三相四線低壓配電系統(tǒng)電壓、電流不平衡問(wèn)題研究

1、三相四線低壓配電系統(tǒng)電壓、電流不平衡問(wèn)題研究華北水利水電學(xué)院 周國(guó)安第一章 三相負(fù)載不平衡概述1.1 三相負(fù)載不平衡的危害三相電路中只要電源、負(fù)載阻抗或線路阻抗之一不滿足對(duì)稱條件，就是不 對(duì)稱三相電路。 我國(guó)城鄉(xiāng)配電網(wǎng)中大量采用了三相四線制接線方式， 且配電變壓 器為丫/Yn。接線，存在很多的單相負(fù)載，因此三相不平衡運(yùn)行是不可避免的。國(guó) 標(biāo)GB50052供配電設(shè)計(jì)規(guī)范、變壓器運(yùn)行規(guī)程中都規(guī)定了Y/Y no接線的配電變壓器運(yùn)行時(shí)中性線電流不能超過(guò)變壓器相、 線電流的 25%，這是由變壓器 的結(jié)構(gòu)所決定的。 中性線電流的增加會(huì)引起變壓器損耗的增加， 同時(shí)造成中性點(diǎn) 電位的偏移。 本項(xiàng)目定量分析研究

2、了這種影響， 同時(shí)采用一種新的補(bǔ)償方法減小 了附加損耗與中性點(diǎn)電壓的偏移。一般三相電源是對(duì)稱的，而在低壓配電系統(tǒng)中，三相負(fù)載的不對(duì)稱是常見(jiàn) 的。負(fù)載三相電壓不平衡是因?yàn)樨?fù)載阻抗不對(duì)稱所致，屬于基本負(fù)荷配置問(wèn)題。 發(fā)生三相電壓不平衡既與用戶負(fù)荷特性有關(guān)， 同時(shí)也與電力系統(tǒng)規(guī)劃、 負(fù)荷配置 問(wèn)題有關(guān)。由于負(fù)序分量和零序分量而引起公共連接點(diǎn)（ PCC 點(diǎn)）電壓不平衡， 三相電壓不平衡給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)很大的危害，主要有： 1.1.1對(duì)于變壓器的危害在生產(chǎn)、生活用電中，三相負(fù)載不平衡時(shí)使變壓器處于不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài),造成變壓器損耗增大 （包括空載損耗和負(fù)載損耗 ）。根據(jù)變壓器運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，在運(yùn) 行中的變壓

3、器中性線電流不得超過(guò)變壓器低壓側(cè)額定電流的25%，此外，三相負(fù)載不平衡運(yùn)行， 會(huì)使變壓器零序電流過(guò)大， 局部金屬件溫度升高， 甚至導(dǎo)致變壓 器燒毀。配變出力減少。 配變?cè)O(shè)計(jì)時(shí)， 其繞組結(jié)構(gòu)是按負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的， 其 繞組性能基本一致， 各相額定容量相等。 配變的最大允許出力要受到每相額定容 量的限制。 假如當(dāng)配變處于三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行， 負(fù)載輕的一相就有富余容量，從而使配變的出力減少。 其出力減少程度與三相負(fù)載的不平衡度有關(guān)。 三 相負(fù)載不平衡越大，配變出力減少越多。為此，配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行， 其輸出的容量就無(wú)法達(dá)到額定值， 其備用容量亦相應(yīng)減少， 過(guò)載能力也降低。 假 如

4、配變?cè)谶^(guò)載工況下運(yùn)行，極易引發(fā)配變發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐膳渥儫龘p。配變產(chǎn)生零序電流。配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡工況下運(yùn)行，將產(chǎn)生零序電流， 該電流將隨三相負(fù)載不平衡的程度而變化，不平衡度越大，則零序電流也越大。 運(yùn)行中的配變?nèi)舸嬖诹阈螂娏?，則其鐵芯中將產(chǎn)生零序磁通。 （高壓側(cè)沒(méi)有零序 電流）這迫使零序磁通只能以油箱壁及鋼構(gòu)件作為通道通過(guò)，而鋼構(gòu)件的導(dǎo)磁率 較低，零序電流通過(guò)鋼構(gòu)件時(shí)， 即要產(chǎn)生磁滯和渦流損耗， 從而使配變的鋼構(gòu)件 局部溫度升高發(fā)熱。 配變的繞組絕緣因過(guò)熱而加快老化， 導(dǎo)致設(shè)備壽命降低。 同 時(shí)，零序電流的存在也會(huì)增加配變的損耗。1.1.2對(duì)用電設(shè)備的影響 三相電壓不平衡的發(fā)生將可能導(dǎo)

5、致數(shù)倍電流的不平衡發(fā)生，由于負(fù)序電流 的增大，誘導(dǎo)電動(dòng)機(jī)中逆扭矩增加，從而使電動(dòng)機(jī)的溫度上升，效率下降，能耗 增加，發(fā)生震動(dòng)， 輸出功率降低等其他方面的影響。 各相之間不平衡會(huì)導(dǎo)致用電 設(shè)備使用壽命縮短， 加速設(shè)備部件更換率， 增加設(shè)備維修成本， 斷路器允許電流 的余量減少， 當(dāng)負(fù)載變更或交替時(shí)容易發(fā)生超載、 短路現(xiàn)象。中性線中流入過(guò)大 不平衡電流，導(dǎo)致中性線截面選擇過(guò)大。影響用電設(shè)備的安全運(yùn)行。配變是根據(jù)三相負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的，其 每相繞組的電阻、 漏抗和激磁阻抗基本一致。 當(dāng)配變?cè)谌嘭?fù)載平衡時(shí)運(yùn)行， 其 三相電流基本相等， 配變內(nèi)部每相壓降也基本相同， 則配變輸出的三相電壓也是 平衡

6、的。假如配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，其各相輸出電流就不相等，其配變內(nèi)部相壓降就不相等， 這必將導(dǎo)致配變輸出電壓三相不平衡。 同時(shí)， 配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行， 三相輸出電流不一樣， 線產(chǎn)生阻抗壓降， 從而導(dǎo)致中性點(diǎn)漂移， 相電壓降低， 而負(fù)載輕的一相電壓升高。 電壓高的一相接帶的用戶用電設(shè)備燒壞，而中性線就會(huì)有電流通過(guò)。 因而使中性 致使各相相電壓發(fā)生變化。 負(fù)載重的一 在電壓不平衡狀況下供電， 即容易造成 而電壓低的一相接帶的用戶用電設(shè)備則可能無(wú)法使用。所以三相負(fù)載不平衡運(yùn)行時(shí)，將嚴(yán)重危及用電設(shè)備的安全運(yùn)行電動(dòng)機(jī)效率降低。配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡工況下運(yùn)行，將引起輸出電壓三 相不平衡。由于不平

7、衡電壓存在著正序、負(fù)序、零序三個(gè)電壓分量，當(dāng)這種不平 衡的電壓輸入電動(dòng)機(jī)后，負(fù)序電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與正序電壓產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相 反，起到制動(dòng)作用。但由于正序磁場(chǎng)比負(fù)序磁場(chǎng)要強(qiáng)得多，電動(dòng)機(jī)仍按正序磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。而由于負(fù)序磁場(chǎng)的制動(dòng)作用，必將引起電動(dòng)機(jī)輸出功率減少，從而導(dǎo) 致電動(dòng)機(jī)效率降低。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫升和無(wú)功損耗，也將隨三相電壓的不平衡 度而增大。所以電動(dòng)機(jī)在三相電壓不平衡狀況下運(yùn)行， 是非常不經(jīng)濟(jì)和不安全的。 1.1.3對(duì)線損的影響三相四線制接線方式，當(dāng)三相負(fù)荷平衡時(shí)線損最?。划?dāng)三相負(fù)荷不平衡時(shí)， 中性線電流增大，無(wú)論何種負(fù)荷分配情況，電流不平衡度越大，線損增量也越大。增加線路的電能損耗。在三

8、相四線制供電網(wǎng)絡(luò)中，電流通過(guò)線路導(dǎo)線時(shí)， 因存在電阻必將產(chǎn)生電能損耗，其損耗與通過(guò)電流的平方成正比。 當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)以 三相四線制供電時(shí)，由于有單相負(fù)載存在，造成三相負(fù)載不平衡在所難免。當(dāng)三 相負(fù)載不平衡運(yùn)行時(shí)，中性線即有電流通過(guò)。這樣不但相線有損耗，而且中性線 也產(chǎn)生損耗，從而增加了電網(wǎng)線路的損耗。1.1.4導(dǎo)致周圍電子設(shè)備無(wú)法正常工作。1.2三相負(fù)載不平衡各序分量分析三個(gè)矢量組成一個(gè)閉合三角形，就是說(shuō)，如果它們的幾何和等于零，那么 零序分量為零。因此，線電壓組成的多相系統(tǒng)中，不可能有零序分量。若無(wú)中性 線，線電流多相系統(tǒng)中也同樣不可能有零序分量。所以，在三相不對(duì)稱系統(tǒng)中有中性線的正序分量、負(fù)序

9、分量、零序分量均不為零；在三相不對(duì)稱系統(tǒng)中無(wú)中性 線的零序分量為零，正序分量和負(fù)序分量不為零。如表1-1所示：表1-1不同運(yùn)行情況時(shí)的各序分量運(yùn)行情況正序分量負(fù)序分量零序分量三相對(duì)稱運(yùn)行VXX三相不對(duì)稱運(yùn)行有中性線VVV三相不對(duì)稱運(yùn)行無(wú)中性線VVX對(duì)于一個(gè)不對(duì)稱系統(tǒng)（A,B,C）可以寫成(1-1)對(duì)系數(shù)矩陣求逆可得(1-2)由此可知，一個(gè)不對(duì)稱三相系統(tǒng)，可以分解為三個(gè)對(duì)稱分量，而且是唯一可 行的分解方法。F面再用圖解法直觀地描述，將不對(duì)稱三相系統(tǒng)分解出各序分量。 如圖1-1， 假設(shè)有一個(gè)相矢量系統(tǒng)1回、匕和與之對(duì)應(yīng)的線矢量系統(tǒng)勺、勺、兇圖1-1不對(duì)稱三相系統(tǒng)分解出的各序分量對(duì)于相矢量系統(tǒng)，其正

10、序分量及負(fù)序分量由式可知(1-3) 在圖中，可以做以下代替：H則可得(1-4)由此可見(jiàn)，為了求得矢量 因 和田，只需在線矢量三角形中以PQ邊為底繪兩個(gè)等邊三角形PQ和PQ 即可，這時(shí)=I(1-5)從圖解法中可知，假如線矢量系統(tǒng)不變，不論相矢量如何變化，由相矢量分 解的正序分量和負(fù)序分量是不變的。因此，線矢量系統(tǒng)相與對(duì)應(yīng)的相矢量系統(tǒng)之 間僅有零序分量之差。從圖中可以看出，當(dāng)線矢量系統(tǒng)為對(duì)稱系統(tǒng)時(shí)，相矢量系 統(tǒng)的負(fù)序分量等于零。在沒(méi)有零序分量時(shí)，負(fù)序分量與正序分量的比率決定系統(tǒng) 的不平衡度。F面再看零序分量圖形描述，如果(1-6)Q圖1-2零序分量圖如圖1-2，凹 是以矢量耳和勺兩邊為基礎(chǔ)繪出的平

11、行四邊形，矢量?jī)磩t等于回。從這個(gè)圖中可以看出，矢量回的末端0點(diǎn)是在三角形PQR的重心上。由此可知，將 0'與0點(diǎn)相連，貝U得知矢量(1-7)假入囚點(diǎn)是在線矢量三角形的重心上，那么相矢量系統(tǒng)的零序分量就等于 零。從以上分析可知，不對(duì)稱系統(tǒng)的對(duì)稱分量可以應(yīng)用分析法和圖解法求得。1.3三相四線配電系統(tǒng)不對(duì)稱負(fù)載算例在不對(duì)稱三相電路中，設(shè)三相電源的電壓是對(duì)稱的，不對(duì)稱往往是由于負(fù)載 阻抗等原因引起的。如各種單相負(fù)載（照明燈、單相電動(dòng)機(jī)、單相電焊機(jī)等）就 很不容易均勻地分配到三相電路的各相上，特別是當(dāng)電路發(fā)生故障（短路或開(kāi)路） 時(shí)不對(duì)稱情況就更為嚴(yán)重，甚至造成三相負(fù)載（如三相電動(dòng)機(jī)）不能正常工作

12、或 燒毀。因此，除電源電壓外，各相電流及負(fù)載、各相電壓不再具有對(duì)稱性。圖1-3星形接線三相負(fù)載在星形接線中，如圖3-1，電源電壓V。負(fù)載阻抗電源電壓是對(duì)稱的，負(fù)載的數(shù)值相等但特性不同，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，分兩種情況計(jì)算負(fù)載中性點(diǎn) 囚的偏移及負(fù)序分量。即 中性線阻抗I汽1 ，即中性線斷開(kāi)； 中性線阻抗。第一種情況：中性線斷開(kāi)，S S S S(1-8)代入數(shù)值匚三1各負(fù)載電壓：VY .V電壓矢量圖如圖1-4Y .V75 "圖1-4中性線阻抗上J負(fù)載電壓相量圖各相負(fù)載電流由本例可見(jiàn)，在不對(duì)稱三相系統(tǒng)的丫一丫電路中，盡管三相電源電壓是對(duì)稱 的，但由于負(fù)載不對(duì)稱，從位移的矢量圖上看，電源中性點(diǎn)0與負(fù)載中性點(diǎn)因不 再重合，即中性點(diǎn)發(fā)生位移。顯然，中性點(diǎn)位移，使得各相負(fù)載電壓大小不同。 某些相電壓升高，某些相電壓降低，這將影響負(fù)載的正常工作。相電壓升高，造 成通過(guò)負(fù)載的電流大許多，有可能使該相用電設(shè)備因超過(guò)額定工作電壓而損壞； 而相電壓降低，使得用電設(shè)備不能正常工作，本例中各相電壓都比額定工作電壓 220KV大許多，是一種的嚴(yán)重的不對(duì)稱情況。第二種情況：中性線阻抗一一中點(diǎn) 電壓(1-9)代入數(shù)值各相負(fù)載電壓分別為電壓矢量圖如圖1-5所示:中性線電流為各相負(fù)載電流分別為圖1-5有中性線時(shí)負(fù)載電壓相量圖由以上兩種情況的計(jì)算對(duì)比，可見(jiàn)在不同負(fù)載特