電部門和用電單位都希望電力系統(tǒng)能穩(wěn)定安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，但是由于三相負(fù) 載的不平衡和三相負(fù)載無功的存在，如果不想辦法解決這一問題，就不好達(dá)到這一 目的。三相負(fù)載不平衡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大危害1（增加線路的電能損耗。在三相四線制供電網(wǎng)絡(luò)中，電流通過線路導(dǎo)線時(shí)，因 存在阻抗必將產(chǎn)生電能損耗，其損耗與通過電流的平方成正比。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)以三相 四線制供電時(shí)，由于有單相負(fù)載存在，造成三相負(fù)載不平衡在所難免。當(dāng)三相負(fù)載 不平衡運(yùn)行時(shí)，中性線即有電流通過。這樣不但相線有損耗，而且中性線也產(chǎn)生損 耗，從而增加了電網(wǎng)線路的損耗。2（增加配電變壓器的電能損耗。配電變壓器是低壓電網(wǎng)的供

2、電主設(shè)備，當(dāng)其在 三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行時(shí)，將會(huì)造成配變損耗的增加。因?yàn)榕渥兊墓β蕮p耗是 隨負(fù)載的不平衡度而變化的。3（配變出力減少。配變設(shè)計(jì)時(shí)，其繞組結(jié)構(gòu)是按負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的，具 繞組性能基本一致，各相額定容量相等。配變的最大允許出力要受到每相額定容量的限制。假如當(dāng)配變處于三相負(fù) 載不平衡工況下運(yùn)行，負(fù)載輕的一相就有富余容量，從而使配變的出力減少。其出 力減少程度與三相負(fù)載的不平衡度有關(guān)。三相負(fù)載不平衡越大，配變出力減少越 多。為此，配變在三相負(fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，其輸出的容量就無法達(dá)到額定值，具備 用容量亦相應(yīng)減少，過載能力也降低。假如配變在過載工況下運(yùn)行，即極易引發(fā)配 變發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)

3、甚至?xí)斐膳渥儫龘p。4（配變產(chǎn)生零序電流。配變在三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行，將產(chǎn)生零序電流， 該電流將隨三相負(fù)載不平衡的程度而變化，不平衡度越大，則零序電流也越大。運(yùn) 行中的配變?nèi)舸嬖诹阈螂娏鳎瑒t其鐵芯中將產(chǎn)生零序磁通。（高壓側(cè)沒有零序電流）這迫使零序磁通只能以油箱壁及鋼構(gòu)件作為通道通過，而鋼構(gòu)件的導(dǎo)磁率較低，零 序電流通過鋼構(gòu)件時(shí)，即要產(chǎn)生磁滯和渦流損耗，從而使配變的鋼構(gòu)件局部溫度升 高發(fā)熱。配變的繞組絕緣因過熱而加快老化，導(dǎo)致設(shè)備壽命降低。同時(shí)，零序電流 的存在也會(huì)增加配變的損耗。5（影響用電設(shè)備的安全運(yùn)行。配變是根據(jù)三相負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的，具每 相繞組的電阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。當(dāng)

4、配變在三相負(fù)載平衡時(shí)運(yùn)行，其三相 電流基本相等，配變內(nèi)部每相壓降也基本相同，則配變輸出的三相電壓也是平衡 的。假如配變在三相負(fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，其各相輸出電流就不相等，其配變內(nèi)部三 相壓降就不相等，這必將導(dǎo)致配變輸出電壓三相不平衡。同時(shí)，配變在三相負(fù)載不 平衡時(shí)運(yùn)行，三相輸出電流不一樣，而中性線就會(huì)有電流通過。因而使中性線產(chǎn)生 阻抗壓降，從而導(dǎo)致中性點(diǎn)漂移，致使各相相電壓發(fā)生變化。負(fù)載重的一相電壓降 低，而負(fù)載輕的一相電壓升高。在電壓不平衡狀況下供電，即容易造成電壓高的一 相接帶的用戶用電設(shè)備燒壞，而電壓低的一相接帶的用戶用電設(shè)備則可能無法使 用。所以三相負(fù)載不平衡運(yùn)行時(shí)，將嚴(yán)重危及用電設(shè)備的安

5、全運(yùn)行。6（電動(dòng)機(jī)效率降低。配變在三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行，將引起輸出電壓三相 不平衡。由于不平衡電壓存在著正序、負(fù)序、零序三個(gè)電壓分量，當(dāng)這種不平衡的 電壓輸入電動(dòng)機(jī)后，負(fù)序電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與正序電壓產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相反，起到 制動(dòng)作用。但由于正序磁場比負(fù)序磁場要強(qiáng)得多，電動(dòng)機(jī)仍按正序磁場方向轉(zhuǎn)動(dòng)。而由于負(fù)序磁場的制動(dòng)作用，必將引起電動(dòng)機(jī)輸出功率減少，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫升和無功損耗，也將隨三相電壓的不平衡度而增大。所以電動(dòng)機(jī)在三相電壓不平衡時(shí)所需無功必須進(jìn)行補(bǔ)償電力系統(tǒng)中的無功必須進(jìn)行補(bǔ)償電力系統(tǒng)中常見的用電設(shè)備如異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷， 在運(yùn)行過程中需

6、要向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。如果由發(fā)電企業(yè)直接向用戶提 供所需的大量無功功率，會(huì)導(dǎo)致輸電線路及變壓器因輸送大量無功功率而造成大量 的電能損耗，這是不經(jīng)濟(jì)的。為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗，提高輸配 電設(shè)備的效率，必須進(jìn)行無功補(bǔ)償。對三相負(fù)載所做的三相電容自動(dòng)補(bǔ)償三相電容自動(dòng)補(bǔ)償，適用于三相負(fù)載平衡的供配電系統(tǒng)。因?yàn)槿嗷芈分袩o功電流相同，所以在補(bǔ)償時(shí)，調(diào)節(jié) 補(bǔ)償無功功率參數(shù)的信號取自三相中的任意一相，根據(jù)檢 測結(jié)果三相同時(shí)投切，保證了三相電壓的質(zhì)量，當(dāng)三相負(fù) 載不平衡時(shí)，各相流過的無功電流不相等，負(fù)載不平衡度 越大，誤差也越大，由于調(diào)節(jié)補(bǔ)償無功功率參數(shù)的信號誤 差，造成非檢測的兩相要

7、么過補(bǔ)償，要么欠補(bǔ)償，如果過 補(bǔ)償，則過補(bǔ)償相的電壓升高，造成在線的控制元件、保 護(hù)元件及過電壓敏感的用電設(shè)備因過電壓而損壞 ；如果欠 補(bǔ)償，則欠補(bǔ)償相的回路電流增大，線路及斷路器等設(shè)備 由于電流的增加發(fā)熱就會(huì)被燒壞。在我國的城鄉(xiāng)配電網(wǎng)中，主要采用三相四線制的配電方式，配電變壓器為Y/YN0接線方式。理想情況下，三相負(fù)荷為平衡配置變壓器對稱運(yùn)行。但實(shí)際上由于在用戶端存在著大量的單相負(fù)荷，而且用電不具同時(shí)性，因此必然使配電變壓器處于絕對不對稱運(yùn)行狀態(tài)。而配電變壓器的不對稱運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)序電流和零序電流，這些負(fù)序電流和零序 電流會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng)，大大增加電網(wǎng)的功率損耗，降低變壓器的出力，威脅配

8、電網(wǎng) 的安全運(yùn)行，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。如負(fù)序電流會(huì)使電能計(jì)量精度大幅下降，給供電 部門造成經(jīng)濟(jì)損失；負(fù)序電流還會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的出力并使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱從而減少使用 壽命，給用戶造成損失。負(fù)序電流和零序電流 （中線電流）的增大，會(huì)使變壓器的銅 損和鐵損增大，極端情況下銅損可比正常多 6倍零序電流嚴(yán)重時(shí)零序磁通會(huì)使變 壓器過熱，甚至燒斷中線和燒毀開關(guān)，嚴(yán)重威脅變壓器的安全運(yùn)行；同時(shí)零序電流會(huì)造成中性點(diǎn)電壓偏移，使負(fù)荷大的相電壓降低，負(fù)荷小的相電壓升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì) 燒毀用戶的用電器。所以，國標(biāo) GB50052-95供配電設(shè)計(jì)規(guī)范、變壓器運(yùn)行 規(guī)程中都規(guī)定了 Y/Y no接線的配電變壓器運(yùn)行時(shí)中線電流不能超過變壓

9、器額定 電流的25%三相電流的不平衡度小于15%目前市場上補(bǔ)償效果最好的分相無功補(bǔ)償裝置對負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，也只能將系統(tǒng) 中的無功電流部分補(bǔ)掉，而對于不對稱的有功電流部分卻無能為力，有時(shí)無功補(bǔ)償 后卻使電流的不平衡度有可能更大。以上我們闡述了中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，三相負(fù)載不平衡時(shí)，產(chǎn)生的危害，也說明了 三相電容自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膯栴}的缺欠，我們立足找到不僅可以對三相負(fù)荷的無功功率自 動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，而且還具有針對三相負(fù)荷有功功率的不對稱狀況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，將三 相負(fù)荷有功功率調(diào)整至對稱或基本對稱（達(dá)到國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)）的新途徑。從而 解決經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全運(yùn)行的問題。這就是中性點(diǎn)接地系統(tǒng)三相負(fù)載綜合補(bǔ)償?shù)膯栴} 的提出。

10、利用王氏定理就很容易理解采用電容無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，也可以調(diào)整不平衡有功 電流的工作原理王氏定理又稱為wangs定理，王氏定理由沈陽萬思電力技術(shù)研究所總工程師王家強(qiáng)先生所發(fā)現(xiàn)。王氏定理包括三項(xiàng)內(nèi)容，因此又稱為王氏三定理或?yàn)閃ang匚定理。Wangs理1:在兩相間跨接電阻可以在兩相間轉(zhuǎn)移無功。下面結(jié)合圖1進(jìn)行說明。 th tar JI lil t Jw/ It/ N、Irh在圖1中兩相間跨接電阻，可以在兩相間轉(zhuǎn)移無功圖1中的電阻R跨接在A相與B相之間，電阻R兩端為線電壓。從A相看，電 阻的電流為Ira , Ira與線電壓Uab同相位，超前A相電壓Ua 30?, Ira可以分解 成兩部分，一部分為超前

11、 Ua 90?的容性電流Iac, 一部分為與Ua方向相同的有功 電流Iar o從B相看，電阻的電流為Mb , Irb與線電壓Uba同相位，滯后B相電 壓Ub 30?, Irb可以分解成兩分，一部分為滯后 Ub 90?的感性電流IbL , 一部分為 與Ub方向相同的有功電流Ibr。因而可以確定電阻R將A相的一部分無功轉(zhuǎn)移到 了 B相，于是A相的無功減少變成容性，B相的無功增加變成感性。因此我們可以說，在A相與B相之間跨接電阻，不但在 A相與B相出現(xiàn)有功電流，而且可以將 一部分無功電流從A相轉(zhuǎn)移到B相。Wangs理2:在兩相間跨接電感或者電容可以在兩相間轉(zhuǎn)移有功。下面結(jié)合圖2說明電容可以在兩相間轉(zhuǎn)

12、移有功。圖2:兩相間跨接電容可以在兩相間轉(zhuǎn)移有功圖2中的電容C跨接在A相與B相之間，電容C兩端為線電壓。從A相看，電 容C的電流Ica超前線電壓Uab 90?, Ica可以分解成兩部分，一部分為超前 Ua 90?的容性電流Iac, 一部分為與Ua方向相反的有功電流Iar ,意味著A相的有功 電流減少。從B相看，電容C的電流Icb超前線電壓Uba 90?, Icb可以分解成兩 部分，一部分為超前Ub 90?的容性電流Ibc, 一部分為與Ub方向相同的有功電流 Ibr ,意味著B相的有功電流增加。因此我們可以說，在A相與B相之間跨接電容，不但在 A相與B相出現(xiàn)容性無 功電流，而且可以將一部分有功電

13、流從 A相轉(zhuǎn)移到B相。下面結(jié)合圖3說明電感可以在兩相間轉(zhuǎn)移有功。UrVbIM圖3兩相間跨接電感可以在兩相間轉(zhuǎn)移有功圖3中的電感L跨接在A相與B相之間，電感L兩端為線電壓。從A相看，電感L的電流ILa滯后線電壓Uab 90?, ILa可以分解成兩部分，一部分為滯后 Ua 90?的感性電流IaL, 一部分為與Ua方向相同的有功電流Iar ,意味著A相的有功 電流增加。從B相看，電感L的電流ILb滯后線電壓Uba 90?, ILb可以分解成兩 部分，一部分為滯后Ub 90?的感性電流IbL, 一部分為與Ub方向相反的有功電流 Ibr ,意味著B相的有功電流減少。因此我們可以說，在A相與B相之間跨接電

14、感，不但在 A相與B相出現(xiàn)感性無 功電流，而且可以將一部分有功電流從 B相轉(zhuǎn)移到A相。Wangsst理3:在三相四線的系統(tǒng)中，恰當(dāng)?shù)倪x擇兩個(gè)元件的值 （元件可以是電 阻、電容、電感或他們的組合），并將這兩個(gè)元件恰當(dāng)?shù)慕釉诓煌南嗑€對零線之 問，即可以抵消零線電流。證明這個(gè)定理首先要了解平面向量基本定理：如果E1, E2是同一平面內(nèi)的兩個(gè)不共線向量，那么對于這一平面內(nèi)的任一向量X,有且只有一對實(shí)數(shù) A1, A2 X= A1 E1+ A2 E2.說的簡化一點(diǎn)：可以選擇同一平面內(nèi)的任何兩個(gè)不平行的向量作為基準(zhǔn)向量，調(diào)節(jié)這兩個(gè)基準(zhǔn)向量的值，就可以合成這個(gè)平面內(nèi)的任何一個(gè)向量。平面向量基本定理中基準(zhǔn)向量

15、的 A1, A2的值可正可負(fù)，如果規(guī)定向量的 A1,A2的值只能為正,則可以導(dǎo)出以下平面向量局部定理 ：局部定理1:如果A1, A2的值只能為正，則 A1 E1+ A2 E2.只能合成在E1, E2之間小于180?夾角范圍內(nèi)的向量。同樣的方法，我們可以導(dǎo)出另外三個(gè)局部定理，分別是 A1為正A2為負(fù)，A1為 負(fù)A2為正，A1為負(fù)A2為負(fù)時(shí)的局部定理，這四個(gè)局部定理加在一起就組成了平 面向量基本定理。下面我們來證明WangsE理3:不論負(fù)荷是什么情況，零線電流就是角度為0360度之間的一個(gè)向量，要抵消零線電流就需要一個(gè)與其大小相等方向相反的向量。設(shè)A相電壓向量為0度方向，B相電壓向量為120度方向

16、，C相電壓向量為240 度方向。在使用兩個(gè)電阻的情況下，如果將電阻 1接在A相與零線之間電阻2接在B相 與零線之間，由于電阻的電流與電壓同相，因此電阻 1產(chǎn)生0度方向的電流向量， 電阻2產(chǎn)生120度方向的電流向量，根據(jù)平面向量局部定理 1:選擇這兩個(gè)電阻的 阻值，則可以合成0120度方向的任何電流向量，因此可以用來抵消180300度方向的零線電流。如果將電阻1接在B相與零線之間電阻2接在C相與零線之間， 則選擇這兩個(gè)電阻的阻值可以合成 120 240度方向的任何電流向量，因此可以用 來抵消30060度方向的零線電流。如果將電阻1接在C相與零線之間電阻2接在 A相與零線之間，則選擇這兩個(gè)電阻的阻

17、值可以合成240 0度方向的任何電流向量，因此可以用來抵消60-180度方向的零線電流。因此證明：恰當(dāng)?shù)倪x擇兩個(gè)電 阻的值，并將這兩個(gè)電阻恰當(dāng)?shù)慕釉诓煌南嗑€對零線之間，即可以抵消零線電 流。在使用兩個(gè)電容的情況下，如果將電容 1接在A相與零線之間電容2接在B相 與零線之間，由于電容的電流超前電壓 90度，因此電容1產(chǎn)生270度方向的電流 向量，電容2產(chǎn)生30度方向的電流向量，根據(jù)平面向量局部定理 1:選擇這兩個(gè)電 容的容量，則可以合成27030度方向的任何電流向量，因此可以用來抵消 90- 210度方向的零線電流。如果將電容1接在B相與零線之間電容2接在C相與零線 之間，則選擇這兩個(gè)電容的容

18、量可以合成 30150度方向的任何電流向量，因此可以用來抵消210 330度方向的零線電流。如果將電容1接在C 相與零線之間電容2接在A相與零線之間，則選擇這兩個(gè)電容的容量可以合成 150 270度方向的任何電流向量，因此可以用來抵消330 90度方向的零線電流。因此證明：恰當(dāng)?shù)倪x擇兩個(gè)電容的容量，并將這兩個(gè)電容恰當(dāng)?shù)慕釉诓煌南?線對零線之間，即可以抵消零線電流。以上利用王氏定理就可以理解無功補(bǔ)償裝置可以調(diào)整不平衡有功電流的工作原 理，既可使不平衡負(fù)載平衡化，達(dá)到負(fù)載基本平衡的目的。業(yè)內(nèi)專家從不同角度論述了這一問題。燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院吳杰先生對中性 點(diǎn)接地的三相不對稱負(fù)荷的平衡化補(bǔ)償理論做

19、了深入的探討，首先用零序補(bǔ)償電納網(wǎng)絡(luò)將零序電流補(bǔ)償為零；然后用平衡補(bǔ)償電納網(wǎng)絡(luò)將中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的不對稱負(fù) 載補(bǔ)償成三相電流完全對稱且功率因數(shù)等于 1的負(fù)荷。提出的補(bǔ)償公式已經(jīng)實(shí)際工 程的驗(yàn)證，為中性點(diǎn)接地系統(tǒng)不對稱負(fù)載的平衡化補(bǔ)償打下了理論基礎(chǔ)。華南理工 大學(xué)電子與信息學(xué)院李心廣老師關(guān)于電網(wǎng)的無功及三相不平衡綜合補(bǔ)償研究中，論 述了；電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償不足會(huì)引起功率因數(shù)下降，而三相功率不平衡則會(huì)影 響到用電設(shè)備的安全。此問題在不十分嚴(yán)重的情況下未引起人們足夠的重視?；?無功補(bǔ)償?shù)脑恚岢隽艘环N新的綜合補(bǔ)償方法，在用它補(bǔ)償無功功率的同時(shí)，三相不平衡也得到了改善。仿真結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行 表明，此方法是有效的。理論確定之后，我們 從無功及三相不平衡綜合補(bǔ)償原理知，要實(shí)施綜合補(bǔ)償 必須測試電網(wǎng)的線電流及相角參數(shù)，然后算出補(bǔ)償容量。由于電網(wǎng)中的不平衡一般 由感性負(fù)載引起，因此可通過電容來實(shí)施平衡補(bǔ)償。進(jìn)行綜合補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)，補(bǔ)償 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖。參數(shù)檢測電路主要完成三相電流及相角的檢測，。計(jì)算機(jī)可為工控 機(jī)或單