三相不平衡电流补偿装置原理及应用

李想 李晓飞 李春华 袁彦

摘要：文章通过矢量分析的方法，说明了相间跨接电容器“不但能够提供容性电流，同时还能够在相间转移部分有功电流”;阐述了用相间跨接电容器来平衡三相负荷电流的原理，提出了采用“共补+分补+跨补”的电容器混合补偿装置，解决了低压配网的三相电流不平衡问题和无功就地平衡问题，同时具有降低网耗、实现电网经济运行的良好效果。

关键词：低电压;三相不平衡电流;无功补偿;混合补偿;补偿装置 文献标识码：A

中图分类号：TM714 文章编号：1009-2374（2016）04-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.024

1 应用背景

随着社会经济的不断发展，电力系统用电负荷不断攀升，对电网硬件装备及技术水平要求逐步提升，但目前部分地区配电网架建设处于严重的滞后状态，造成380/220V低压供电线路电压明显偏低。尤其是农村地区及边远地区，由于供电半径过长及低压供电线路线径偏小等原因，“低电压”现象普遍存在，已经严重影响了广大民众正常的生产活动和生活质量。“低电压”现象的根本原因在于电网供电能力不足，其治理的方向可以从两个方面入手：（1）进行电网改造和扩容，采取增建或扩建变电站、增大配变容量、拆分配变台区、缩短供电半径、改造低压线路、增大低压线径等手段，以直接提升电网的供电能力;（2）采取技术措施，提升电网的无功功率就地平衡能力、线路的局部电压调节能力和三相电流的平衡度，以间接提升电网的供电能力。本文介绍的“三相不平衡电流补偿装置”（以下简称“本装置”），是基于就地平衡配变负荷侧无功功率和调节配变负荷侧三相不平衡电流的方法来提升配变的带负荷能力，提高380/220V低压供电线路电压的合格率，解决用户侧的“低电压”问题，同时具有降低网耗、实现电网经济运行的良好效果。

2 进行无功补偿的原因

电力系统在正常运行时，电源供给的无功功率是用来在电气设备中建立和维持磁场，进行能量交换的。无功功率的存在为能量的输送和转换创造了必须的条件。没有无功功率，变压器就不能变压和输送电能，电动机的旋转磁场也不能建立，电动机就无法旋转做工。

在电力系统中，发电机是唯一的有功电源，也是基本的无功电源。如果系统只依靠发电机来提供无功功率，则会由于无功功率不断来回交换而引起发电、输电及供配电设备上的电压损耗及功率损失。而发电机发出的所有功率等于有功功率与无功功率的矢量和，若提高无功功率的输出，则必然会降低有功功率的输出，这种运行方式也是很不经济的。

电力系统中由于各种变压器、电动机等感性无功负荷离发电机距离较远，无功功率不断在这些点之间来回进行流动，会导致线损增大，同时还会增加发电机、变压器及其他电气设备和导线的容量要求，导致整个电力系统建设投资加大。

在正常运行方式下，发电机可提供的无功功率是很有限的，而对于整个电力系统来说，对无功功率的需求是很大的。当无功功率不足时，会使线路及变压器的电压压降增大。电压压降的增大会导致线路末端电压不足，对许多设备的使用产生不良影响。若电压跌落过多，电动机可能停止运转或者无法启动。电压降低的同时，电动机电流将显著增大，绕组温度升高，严重情况下会造成电动机烧毁。系统中如果接有冲击性无功功率负载，如电弧炉、轧钢机等设备时，会频繁地产生无功功率冲击，造成电压剧烈波动，甚至造成同一电网上的其他用户无法正常工作，因此，必须保证接入无功容量的稳定。

3 应用范围

本装置可应用于三相四线制的低压配电系统中，作为调节三相不平衡电流和补偿功率因数之用。

4 技术指标

4.1 对三相不平衡度的要求

按照《电能质量：三相电压允许不平衡度》（GB/T 15543-1995）规定，电网正常运行时，电力系统公共连接点负序电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%;接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。

4.2 对功率因数的要求

按照《并联电容器装置设计规范》（GB 50227-2008）规定：在最大负荷时，功率因数不应低于0.95;在低谷负荷时，功率因数不应高于0.95。

4.3 本装置的补偿效果

应用本装置后三相电流不平衡度可控制在10%以下，三相的功率因数均可保持在0.95左右。

5 接线方式

在正常运行状态下，电力系统中所接入的电气负荷基本上以感性负荷为主，所以在进行无功补偿时，以补偿容性无功为主。

在接线方式方面，由于低压电器基本以三相平衡负荷和单相负荷为主，所以无功补偿装置亦分为三相平衡补偿和单相分相补偿，其对应的电容器接线方式为：△形三相平衡接线和Y形相对地接线。

由于单相负荷在三个相线上功率分配的不均匀性和运行的不同时性，造成三相电流的不平衡和各相功率因数的不一致，所以需要采用相间补偿的方法，即将电容器跨接在两个相线之间，以平衡三相电流。

综上所述，本装置采用了“三相共补+分相补偿+相间补偿”的接线方式。

6 工作原理

6.1 无功补偿的工作原理

由于容性电流超前于电压90°，感性电流滞后于电压90°，所以电容电流与电感电流是反向的。当电容与电感并联时，电场能与磁场能可以相互转换，无需再向电网索取无功电能，因此实现了无功功率的就地平衡，提高了系统的功率因数，降低了电网的输出电流，提升了线路的末端电压。

6.2 相间电容转移有功电流的矢量分析

跨接在两相之间的电容器，不但能够提供容性电流，同时还可以转移一部分有功电流。

将电容器跨接在A、B相之间时，可知：在A相端的电容器电流Ica可分解成相对于A相而言的容性无功电流Iac和阻性有功电流Iar，并使A相的有功电流减小;在B相端的电容器电流Icb可分解成相对于B相而言的容性无功电流Ibc和阻性有功电流Ibr，并使B相的有功电流增大。

由此可知，跨接在两个相线之间的电容器，具有转移有功电流的能力。

三相电流不平衡时，若采用相间跨接电容器补偿，则可转移有功功率并平衡三相电流，同时提高各相的功率因数。应用本装置后三相电流不平衡度可控制在10%以下，三相的功率因数均可达到0.95。

7 装置结构

本装置采用了“三相共补+分相补偿+相间补偿”的混合补偿方式，具有“无功就地平衡”和“三相电流平衡”的双重功效。本装置由微机控制器、过零投切专用复合开关、单相电容器、三相电容器（必要时应串联电抗器）以及操控指示保护单元等构成，并自成独立系统，可安装于配变台区的综合配电柜（JP柜）中，亦可安装于低压配电柜中。通过内置的微机控制器，将补偿装置中的电容器进行优化投切，根据负荷的实时运行状态，使电容器既可以接在相与相之间，亦可以接在相与地之间，从而既补偿了系统的无功功率，同时又调整了各相之间不平衡有功电流的目的。本装置的配置总容量、不同接线方式的分组容量、是否串联电抗器、如何选择电抗率以及具体结构的设计，应与本装置安装点的电网参数、负荷性质、安装方式等具体条件相适应。

8 实际应用效果

应用前数据（2015年8月4日）：

应用后数据（2015年8月5日）：

图中，纵轴为电流值，对数据分析得知：（1）在设备安装以前，线路的三相负荷电流差距较大，最大的瞬时差距可达40A，三相不平衡状况较为严重;（2）在三相不平衡补偿装置安装之后，线路的三相负荷电流较为平稳，最大的瞬时差距为10A，三相负荷趋于平衡;（3）配电变压器三相负荷趋于平衡，有效降低了配电变压器的本身损耗，有效提升了配电变压器的出力;（4）由于补偿电容器组的投入，也有效提升了功率因数，对三相负荷的不平衡进行了有效的转移，平衡三相负荷。

9 结语

本文的核心点在于：通过矢量分析，说明了相间跨接电容器“不但能够提供容性电流，同时还能够在相间转移部分有功电流”。

据此得出：通过电容器“共补+分补+跨补”的混合补偿方法，配合微机控制器的合理算法和装置容量的合理配置，可将由负荷引起的三相不平衡电流，平均转移成三相电流均分的状态。若装置设计合理，甚至可以达到“零线电流合成为零”的理想状态。

由于在380/220V低压供电线路电网中，单相负荷占据主导地位，三相不平衡电流普遍存在。因此，这种具有“平衡相间电流”的混合补偿装置具有极其广阔的应用空间和推广价值。特别在目前大范围进行“低电压”治理的工作中，对于配网无功电压改善、提高电压合格率、降低网损、提高低压配网的安全性和经济性，都具有很大的现实意义。

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（责任编辑：陈 洁）