基于换相技术的三相不平衡调整装置研制

张显才，秦振杰，刘延斌

(空军预警学院，湖北 武汉 430019)

我国配电网主要采用三相四线制的配电方式。理想情况下，各单相用电负荷应均匀地分配到各相上，此时达到三相平衡，三相电中线电流为0；但实际应用中，由于总负荷在三相间不能做到平均分配，且各单相用电负荷固定的接入三相电中的某一相，也无法做到动态调整，因此负载不平衡是造成三相不平衡问题产生的主要原因。在有的台区，三相不平衡度可高达60%-80%，远高于国家规定的不平衡度小于15%的国家标准[1]。三相不平衡问题能够造成配电变压器和负荷线路损耗增加；造成重载相电压降低；变压器零序电流增大，引起的涡流损耗使配电变压器运行温度升高，危及变压器的运行安全和使用寿命。零序电流还能造成中性点偏移，使负荷较低的相电压升高，负荷较大的相电压降低，极端情况下会烧毁用户用电设备，对电力系统和用户造成危害；同时三相不平衡还会出现负序电流，影响电能表的计量精度，给供电部门造成计费损失[2]。因此，对于三相不平衡的治理非常有意义，值得研究。

1 系统组成和工作原理

系统主要由变压器相电流检测装置，用户控制检测电路以及云终端计算机三部分组成。其硬件组成如图1所示。

图1 三相不平衡调整硬件框图

用户终端单元主要由换相开关，换相控制器、电流检测装置及无线网关三个单元构成。各模块单元以无线网关为中心，采用RS485总线的星型拓扑结构。

变压器相电流检测装置主要完成配电三相变压器相电流的检测，并将检测结果通过网络传输至云终端计算机；用户控制检测电路主要由换相开关，用户电流检测电路及无线网桥等单元构成。其主要作用是将用户侧的实时电流数据通过网络传输至云终端同时依据各用户实时电流数据，生产换相开关换相控制方案，并通过网络下发控制指令控制换相开关进行相应的换相操作。

2 换相开关的设计

换相开关是整个系统的核心，可以依据当前用户电流和总不平衡度，控制换相开关的接通与断开，实现用户负载在不同相电压之间的灵活转换，改变了传统连接方式中用户负载固定接入，无法在不同相电压之间调整的问题。

换相开关的本质是一个单刀三掷开关，实际中可以由3个开关实现，通过控制开关的接通与断开，即可实现负载接入三相供电中的任意一相。常用的开关有机械开关和电子开关二种。机械开关能容许通过的电流大，但开关动作相对较慢，开关时间至少为20 ms。电子开关开关动作速度快，一般在1ms以内可以完成开关动作，但电子开关一般可允许的最大平均电流较小，且在工作时自身功率损耗很大，发热量很高，需要外加散热器才能保证安全可靠运行。

对于换相器，除了需要实现基本的开关功能外，还需要减小开关切换时间，保证用户供电的连续性；可容许通过大电流；减小开关损耗，消除触点火花，减小浪涌电流，实现“软”开关的功能。

混合型软开关由机械开关和电子开关并联而成[3]。其结构如图2所示。机械开关选用具有磁保持功能的继电器；而电子开关选用双向可控硅。导通时，利用双向可控硅的快速导通特性，首先触发可控硅导通，然后触发磁保持继电器导通，此时电流由可控硅转移到继电器中。在确保磁保持继电器导通后，再触发可控硅断开，电流完全从继电器中流过。断开时，首先触发可控硅导通，此时电路中的可控硅和继电器处于同时导通的状态，然后再触发继电器断开，电路中的电流完全转移至可控硅中，最后再触发可控硅断开。由分析可见，继电器无论是被触发吸合还是断开时刻，此时与之并联的可控硅均处于导通状态，理想情况下其极间电压为零，即保证了继电器可以在零电压条件下开通和关断，实现了类似“软”开关的功能，消除了触点火花，减小了浪涌电流。如果可控硅的导通与关断，也被设置为电压过零点的时刻，则该开关完全实现了“软”开关的功能，减小了开关损耗，避免了对用户用电设备的冲击。从该混合型“软”开关的接通与断开工作过程分析可得，可控硅只在开关接通和断开的短暂时刻接入电路工作，因而无需安装散热装置；这种设计兼具了机械开关功耗低，电流大而电子开关速度快的优点。

图2 混合型软开关组成图

2.1 可控硅控制电路设计

实际使用中，可控硅的型号为BTA100-800。其最大电流为100 A，最高耐压为800 V。可控硅控制器的型号为MOC3083[4]。该器件是一个具有过零检测功能的光电耦合器，主要是用来驱动可控硅等器件，实现电子开关的功能。其具体电路如图3所示。

图3 可控硅控制电路

图3中，UA_CTRL信号为系统MCU发出的可控硅开通与断开控制信号，而可控硅真正的开关时刻需要在MCU发出控制信号以后，并且相电压过零的时刻，才能实现可控硅的控制。电路中电容C1和电阻R4，构成吸收电路，主要是吸收可控硅开关过程中产生的尖峰脉冲电压，保证可控硅安全有效的工作。

2.2 继电器控制电路设计

继电器选用具有磁保持功能的继电器[5]。磁保持继电器也是一种开关，和普通继电器一样，可以实现电路的通断控制。但不同的是，磁保持继电器的常开或常闭状态不需要持续施加控制电压，其状态的维持是主要依赖内部永久磁钢的作用。磁保持继电器通常只需施加正向脉冲电压即可实现继电器的吸合，施加负向脉冲电压即可实现继电器的断开，脉冲宽度一般为100 ms。

实际中，选用的磁保持继电器型号为HFE19-60 A。该继电器的最大电流为90 A，控制电压为12 V。由于对于磁保持继电器的控制需要施加正向或负向电压，此控制电压的产生由磁保持继电器专用驱动芯片MD7620配合MCU定时完成[6]。其电路如图4所示。

图4 磁保持继电器控制电路

该电路中，电阻R6为限流电阻。INA和INB为MCU发出的控制信号。当INA为高电平，INB为低电平时，产生正向控制电压，磁保持继电器吸合；反之，磁保持继电器断开。

3 系统测试结果

3.1 换相开关功能测试

在换相开关输出端接入不同的典型负载，在换相开关换相过程中，各负载的工作情况如表1所示。

表1 不同负载在换相时工作情况测试

3.2 换相开关换相过程测试结果

3.2.1 纯电阻负载的测试波形

示波器通道衰减100倍，负载电阻为30 Ω条件下，进行换相操作时，负载上电压波形如图5所示。

图5 阻性负载换相过程中负载电压波形

3.2.2 感性负载测试波形

示波器通道衰减100倍，负载为30 Ω电阻和10 mH电感相串联。在换相操作过程中，负载上电压的波形如图6所示。

图6 感性负载换相过程中负载电压波形

4 结束语

针对配电过程中出现的三相不平衡问题，本文详细的介绍了对其进行调整和改善的解决方案，阐明了系统工作原理，并详细介绍了系统中主要单元电路的设计方法和测试结果。该系统现已成功运用于某小区配电系统三相不平衡的治理。实践表明该系统运行稳定，调整实时性好，可以稳定的将小区配电三相不平衡度调整在10%以内，远远优于国家标准。