李想 李曉飛 李春華 袁彥

摘要：文章通過矢量分析的方法，說明了相間跨接電容器“不但能夠提供容性電流，同時還能夠在相間轉(zhuǎn)移部分有功電流”;闡述了用相間跨接電容器來平衡三相負(fù)荷電流的原理，提出了采用“共補(bǔ)+分補(bǔ)+跨補(bǔ)”的電容器混合補(bǔ)償裝置，解決了低壓配網(wǎng)的三相電流不平衡問題和無功就地平衡問題，同時具有降低網(wǎng)耗、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的良好效果。

關(guān)鍵詞：低電壓;三相不平衡電流;無功補(bǔ)償;混合補(bǔ)償;補(bǔ)償裝置 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2016）04-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.024

1 應(yīng)用背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)用電負(fù)荷不斷攀升，對電網(wǎng)硬件裝備及技術(shù)水平要求逐步提升，但目前部分地區(qū)配電網(wǎng)架建設(shè)處于嚴(yán)重的滯后狀態(tài)，造成380/220V低壓供電線路電壓明顯偏低。尤其是農(nóng)村地區(qū)及邊遠(yuǎn)地區(qū)，由于供電半徑過長及低壓供電線路線徑偏小等原因，“低電壓”現(xiàn)象普遍存在，已經(jīng)嚴(yán)重影響了廣大民眾正常的生產(chǎn)活動和生活質(zhì)量?！暗碗妷骸爆F(xiàn)象的根本原因在于電網(wǎng)供電能力不足，其治理的方向可以從兩個方面入手：（1）進(jìn)行電網(wǎng)改造和擴(kuò)容，采取增建或擴(kuò)建變電站、增大配變?nèi)萘?、拆分配變臺區(qū)、縮短供電半徑、改造低壓線路、增大低壓線徑等手段，以直接提升電網(wǎng)的供電能力;（2）采取技術(shù)措施，提升電網(wǎng)的無功功率就地平衡能力、線路的局部電壓調(diào)節(jié)能力和三相電流的平衡度，以間接提升電網(wǎng)的供電能力。本文介紹的“三相不平衡電流補(bǔ)償裝置”（以下簡稱“本裝置”），是基于就地平衡配變負(fù)荷側(cè)無功功率和調(diào)節(jié)配變負(fù)荷側(cè)三相不平衡電流的方法來提升配變的帶負(fù)荷能力，提高380/220V低壓供電線路電壓的合格率，解決用戶側(cè)的“低電壓”問題，同時具有降低網(wǎng)耗、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的良好效果。

2 進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)脑?/p>

電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，電源供給的無功功率是用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場，進(jìn)行能量交換的。無功功率的存在為能量的輸送和轉(zhuǎn)換創(chuàng)造了必須的條件。沒有無功功率，變壓器就不能變壓和輸送電能，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場也不能建立，電動機(jī)就無法旋轉(zhuǎn)做工。

在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)是唯一的有功電源，也是基本的無功電源。如果系統(tǒng)只依靠發(fā)電機(jī)來提供無功功率，則會由于無功功率不斷來回交換而引起發(fā)電、輸電及供配電設(shè)備上的電壓損耗及功率損失。而發(fā)電機(jī)發(fā)出的所有功率等于有功功率與無功功率的矢量和，若提高無功功率的輸出，則必然會降低有功功率的輸出，這種運(yùn)行方式也是很不經(jīng)濟(jì)的。

電力系統(tǒng)中由于各種變壓器、電動機(jī)等感性無功負(fù)荷離發(fā)電機(jī)距離較遠(yuǎn)，無功功率不斷在這些點(diǎn)之間來回進(jìn)行流動，會導(dǎo)致線損增大，同時還會增加發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備和導(dǎo)線的容量要求，導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)建設(shè)投資加大。

在正常運(yùn)行方式下，發(fā)電機(jī)可提供的無功功率是很有限的，而對于整個電力系統(tǒng)來說，對無功功率的需求是很大的。當(dāng)無功功率不足時，會使線路及變壓器的電壓壓降增大。電壓壓降的增大會導(dǎo)致線路末端電壓不足，對許多設(shè)備的使用產(chǎn)生不良影響。若電壓跌落過多，電動機(jī)可能停止運(yùn)轉(zhuǎn)或者無法啟動。電壓降低的同時，電動機(jī)電流將顯著增大，繞組溫度升高，嚴(yán)重情況下會造成電動機(jī)燒毀。系統(tǒng)中如果接有沖擊性無功功率負(fù)載，如電弧爐、軋鋼機(jī)等設(shè)備時，會頻繁地產(chǎn)生無功功率沖擊，造成電壓劇烈波動，甚至造成同一電網(wǎng)上的其他用戶無法正常工作，因此，必須保證接入無功容量的穩(wěn)定。

3 應(yīng)用范圍

本裝置可應(yīng)用于三相四線制的低壓配電系統(tǒng)中，作為調(diào)節(jié)三相不平衡電流和補(bǔ)償功率因數(shù)之用。

4 技術(shù)指標(biāo)

4.1 對三相不平衡度的要求

按照《電能質(zhì)量：三相電壓允許不平衡度》（GB/T 15543-1995）規(guī)定，電網(wǎng)正常運(yùn)行時，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%;接于公共連接點(diǎn)的每個用戶引起該點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。

4.2 對功率因數(shù)的要求

按照《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》（GB 50227-2008）規(guī)定：在最大負(fù)荷時，功率因數(shù)不應(yīng)低于0.95;在低谷負(fù)荷時，功率因數(shù)不應(yīng)高于0.95。

4.3 本裝置的補(bǔ)償效果

應(yīng)用本裝置后三相電流不平衡度可控制在10%以下，三相的功率因數(shù)均可保持在0.95左右。

5 接線方式

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，電力系統(tǒng)中所接入的電氣負(fù)荷基本上以感性負(fù)荷為主，所以在進(jìn)行無功補(bǔ)償時，以補(bǔ)償容性無功為主。

在接線方式方面，由于低壓電器基本以三相平衡負(fù)荷和單相負(fù)荷為主，所以無功補(bǔ)償裝置亦分為三相平衡補(bǔ)償和單相分相補(bǔ)償，其對應(yīng)的電容器接線方式為：△形三相平衡接線和Y形相對地接線。

由于單相負(fù)荷在三個相線上功率分配的不均勻性和運(yùn)行的不同時性，造成三相電流的不平衡和各相功率因數(shù)的不一致，所以需要采用相間補(bǔ)償?shù)姆椒?，即將電容器跨接在兩個相線之間，以平衡三相電流。

綜上所述，本裝置采用了“三相共補(bǔ)+分相補(bǔ)償+相間補(bǔ)償”的接線方式。

6 工作原理

6.1 無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?/p>

由于容性電流超前于電壓90°，感性電流滯后于電壓90°，所以電容電流與電感電流是反向的。當(dāng)電容與電感并聯(lián)時，電場能與磁場能可以相互轉(zhuǎn)換，無需再向電網(wǎng)索取無功電能，因此實(shí)現(xiàn)了無功功率的就地平衡，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低了電網(wǎng)的輸出電流，提升了線路的末端電壓。

6.2 相間電容轉(zhuǎn)移有功電流的矢量分析

跨接在兩相之間的電容器，不但能夠提供容性電流，同時還可以轉(zhuǎn)移一部分有功電流。

將電容器跨接在A、B相之間時，可知：在A相端的電容器電流Ica可分解成相對于A相而言的容性無功電流Iac和阻性有功電流Iar，并使A相的有功電流減小;在B相端的電容器電流Icb可分解成相對于B相而言的容性無功電流Ibc和阻性有功電流Ibr，并使B相的有功電流增大。

由此可知，跨接在兩個相線之間的電容器，具有轉(zhuǎn)移有功電流的能力。

三相電流不平衡時，若采用相間跨接電容器補(bǔ)償，則可轉(zhuǎn)移有功功率并平衡三相電流，同時提高各相的功率因數(shù)。應(yīng)用本裝置后三相電流不平衡度可控制在10%以下，三相的功率因數(shù)均可達(dá)到0.95。

7 裝置結(jié)構(gòu)

本裝置采用了“三相共補(bǔ)+分相補(bǔ)償+相間補(bǔ)償”的混合補(bǔ)償方式，具有“無功就地平衡”和“三相電流平衡”的雙重功效。本裝置由微機(jī)控制器、過零投切專用復(fù)合開關(guān)、單相電容器、三相電容器（必要時應(yīng)串聯(lián)電抗器）以及操控指示保護(hù)單元等構(gòu)成，并自成獨(dú)立系統(tǒng)，可安裝于配變臺區(qū)的綜合配電柜（JP柜）中，亦可安裝于低壓配電柜中。通過內(nèi)置的微機(jī)控制器，將補(bǔ)償裝置中的電容器進(jìn)行優(yōu)化投切，根據(jù)負(fù)荷的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，使電容器既可以接在相與相之間，亦可以接在相與地之間，從而既補(bǔ)償了系統(tǒng)的無功功率，同時又調(diào)整了各相之間不平衡有功電流的目的。本裝置的配置總?cè)萘俊⒉煌泳€方式的分組容量、是否串聯(lián)電抗器、如何選擇電抗率以及具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)與本裝置安裝點(diǎn)的電網(wǎng)參數(shù)、負(fù)荷性質(zhì)、安裝方式等具體條件相適應(yīng)。

8 實(shí)際應(yīng)用效果

應(yīng)用前數(shù)據(jù)（2015年8月4日）：

應(yīng)用后數(shù)據(jù)（2015年8月5日）：

圖中，縱軸為電流值，對數(shù)據(jù)分析得知：（1）在設(shè)備安裝以前，線路的三相負(fù)荷電流差距較大，最大的瞬時差距可達(dá)40A，三相不平衡狀況較為嚴(yán)重;（2）在三相不平衡補(bǔ)償裝置安裝之后，線路的三相負(fù)荷電流較為平穩(wěn)，最大的瞬時差距為10A，三相負(fù)荷趨于平衡;（3）配電變壓器三相負(fù)荷趨于平衡，有效降低了配電變壓器的本身損耗，有效提升了配電變壓器的出力;（4）由于補(bǔ)償電容器組的投入，也有效提升了功率因數(shù)，對三相負(fù)荷的不平衡進(jìn)行了有效的轉(zhuǎn)移，平衡三相負(fù)荷。

9 結(jié)語

本文的核心點(diǎn)在于：通過矢量分析，說明了相間跨接電容器“不但能夠提供容性電流，同時還能夠在相間轉(zhuǎn)移部分有功電流”。

據(jù)此得出：通過電容器“共補(bǔ)+分補(bǔ)+跨補(bǔ)”的混合補(bǔ)償方法，配合微機(jī)控制器的合理算法和裝置容量的合理配置，可將由負(fù)荷引起的三相不平衡電流，平均轉(zhuǎn)移成三相電流均分的狀態(tài)。若裝置設(shè)計合理，甚至可以達(dá)到“零線電流合成為零”的理想狀態(tài)。

由于在380/220V低壓供電線路電網(wǎng)中，單相負(fù)荷占據(jù)主導(dǎo)地位，三相不平衡電流普遍存在。因此，這種具有“平衡相間電流”的混合補(bǔ)償裝置具有極其廣闊的應(yīng)用空間和推廣價值。特別在目前大范圍進(jìn)行“低電壓”治理的工作中，對于配網(wǎng)無功電壓改善、提高電壓合格率、降低網(wǎng)損、提高低壓配網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，都具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

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（責(zé)任編輯：陳 潔）