低壓配電臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量問題及相關(guān)治理措施

晏 華

(天津華匯工程建筑設(shè)計(jì)有限公司, 天津 300384)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,電力系統(tǒng)用電負(fù)荷不斷攀升,末端配網(wǎng)存在著大量的單相、不對(duì)稱、非線性、沖擊性負(fù)荷,對(duì)電網(wǎng)硬件裝備及技術(shù)水平要求逐步提升,配電網(wǎng)中無功功率、諧波、三相不平衡、低電壓等問題越來越嚴(yán)重。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380/220 V低壓供電線路電壓明顯偏低。我國低壓電網(wǎng)的電能損耗占整個(gè)供配電電網(wǎng)損耗的 50%～60%。三相不平衡是影響低壓配網(wǎng)線損的主要原因之一,在三相不平衡度較高時(shí),配電變壓器損耗及電網(wǎng)損耗將大大增加,且不利于電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 末端臺(tái)區(qū)現(xiàn)狀

末端臺(tái)區(qū)的電能質(zhì)量問題以低電壓、無功、三相不平衡等為主。“低電壓”現(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)萘俊⒉鸱峙渥兣_(tái)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,間接提升電網(wǎng)的供電能力。

因此,采用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380/220 V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(shí)降低網(wǎng)耗,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

三相四線制系統(tǒng)中,電流不平衡度為

式中:IΧ——三相電流(IA、IB、IC),取自總進(jìn)線電流CT;

計(jì)算電流不平衡度時(shí),要保證三相電流不平衡度均不超過15%。

現(xiàn)實(shí)中末端臺(tái)區(qū)主要以桿變?yōu)橹?。某地區(qū)三相不平衡變壓器構(gòu)成如圖1所示。由圖1可以得出,在三相不平衡的變壓器中,桿變的不平衡度數(shù)量占比高,涉及范圍廣。

圖1 某地區(qū)三相不平衡變壓器構(gòu)成

1.1 三相不平衡的危害

目前,在國家電網(wǎng)公司中、低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中,三相負(fù)荷系統(tǒng)是隨機(jī)變化的,這些負(fù)荷會(huì)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,引起電網(wǎng)負(fù)序電壓和負(fù)序電流,影響供電質(zhì)量,進(jìn)而增加線路損耗,降低供電可靠性。三相不平衡系統(tǒng)向量如圖2所示。

圖2 三相不平衡向量

不平衡系統(tǒng)的影響具體表現(xiàn)如下:

(1) 三相負(fù)荷不平衡將增加變壓器和線路損耗,通過理論計(jì)算可以證明最大不平衡時(shí)的變壓器損耗是平衡時(shí)的3倍,線路損耗是平衡時(shí)的6倍。

(2) 三相負(fù)荷不平衡時(shí)重負(fù)荷相電流過大,容易造成繞組和變壓器油的過熱,導(dǎo)致繞組絕緣老化加快和油質(zhì)劣化,迅速降低變壓器壽命(溫度每升高8 ℃,使用年限將減少50%),甚至燒毀繞組。

(3) 三相負(fù)荷不平衡時(shí)重負(fù)荷相電流過大,可能造成該相導(dǎo)線、開關(guān)等部件溫度直線上升,以致燒斷、燒壞。且由于中性線導(dǎo)線截面一般小于相線截面,考慮電網(wǎng)中零序諧波電流的存在,中性線燒斷的幾率更高。

(4) 三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行會(huì)造成變壓器零序電流過大,在變壓器的油箱壁或其他金屬構(gòu)件中引起的磁滯和渦流損耗使這些部件發(fā)熱,致使變壓器局部金屬件溫度異常升高,嚴(yán)重時(shí)變壓器發(fā)生運(yùn)行事故。

(5) 低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡會(huì)引起高壓側(cè)對(duì)應(yīng)相電流過大,導(dǎo)致高壓線跳閘停電,引發(fā)大面積停電事故,同時(shí)變電站的開關(guān)設(shè)備頻繁跳閘將降低使用壽命。

(6) 三相不平衡時(shí)剩余電流不會(huì)為0。當(dāng)量值接近或大于剩余電流保護(hù)器的額定動(dòng)作電流I△n時(shí),引起總保護(hù)頻繁動(dòng)作,甚至送不上電,嚴(yán)重影響剩余電流總保護(hù)的運(yùn)行率。

(7) 三相負(fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行,其各相輸出電流不相等,為避免單相過電流,變壓器容量須降額使用,同時(shí)由于其配變內(nèi)部三相壓降不相等,導(dǎo)致配變輸出電壓三相不平衡。負(fù)載重的一相電壓降低,而負(fù)載輕的一相電壓升高,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。

(8) 大量的變頻設(shè)備、整流設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生大量諧波負(fù)荷,在嚴(yán)重導(dǎo)致電網(wǎng)失衡的同時(shí),嚴(yán)重影響其他電網(wǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行,甚至損壞電網(wǎng)供電和用電設(shè)備。

1.2 傳統(tǒng)解決方案

目前,市場(chǎng)上的三相電流平衡設(shè)備主要有兩大類方案:改變負(fù)荷接入相位法和加裝補(bǔ)償裝置法。改變負(fù)荷接入相位法需要通過人工改線或換相開關(guān)進(jìn)行,負(fù)荷接入相位的改變要避免產(chǎn)生短時(shí)停電,因此一般主要用于對(duì)供電可靠性要求不高的農(nóng)村地區(qū)。

加裝補(bǔ)償裝置,特別是大功率三相有功平衡設(shè)備仍以無源無功補(bǔ)償裝置(分補(bǔ))為主,且主要應(yīng)用于低壓范圍。由于無源無功補(bǔ)償裝置有很大缺陷,不能達(dá)到最優(yōu)化的不平衡要求。利用增設(shè)無功補(bǔ)償裝置或者消弧線圈來處理低壓配電網(wǎng)的三相不平衡問題的效果并不理想:增設(shè)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行電壓調(diào)整時(shí)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致諧波放大等,使補(bǔ)償效果不理想;加設(shè)消弧線圈雖然可以減小容性電流,但是可能加大三相不平衡度。

1.3 新型有源方案

與無功補(bǔ)償裝置相比,動(dòng)態(tài)有源三相平衡裝置具有有功轉(zhuǎn)移、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、與系統(tǒng)不諧振等優(yōu)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,動(dòng)態(tài)有源三相平衡裝置的成本逐漸下降,其巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、強(qiáng)大功能、更高的適應(yīng)性、更簡(jiǎn)單的安裝方式,將最終取代無功補(bǔ)償裝置,占據(jù)市場(chǎng)主流。

有源型治理方案主要工作原理是相間電流轉(zhuǎn)移。有源型裝置工作原理如圖3所示,在某一時(shí)刻,電流較大的一相(C相)通過IGBT動(dòng)作將能量存儲(chǔ)于直流側(cè)的電容中,在另一時(shí)刻,電流較小的相線(B相)通過導(dǎo)通IGBT釋放能量。該過程在較短時(shí)間內(nèi)通過20 kHz的IGBT模塊動(dòng)作下完成,可理解為基于基波正序電流檢測(cè)的補(bǔ)償法,利用四相功率調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償,通過采用坐標(biāo)變換的運(yùn)算方式,實(shí)現(xiàn)無功和有功的解耦控制,分別控制無功和有功的不平衡補(bǔ)償。

圖3 有源型裝置工作原理

以上過程可以理解為:任何系統(tǒng)的工作電流可以看成是由正序、負(fù)序、零序的疊加,正序分量是系統(tǒng)是保持三相系統(tǒng)平衡的因素,而負(fù)序、零序分量是造成不平衡的因素。因此,有源型三相不平衡電能質(zhì)量裝置是對(duì)負(fù)序和零序電流進(jìn)行濾除,達(dá)到保留正序電流分量而實(shí)現(xiàn)三相平衡的目的。

2 三相不平衡標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》中規(guī)定:“電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓不平衡度限值為:電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),負(fù)序電壓不平衡度不超過2%,短時(shí)不得超過4%;低壓系統(tǒng)零序電壓限值暫不做規(guī)定,但各相電壓必須滿足GB/T 12325的要求”。GB/T 12325—2008要求線路電壓降必須滿足要求,但大的中性線電流存在,會(huì)在中性線上產(chǎn)生3倍于相線的電壓降,因此消除中性線電流會(huì)極大提高供電電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

SD 292—1988《架空配電線路及設(shè)備運(yùn)行規(guī)程》中第7.5.2條規(guī)定:“變壓器的三相負(fù)荷應(yīng)力求平衡,三相負(fù)荷不平衡度不應(yīng)大于15%,只帶少量單相負(fù)荷的三相變壓器,中性線電流不應(yīng)超過額定電流的25%”。

GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.1.10條規(guī)定:“中性線與PE線之間的電位差稱為“零地電壓”,當(dāng)“零地電壓”高于電子信息設(shè)備的允許值時(shí),將引起硬件故障、燒毀設(shè)備;引發(fā)控制信號(hào)的誤動(dòng)作;影響通信質(zhì)量,延誤或阻止通信的正常進(jìn)行”。因此,當(dāng)“零地電壓”不滿足負(fù)載的使用要求時(shí)(一般“零地電壓”應(yīng)小于2 V)應(yīng)采取措施,降低“零地電壓”。

3 實(shí)際使用情況

3.1 某臺(tái)區(qū)狀況

銀川市濱河家園擬建27幢高層住宅,可入住戶數(shù)為2 888戶,總建筑面積為352 943 m2,地上建筑面積為304 284 m2,地下建筑面積為48 659 m2,變壓器容量為400 kVA,主要為3棟獨(dú)立商業(yè)房、高級(jí)會(huì)所、幼兒園以及2個(gè)停車場(chǎng)供電。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載情況分析,末端臺(tái)區(qū)的負(fù)荷幾乎全為單相設(shè)備,如電燈、電機(jī)、空調(diào)等,多數(shù)為220 V用電設(shè)備,從用戶側(cè)低壓處自行接入,運(yùn)行時(shí)間段和使用數(shù)量均不固定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員反映,并結(jié)合國網(wǎng)用電信息系統(tǒng)調(diào)度數(shù)據(jù)分析,東區(qū)3#變壓器治理前電流不平衡度情況如圖4所示。在設(shè)備投運(yùn)之前,高峰運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)電流三相不平衡度都超過30%。

圖4 3#變壓器治理前電流不平衡度情況

由圖4可以得到:

(1) 3#變壓器用電高峰為8:00～13:00,17:00～23:00。

(2) 每個(gè)時(shí)間點(diǎn)各相的電流值均不同,不平衡度非常大。

(3) 變壓器一直處于不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)通過FLUKE測(cè)試儀在3#變壓器出口記錄3月31日上午11:00左右三相不平衡治理裝置投運(yùn)之前的負(fù)荷情況,如圖5所示。

圖5 三相不平衡治理裝置投運(yùn)之前的負(fù)荷情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的安排,進(jìn)行詳細(xì)的電力參數(shù)測(cè)試。對(duì)電源進(jìn)線柜進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)存在如下問題:

(1) 配電系統(tǒng)中電流的不平衡度較大,A相為10 A,C相為36 A,不平衡度為108%。

(2) 波形畸變明顯,呈現(xiàn)不規(guī)則變化,諧波含量大。

(3) A相畸變率為35.2%,B相畸變率為31.3%,C相畸變率為8.3%。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施情況

3#變壓器在正常運(yùn)行時(shí)需要針對(duì)三相不平衡、無功、諧波等電能質(zhì)量問題的進(jìn)行治理?？紤]末端的安裝空間、響應(yīng)速度等因素,采用的設(shè)備具有以下特征:綜合處理三相不平衡、無功、諧波等電能質(zhì)量問題;戶外安裝,模塊化容易擴(kuò)展;響應(yīng)速度快,能跟隨負(fù)荷的快速變化;采用新型有源電力電子技術(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求,選用新型戶外低壓配網(wǎng)綜合電能質(zhì)量裝置HPD2000GH-50 kVA R(變壓器容量為400 kVA,安裝在低壓出線側(cè),附件包括抱箍、托架)作為項(xiàng)目實(shí)施的主設(shè)備。桿上安裝示意如圖6所示。

圖6 桿上安裝示意

3.3 項(xiàng)目實(shí)施效果

通過供電公司電力用戶用電信息采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的治理前2017年3月1～6日與3月12～28日電流不平衡度數(shù)據(jù)圖表,可對(duì)比實(shí)施前后三相不平衡度的變化。3#變壓器記錄數(shù)據(jù)如圖7所示。

由圖7可見,治理后不平衡度降低很多,3#變壓器的電流不平衡度由原來的峰值80%多降低到10%以內(nèi);治理前三相電流趨勢(shì)圖完全不重合,代表各相電流間的差異較大,不平衡度很高,治理后三相電流值趨勢(shì)圖基本重合,符合預(yù)期的治理目標(biāo);同一時(shí)刻,三相電流值幾乎相同,達(dá)到三相平衡的目標(biāo),變壓器運(yùn)行對(duì)稱,效率較高。

圖7 3#變壓器記錄數(shù)據(jù)

采用電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)驗(yàn)證,檢測(cè)位置如圖8所示。

圖8 檢測(cè)位置

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)

由圖9可見,電能質(zhì)量綜合治理裝置在運(yùn)行前后有明顯的差異,電流的不平衡度由原來的80%以上降低至10%以內(nèi),有效抑制三相不平衡;電流波形光滑,呈正弦波形;超靜音設(shè)計(jì),滿負(fù)荷運(yùn)行下噪聲可低至48 dB(空調(diào)室外機(jī)組的噪聲指數(shù)一般為55 dB);諧波含量治理到3%以內(nèi),治理效果很好;負(fù)荷本身功率因數(shù)高,治理前后維持較高的功率因數(shù)(0.99左右)。

4 結(jié) 語

介紹三相不平衡的危害,對(duì)比不同治理措施,指出傳統(tǒng)治理方式的一些不足和使用有源治理方式的優(yōu)勢(shì)。分析某臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和電力數(shù)據(jù)信息采集平臺(tái)的數(shù)據(jù),證明有源型設(shè)備運(yùn)行效果顯著,有效解決長(zhǎng)期困擾的臺(tái)變?nèi)嘭?fù)荷不平衡、諧波、無功等問題,可在經(jīng)濟(jì)、合理的情況下逐步推廣,解決臺(tái)區(qū)三相不平衡等問題。

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