基于三相不平衡治理的校园节能方法及应用——以安徽工程大学校园实例分析

文_唐红梅 郑刚 安徽工程大学能源办

在配电网中，三相电流电压由于不可控因素造成系统故障是普遍现象。在对校园配电网的实际运行过程中发现，整个配电系统电压电能质量较好，但电流的谐波和不平衡问题广泛存在，这些问题会影响配电网的运行安全，因此对三相不平衡问题治理方案的研究显得尤为重要。本文针对校园配电网的组成和配电网中存在的三相不平衡、谐波和功率因素等问题进行实测和分析，给出校园配电网的治理方案，最后通过方案的实施改善了电能质量，排除了安全隐患，提高了资源的利用率。

1 校园配电系统

1.1 典型数据测量及电能质量分析

为了了解掌握整个校园配电系统的供电质量情况，分别对13台变压器400V母线及主要供电分回路的相线与零线电能质量参数进行了监测，获得负载运行时的主要电能质量参数，以下是以学校的师生活动中心配电房以及老配电房为例进行分析。

1.2 师生活动中心配电房

电压电能质量较好，但电流谐波及不平衡数据较差，谐波含量高达42.9%，其中3、5、7含量较高，达到34.0%、20.28%、11.49%，N线上的电流更是高达91.1A。根据式(1) 计算三相电流不平衡度：

式中η—不平衡度；

imax—最大电流；

imin—最小电流。

通过计算可以得到电流不平衡度达到29.7%。

1.3 老电房

电压电能质量较好，但电流谐波、功率因数、不平衡数据较差，电流谐波高达32.17%，主要由3、5、7次构成，分别占比为8.16%、23.38%、20.4%，N线上电流更是高达159.8A。通过式（1）可以得到电流不平衡度达到27.3%。

由以上数据可知，15台变压器推算谐波含量较高，尤其N线电流较大，N线电流一般由不平衡电流及三次谐波构成。配电设计N线铜排或线缆线径比相线小很多，而由于三次谐波的存在，可能导致N线三次谐波是相线的3倍，进而导致N线电流增大，一旦超过线径容量较容易导致电缆发热过载甚至销毁。

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体现在，如果三相电流不平衡，电流会比平衡状态的损耗增加17%，在最严重的情况下，比平衡状态的损耗会增加300%。配电变压器当在三相负载不平衡工况下运行时，将会造成配变损耗的增加。同时，三相负载不平衡时，会出现变压器局部金属件温度升高发热，导致变压器某些部件的温度上升过快，引起配变产生零序电流，导致设备寿命降低。

2.2 三相不平衡的治理方法

在配电网中附加补偿装置是目前最有效的解决三相不平衡的方式。①相线滤波器，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，抵消负载中相应的谐波电流实现动态谐波治理。②零线滤波器，利用电磁原理和移相技术，滤除谐波的装置。③三相负荷不平衡治理设备，实现三相负荷平衡调节、有效减小电网线损、稳定系统电压、提高设备利用率。④双向电压调节器，改进型单相动态电压调节器，可对负载电压进行有效控制。

假设P1为节电前功率，P2为节电后功率，U1为节电前负载电压，U2为节电后负载电压，R为负载阻抗，n为节电率，以U1为240V，U2为220V为例。节电率n可以表示为式(2)。

根据式（2）可以得到节电率达到15.97%。

3 绿色节能三相设备的实例分析

3.1 数据分析

以校园配电网中的师生活动中心配电柜为例，假设接入三相不平衡治理设备，三相电流为IA=108A，IB=150A，IC=90A，总损耗为1082Z+1502Z+902Z=42264Z。三相电流调节后，IA=116A，IB=116A，IC=116A，总损耗为1162Z+1162Z+1162Z=40368Z；（42264-40368）/42264×100%=4.5%，变压器损耗降低4.5%。

谐波畸变THD（实测为42.9%）按40%计，变压器负载率取60%，30%不平衡治理容量，1000kVA变压器。Ih=(1000000/(400×1.732))×0.6×0.4×1.3=450A，补偿前总电流I1=（1000000/(400×1.732）×0.6×1.3=1126A，补偿后总电流I2=sqrt（I1×I1-Ih×Ih）=1032A，装置安装运行后，总电流减小I3=I1-I2=94A，电流减少8.3%，变压器容量比增加8.3%，有效减少变压器的扩容周期。

3.2 方案的制定与实施

方案制定主要根据校园各个区域的实际情况，如宿舍楼区负载的复杂性，在运行时很容易产生三次谐波，会导致零线电流过大，极易造成电气火灾，所以零线电流的治理就显得格外重要，因此需在宿舍楼区安装零线滤波器。

以学校1#箱变为例，通过实测得到设备安装前后的波形图，变压器低压侧电网测试点的3次谐波电流趋势图。1#箱变开启前后谐波电流趋势图见图1所示。

图1 1#箱变开启零线滤波器前后的3次谐波电流趋势图

从图1可以看出，当零线滤波器开启后，谐波含量都有明显下降，达到了很好的治理效果，提高了配电网系统的安全稳定性，消除了零线电流过大的隐患。

4 结语

本文在分析了三相不平衡的危害和治理方案基础上，针对安徽工程大学校园的配电网系统实际情况，给出了补偿设施的选择和安装方案，通过实际的设备安装和数据的采集，应用绿色节能三相平衡设备，对于校园配电网的电能质量问题治理效果较好，三相电流趋于同一值，畸变明显得到改善，谐波含量明显减少，取得了良好的经济效益，同时也提高了系统的运行安全稳定性。