低压配电台区电能质量问题及相关治理措施

晏 华

(天津华汇工程建筑设计有限公司, 天津 300384)

0 引 言

随着社会经济的不断发展,电力系统用电负荷不断攀升,末端配网存在着大量的单相、不对称、非线性、冲击性负荷,对电网硬件装备及技术水平要求逐步提升,配电网中无功功率、谐波、三相不平衡、低电压等问题越来越严重。但目前部分地区配电网架建设处于严重的滞后状态,造成380/220 V低压供电线路电压明显偏低。我国低压电网的电能损耗占整个供配电电网损耗的 50%～60%。三相不平衡是影响低压配网线损的主要原因之一,在三相不平衡度较高时,配电变压器损耗及电网损耗将大大增加,且不利于电气设备的安全运行。

1 末端台区现状

末端台区的电能质量问题以低电压、无功、三相不平衡等为主。“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,间接提升电网的供电能力。

因此,采用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380/220 V低压供电线路电压的合格率,解决用户侧的“低电压”问题,同时降低网耗,实现电网经济运行。

三相四线制系统中,电流不平衡度为

式中:IΧ——三相电流(IA、IB、IC),取自总进线电流CT;

计算电流不平衡度时,要保证三相电流不平衡度均不超过15%。

现实中末端台区主要以杆变为主。某地区三相不平衡变压器构成如图1所示。由图1可以得出,在三相不平衡的变压器中,杆变的不平衡度数量占比高,涉及范围广。

图1 某地区三相不平衡变压器构成

1.1 三相不平衡的危害

目前,在国家电网公司中、低压配电网系统中,三相负荷系统是随机变化的,这些负荷会使配电系统产生三相不平衡,导致供电系统三相电压、电流的不平衡,引起电网负序电压和负序电流,影响供电质量,进而增加线路损耗,降低供电可靠性。三相不平衡系统向量如图2所示。

图2 三相不平衡向量

不平衡系统的影响具体表现如下:

(1) 三相负荷不平衡将增加变压器和线路损耗,通过理论计算可以证明最大不平衡时的变压器损耗是平衡时的3倍,线路损耗是平衡时的6倍。

(2) 三相负荷不平衡时重负荷相电流过大,容易造成绕组和变压器油的过热,导致绕组绝缘老化加快和油质劣化,迅速降低变压器寿命(温度每升高8 ℃,使用年限将减少50%),甚至烧毁绕组。

(3) 三相负荷不平衡时重负荷相电流过大,可能造成该相导线、开关等部件温度直线上升,以致烧断、烧坏。且由于中性线导线截面一般小于相线截面,考虑电网中零序谐波电流的存在,中性线烧断的几率更高。

(4) 三相负荷不平衡运行会造成变压器零序电流过大,在变压器的油箱壁或其他金属构件中引起的磁滞和涡流损耗使这些部件发热,致使变压器局部金属件温度异常升高,严重时变压器发生运行事故。

(5) 低压电网三相负荷不平衡会引起高压侧对应相电流过大,导致高压线跳闸停电,引发大面积停电事故,同时变电站的开关设备频繁跳闸将降低使用寿命。

(6) 三相不平衡时剩余电流不会为0。当量值接近或大于剩余电流保护器的额定动作电流I△n时,引起总保护频繁动作,甚至送不上电,严重影响剩余电流总保护的运行率。

(7) 三相负载不平衡时运行,其各相输出电流不相等,为避免单相过电流,变压器容量须降额使用,同时由于其配变内部三相压降不相等,导致配变输出电压三相不平衡。负载重的一相电压降低,而负载轻的一相电压升高,易造成电压高的一相接带的用户用电设备烧坏,而电压低的一相接带的用户用电设备则可能无法使用。

(8) 大量的变频设备、整流设备运行中产生大量谐波负荷,在严重导致电网失衡的同时,严重影响其他电网设备的正常运行,甚至损坏电网供电和用电设备。

1.2 传统解决方案

目前,市场上的三相电流平衡设备主要有两大类方案:改变负荷接入相位法和加装补偿装置法。改变负荷接入相位法需要通过人工改线或换相开关进行,负荷接入相位的改变要避免产生短时停电,因此一般主要用于对供电可靠性要求不高的农村地区。

加装补偿装置,特别是大功率三相有功平衡设备仍以无源无功补偿装置(分补)为主,且主要应用于低压范围。由于无源无功补偿装置有很大缺陷,不能达到最优化的不平衡要求。利用增设无功补偿装置或者消弧线圈来处理低压配电网的三相不平衡问题的效果并不理想:增设无功补偿装置进行电压调整时经常会导致谐波放大等,使补偿效果不理想;加设消弧线圈虽然可以减小容性电流,但是可能加大三相不平衡度。

1.3 新型有源方案

与无功补偿装置相比,动态有源三相平衡装置具有有功转移、动态无功补偿、与系统不谐振等优点。随着电力电子技术的进步和生产规模的扩大,动态有源三相平衡装置的成本逐渐下降,其巨大的技术优势、强大功能、更高的适应性、更简单的安装方式,将最终取代无功补偿装置,占据市场主流。

有源型治理方案主要工作原理是相间电流转移。有源型装置工作原理如图3所示,在某一时刻,电流较大的一相(C相)通过IGBT动作将能量存储于直流侧的电容中,在另一时刻,电流较小的相线(B相)通过导通IGBT释放能量。该过程在较短时间内通过20 kHz的IGBT模块动作下完成,可理解为基于基波正序电流检测的补偿法,利用四相功率调节器拓扑结构进行补偿,通过采用坐标变换的运算方式,实现无功和有功的解耦控制,分别控制无功和有功的不平衡补偿。

图3 有源型装置工作原理

以上过程可以理解为:任何系统的工作电流可以看成是由正序、负序、零序的叠加,正序分量是系统是保持三相系统平衡的因素,而负序、零序分量是造成不平衡的因素。因此,有源型三相不平衡电能质量装置是对负序和零序电流进行滤除,达到保留正序电流分量而实现三相平衡的目的。

2 三相不平衡标准

GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》中规定:“电力系统公共连接点电压不平衡度限值为:电网正常运行时,负序电压不平衡度不超过2%,短时不得超过4%;低压系统零序电压限值暂不做规定,但各相电压必须满足GB/T 12325的要求”。GB/T 12325—2008要求线路电压降必须满足要求,但大的中性线电流存在,会在中性线上产生3倍于相线的电压降,因此消除中性线电流会极大提高供电电网的电压质量。

SD 292—1988《架空配电线路及设备运行规程》中第7.5.2条规定:“变压器的三相负荷应力求平衡,三相负荷不平衡度不应大于15%,只带少量单相负荷的三相变压器,中性线电流不应超过额定电流的25%”。

GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》第8.1.10条规定:“中性线与PE线之间的电位差称为“零地电压”,当“零地电压”高于电子信息设备的允许值时,将引起硬件故障、烧毁设备;引发控制信号的误动作;影响通信质量,延误或阻止通信的正常进行”。因此,当“零地电压”不满足负载的使用要求时(一般“零地电压”应小于2 V)应采取措施,降低“零地电压”。

3 实际使用情况

3.1 某台区状况

银川市滨河家园拟建27幢高层住宅,可入住户数为2 888户,总建筑面积为352 943 m2,地上建筑面积为304 284 m2,地下建筑面积为48 659 m2,变压器容量为400 kVA,主要为3栋独立商业房、高级会所、幼儿园以及2个停车场供电。

根据现场负载情况分析,末端台区的负荷几乎全为单相设备,如电灯、电机、空调等,多数为220 V用电设备,从用户侧低压处自行接入,运行时间段和使用数量均不固定。经现场运行人员反映,并结合国网用电信息系统调度数据分析,东区3#变压器治理前电流不平衡度情况如图4所示。在设备投运之前,高峰运行时系统电流三相不平衡度都超过30%。

图4 3#变压器治理前电流不平衡度情况

由图4可以得到:

(1) 3#变压器用电高峰为8:00～13:00,17:00～23:00。

(2) 每个时间点各相的电流值均不同,不平衡度非常大。

(3) 变压器一直处于不对称运行状态。

现场通过FLUKE测试仪在3#变压器出口记录3月31日上午11:00左右三相不平衡治理装置投运之前的负荷情况,如图5所示。

图5 三相不平衡治理装置投运之前的负荷情况

根据现场的安排,进行详细的电力参数测试。对电源进线柜进行测量,发现存在如下问题:

(1) 配电系统中电流的不平衡度较大,A相为10 A,C相为36 A,不平衡度为108%。

(2) 波形畸变明显,呈现不规则变化,谐波含量大。

(3) A相畸变率为35.2%,B相畸变率为31.3%,C相畸变率为8.3%。

3.2 项目实施情况

3#变压器在正常运行时需要针对三相不平衡、无功、谐波等电能质量问题的进行治理。考虑末端的安装空间、响应速度等因素,采用的设备具有以下特征:综合处理三相不平衡、无功、谐波等电能质量问题;户外安装,模块化容易扩展;响应速度快,能跟随负荷的快速变化;采用新型有源电力电子技术。

根据现场实际需求,选用新型户外低压配网综合电能质量装置HPD2000GH-50 kVA R(变压器容量为400 kVA,安装在低压出线侧,附件包括抱箍、托架)作为项目实施的主设备。杆上安装示意如图6所示。

图6 杆上安装示意

3.3 项目实施效果

通过供电公司电力用户用电信息采集系统监测的治理前2017年3月1～6日与3月12～28日电流不平衡度数据图表,可对比实施前后三相不平衡度的变化。3#变压器记录数据如图7所示。

由图7可见,治理后不平衡度降低很多,3#变压器的电流不平衡度由原来的峰值80%多降低到10%以内;治理前三相电流趋势图完全不重合,代表各相电流间的差异较大,不平衡度很高,治理后三相电流值趋势图基本重合,符合预期的治理目标;同一时刻,三相电流值几乎相同,达到三相平衡的目标,变压器运行对称,效率较高。

图7 3#变压器记录数据

采用电能质量分析仪进行数据检测验证,检测位置如图8所示。

图8 检测位置

现场实测运行数据如图9所示。

图9 现场实测运行数据

由图9可见,电能质量综合治理装置在运行前后有明显的差异,电流的不平衡度由原来的80%以上降低至10%以内,有效抑制三相不平衡;电流波形光滑,呈正弦波形;超静音设计,满负荷运行下噪声可低至48 dB(空调室外机组的噪声指数一般为55 dB);谐波含量治理到3%以内,治理效果很好;负荷本身功率因数高,治理前后维持较高的功率因数(0.99左右)。

4 结 语

介绍三相不平衡的危害,对比不同治理措施,指出传统治理方式的一些不足和使用有源治理方式的优势。分析某台区现场测试和电力数据信息采集平台的数据,证明有源型设备运行效果显著,有效解决长期困扰的台变三相负荷不平衡、谐波、无功等问题,可在经济、合理的情况下逐步推广,解决台区三相不平衡等问题。

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