基于三相不平衡治理的校園節(jié)能方法及應(yīng)用
——以安徽工程大學(xué)校園實例分析

文_唐紅梅 鄭剛 安徽工程大學(xué)能源辦

在配電網(wǎng)中，三相電流電壓由于不可控因素造成系統(tǒng)故障是普遍現(xiàn)象。在對校園配電網(wǎng)的實際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，整個配電系統(tǒng)電壓電能質(zhì)量較好，但電流的諧波和不平衡問題廣泛存在，這些問題會影響配電網(wǎng)的運(yùn)行安全，因此對三相不平衡問題治理方案的研究顯得尤為重要。本文針對校園配電網(wǎng)的組成和配電網(wǎng)中存在的三相不平衡、諧波和功率因素等問題進(jìn)行實測和分析，給出校園配電網(wǎng)的治理方案，最后通過方案的實施改善了電能質(zhì)量，排除了安全隱患，提高了資源的利用率。

1 校園配電系統(tǒng)

1.1 典型數(shù)據(jù)測量及電能質(zhì)量分析

為了了解掌握整個校園配電系統(tǒng)的供電質(zhì)量情況，分別對13臺變壓器400V母線及主要供電分回路的相線與零線電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測，獲得負(fù)載運(yùn)行時的主要電能質(zhì)量參數(shù)，以下是以學(xué)校的師生活動中心配電房以及老配電房為例進(jìn)行分析。

1.2 師生活動中心配電房

電壓電能質(zhì)量較好，但電流諧波及不平衡數(shù)據(jù)較差，諧波含量高達(dá)42.9%，其中3、5、7含量較高，達(dá)到34.0%、20.28%、11.49%，N線上的電流更是高達(dá)91.1A。根據(jù)式(1) 計算三相電流不平衡度：

式中η—不平衡度；

imax—最大電流；

imin—最小電流。

通過計算可以得到電流不平衡度達(dá)到29.7%。

1.3 老電房

電壓電能質(zhì)量較好，但電流諧波、功率因數(shù)、不平衡數(shù)據(jù)較差，電流諧波高達(dá)32.17%，主要由3、5、7次構(gòu)成，分別占比為8.16%、23.38%、20.4%，N線上電流更是高達(dá)159.8A。通過式（1）可以得到電流不平衡度達(dá)到27.3%。

由以上數(shù)據(jù)可知，15臺變壓器推算諧波含量較高，尤其N線電流較大，N線電流一般由不平衡電流及三次諧波構(gòu)成。配電設(shè)計N線銅排或線纜線徑比相線小很多，而由于三次諧波的存在，可能導(dǎo)致N線三次諧波是相線的3倍，進(jìn)而導(dǎo)致N線電流增大，一旦超過線徑容量較容易導(dǎo)致電纜發(fā)熱過載甚至銷毀。

2 三相不平衡的危害及治理方法

2.1 三相不平衡的危害

三相不平衡的危害主要體現(xiàn)在，如果三相電流不平衡，電流會比平衡狀態(tài)的損耗增加17%，在最嚴(yán)重的情況下，比平衡狀態(tài)的損耗會增加300%。配電變壓器當(dāng)在三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行時，將會造成配變損耗的增加。同時，三相負(fù)載不平衡時，會出現(xiàn)變壓器局部金屬件溫度升高發(fā)熱，導(dǎo)致變壓器某些部件的溫度上升過快，引起配變產(chǎn)生零序電流，導(dǎo)致設(shè)備壽命降低。

2.2 三相不平衡的治理方法

在配電網(wǎng)中附加補(bǔ)償裝置是目前最有效的解決三相不平衡的方式。①相線濾波器，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，抵消負(fù)載中相應(yīng)的諧波電流實現(xiàn)動態(tài)諧波治理。②零線濾波器，利用電磁原理和移相技術(shù)，濾除諧波的裝置。③三相負(fù)荷不平衡治理設(shè)備，實現(xiàn)三相負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)、有效減小電網(wǎng)線損、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、提高設(shè)備利用率。④雙向電壓調(diào)節(jié)器，改進(jìn)型單相動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，可對負(fù)載電壓進(jìn)行有效控制。

假設(shè)P1為節(jié)電前功率，P2為節(jié)電后功率，U1為節(jié)電前負(fù)載電壓，U2為節(jié)電后負(fù)載電壓，R為負(fù)載阻抗，n為節(jié)電率，以U1為240V，U2為220V為例。節(jié)電率n可以表示為式(2)。

根據(jù)式（2）可以得到節(jié)電率達(dá)到15.97%。

3 綠色節(jié)能三相設(shè)備的實例分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

以校園配電網(wǎng)中的師生活動中心配電柜為例，假設(shè)接入三相不平衡治理設(shè)備，三相電流為IA=108A，IB=150A，IC=90A，總損耗為1082Z+1502Z+902Z=42264Z。三相電流調(diào)節(jié)后，IA=116A，IB=116A，IC=116A，總損耗為1162Z+1162Z+1162Z=40368Z；（42264-40368）/42264×100%=4.5%，變壓器損耗降低4.5%。

諧波畸變THD（實測為42.9%）按40%計，變壓器負(fù)載率取60%，30%不平衡治理容量，1000kVA變壓器。Ih=(1000000/(400×1.732))×0.6×0.4×1.3=450A，補(bǔ)償前總電流I1=（1000000/(400×1.732）×0.6×1.3=1126A，補(bǔ)償后總電流I2=sqrt（I1×I1-Ih×Ih）=1032A，裝置安裝運(yùn)行后，總電流減小I3=I1-I2=94A，電流減少8.3%，變壓器容量比增加8.3%，有效減少變壓器的擴(kuò)容周期。

3.2 方案的制定與實施

方案制定主要根據(jù)校園各個區(qū)域的實際情況，如宿舍樓區(qū)負(fù)載的復(fù)雜性，在運(yùn)行時很容易產(chǎn)生三次諧波，會導(dǎo)致零線電流過大，極易造成電氣火災(zāi)，所以零線電流的治理就顯得格外重要，因此需在宿舍樓區(qū)安裝零線濾波器。

以學(xué)校1#箱變?yōu)槔ㄟ^實測得到設(shè)備安裝前后的波形圖，變壓器低壓側(cè)電網(wǎng)測試點的3次諧波電流趨勢圖。1#箱變開啟前后諧波電流趨勢圖見圖1所示。

圖1 1#箱變開啟零線濾波器前后的3次諧波電流趨勢圖

從圖1可以看出，當(dāng)零線濾波器開啟后，諧波含量都有明顯下降，達(dá)到了很好的治理效果，提高了配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，消除了零線電流過大的隱患。

4 結(jié)語

本文在分析了三相不平衡的危害和治理方案基礎(chǔ)上，針對安徽工程大學(xué)校園的配電網(wǎng)系統(tǒng)實際情況，給出了補(bǔ)償設(shè)施的選擇和安裝方案，通過實際的設(shè)備安裝和數(shù)據(jù)的采集，應(yīng)用綠色節(jié)能三相平衡設(shè)備，對于校園配電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題治理效果較好，三相電流趨于同一值，畸變明顯得到改善，諧波含量明顯減少，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時也提高了系統(tǒng)的運(yùn)行安全穩(wěn)定性。