低壓配電網電能質量綜合治理裝置的設計

摘 要：低壓配電網電能質量綜合治理裝置用于解決低壓配電網諧波嚴重、電壓波動大等電能質量問題，具備零序濾波、無功補償、二次防雷以及電能質量監測等功能。本文描述了低壓配電網電能質量綜合治理裝置的設計思路與應用的技術，裝置采用一體化設計，緊湊、實用、可靠。

關鍵詞：低壓配電網；電能質量；濾波；無功補償；二次防雷

現代電能質量可以理解為“導致用戶電力設備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，造成用電設備故障或錯誤動作的任何電力問題都是電能質量問題”。理想的電能質量是頻率為50Hz、三相平衡、電壓電流波形為單一頻率的正弦波。

隨著非線性負荷的大量增加，導致電網電壓、電流波形發生畸變，造成大量電能損失；同時，沖擊性負載及無功補償不足常引起電網電壓波動和閃變，影響企業的正常生產和人民群眾的日常生活，并導致線路損耗增加，使電能損失嚴重。

目前，單一電力電子系統是解決電能質量問題的重要途徑，但單一電力電子系統由于存在功能的局限性，難以滿足對諧波、無功等電能質量問題的治理要求，所以低壓配電網電能質量需要綜合治理。低壓配電網電能質量綜合治理裝置由此而生。

1 總體設計思路

電能質量的補償形式主要是按不同的電壓等級進行分類。在配電網低壓系統中主要是對電壓波動和諧波進行治理。配電網高電壓等級應用的諧波治理和無功補償裝置相對成熟，而低壓配電網的電能質量常被忽視，本文描述的電能質量綜合治理裝置主要以380V配網為治理對象。

若以理想的電能質量控制為目標，則主要努力方向為以下幾個方面：

1）電能質量控制系統在控制效果與功能上應該是對多種電能質量問題均具有較好的控制效果，而不是僅對某一特定的電能質量問題起作用；

2）電能質量控制系統具有較高的性價比，在裝置成本較低的情況下實現高性能的電能質量控制；

3）電能質量控制體現在對現有電能質量控制器的合理利用上，在已投運裝置的基礎上，通過增加少量其它裝備或改變控制算法、運行策略等提升整個電能質量控制系統的性能；

4）電能質量控制是一個全局的概念，對于特定的配電網而言，電能質量控制裝置配置的容量、位置等應從全局的角度考慮，以較低的投資獲得最優的控制效果。

筆者設計的低壓配電網電能質量綜合治理裝置具備濾波、無功補償、過電壓保護等功能，兼具監測的作用。

1）基于曲折移相零序濾波器的設計思路，在保留了無源濾波器投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點外，還克服了其許多缺點，能做到濾波特性不受電網參數影響、不對其他諧波產生放大作用、沒有失諧問題等。和有源濾波器相比，成本低廉、工作可靠、過載能力強。同時，可以實現基波零序的低阻通道，對單相負載造成的嚴重不平衡具有明顯的負載平衡作用。

2）無功補償技術的發展趨勢表明，技術性能優越的智能型無觸點無功動態補償裝置，必將成為主流，故采用之。

3）低壓配電網的絕緣水平較低，低壓配電網二次防雷技術能保護用戶電源安全，減少用電糾紛，同時兼顧提高零序濾波器和無功補償裝置的過電壓防護水平和可靠性。

4）合理的治理方案必須依賴于對電能質量的監測與分析，亦在裝置中有所表現。

以下對低壓配電網電能質量綜合治理裝置的各功能模塊詳細說明之。

2 諧波治理

諧波產生的根本原因是由于電力系統中某些設備和負荷的非線性特性使所加的電壓與電流不成線性關系而造成的波形畸變。使用濾波器可消除諧波。

2.1 零序濾波器

零序電流在系統中性線中流通，包括負載不平衡的基波電流、3次、9次、15次等3倍頻次諧波電流。和三相正序、負序電流在中性線互相抵消不同，零序電流由于三相大小相等、相位相同在中性線上表現為疊加的效果?；谇垡葡嗟臒o電容拓撲零序濾波器，就是根據零序電流的特點，通過特殊磁路結構及繞組接線，在電源和負載之間實現零序低阻通道，將負載產生的基波不平衡電流、3倍頻高次諧波電流等零序電流導入，避免了零序電流主要成分通過系統形成回路，從而達到濾波的效果。

濾波器為全鐵心結構，每相鐵心上分布有匝數相同的兩組繞組，三相輪換曲折反極性連接。由于零序電流矢量總是大小相等、方向相同，因此，一個線圈在一個心柱內產生的零序磁通將被繞在同一個心柱上的另外一個線圈產生的零序磁通抵消，這就使得裝置呈現出的零序阻抗很小，如果采用并繞工藝來制作電抗器，則繞組間的漏磁可以忽略不計，因此零序濾波電抗器的零序阻抗基本等于繞組的電阻（非常?。虼肆阈驗V波電抗器可引導負載的零序諧波電流就近形成回路以避免注入系統，擴大影響范圍。

零序濾波電抗器接入系統后電路拓撲如圖1所示，圖中ZS為系統阻抗，ZSN為系統側中線阻抗，ZLN為負載側中性線阻抗，ZRN為濾波器零序阻抗。

2.2 設計要點

2.2.1 過載問題

由圖2可見，系統內的零序電流由兩部分激勵產生，其一為不平衡或非線性負荷，其二為三相不平衡的系統電源。流過濾波器的零序電流可通過分別考慮兩部分激勵的疊加原理進行分析。一般地，濾波器的容量根據負載零序電流的大小進行設計，不會出現過載長期過載現象。但若系統電壓發生三相不對稱，出現較大零序電壓分量時，由于系統輸出阻抗（包括線路阻抗、中性線阻抗）和濾波器阻抗均很小，因此系統側的零序電壓將引起數值很高的零序電流通過濾波器流通，極端情況下會導致濾波器、電源變壓器及線路的過載燒毀，釀成事故。

采用中性線串聯限流電抗器是一種有效方法，可以顯著限制因系統電壓三相不對稱引起的過大的零序電流。但中性線串聯電抗器可能引起中性線上壓降過高導致三相不平衡，甚至引起中性線的開路故障。另外，我國規程規定中性線上不允許加裝開關和熔斷器等設備，更不用說接入電抗器了。

為此，針對輸出阻抗小的大容量系統設計出了零序阻斷電抗器。即在零序濾波器接入點的線路上串聯對零序電流呈現高阻，而對正序、負序為低阻的進線電抗器。這樣就完美實現了負荷側零序電流在負荷和零序濾波器間流動，不進入系統，而因電源不對稱產生的零序電流因回路零序阻抗極大而被限制到極小數值。同時，濾波器對系統正序、負序分量基本無影響。

2.2.2 高效的磁路結構設計

對阻零電抗器和濾波器的鐵心進行一體化設計，可以大大降低有效材料的消耗，減小體積，降低成本，提高效率。但阻零電抗器為三相串聯接入線路，為零序勵磁電抗；而濾波器為并聯接線，正序、負序分量為勵磁電抗，而零序分量為漏抗，設計中要求兩者磁通在鐵心中互不干擾。

2.2.3 減小濾波器漏抗

漏抗數值會對濾波效果將產生顯著影響，因此必須盡量降低漏抗數值。其中繞組排列、鐵心結構是重要影響因素。圖3為一種降低漏抗的排列思路。

2.2.4 降低濾波器阻尼

阻尼存在使得濾波器的等效阻抗增大，削弱了濾波效果。同時零序諧波電流長期通過濾波器流通，阻尼過大會顯著增加損耗，降低效率。因此，最大限度地降低阻尼是非常必要的。

從兩個方面著手，一是減小鐵心損耗，二是降低銅耗。兩種措施都會使得有效材料消耗增加、體積增大。設計中兼顧濾波效果和制作成本的經濟設計方法。

3 無功補償

在配網線路安裝無功補償電容器是補償無功功率的重要手段，其中用接觸器投切電力電容器以補償用戶無功功率為常用方法。但其響應速度較慢，在用電設備無功變化較快且有沖擊性負載的系統中，不能實施有效地跟蹤補償；且存在電容器投入時會產生較大的涌流、電容器切除時會產生較高的過電壓、電容器再次投入之前需要充分的放電、每次投切電容器容量有限制、切除后的電容器必須延時3分鐘后方可再次投入等問題。故采用無觸點開關取代之。

本模塊設計中考量電容器投切開關及控制策略的選擇，以及高性能指標下的成本約束等。

本模塊采用全數字緊湊型，裝在配電變壓器低壓側，根據無功電流的變化按權重（可編碼設定）自動投切電容器，對用戶側進行三相無功補償，補償到變壓器最大負荷時其高壓側功率因數不低于0.9。補償容量最小5kvar，最大65kvar，以5kvar為基數加權。其原理接線圖如圖4所示。

本模塊采用組合固體開關取代傳統的機械開關，如圖5所示，包括一個二極管D、一個可控硅S和一個控制器組成。二極管D與可控硅S反向并聯，在控制器發出觸發脈沖前，可控硅S關斷，電容C通過二極管D被預充電至系統電壓，造成可控硅S導通前兩端電壓差為0。當控制器跟蹤無功電流決定進行補償時，觸發脈沖的起點位于可控硅S兩端電壓差為0的時刻，脈沖周期與電網電壓一致，并聯電容投入電網，輸出無功。補償完畢，停止觸發，則在電流為0時，可控硅S自然關斷，電容C重新充電，準備下次補償。故此開關具有以下特點：它直接采樣無功電流，而非功率因數，故能做到實時跟蹤無功電流以快速自動投切電容器；它在雙零狀態時投切電容器，在投切電容器時做到響應快（極短小過渡過程），可靠性高（無涌流和過電壓），消除了過載的可能。

此開關在得到開信號后，接通的延時不會超過一個周波；關斷時亦然，也就是說本開關的開關速度小于20ms，這一進步給無功補償的測量和控制帶來了極大的變化。有了這樣的開關速度，投入、切除電容器的數量也沒有限制的條件，其測量改為無功功率（電流）測量，在知道線路所缺無功功率時，采取一步（最多兩步）到位的投入和切除方法，在一個或幾個周波的時間內跟上線路無功變化，且輸出采取加權重的分組方法，減少輸出組數。例如，可以采取分組電容kvar的比為1：2：3：3的四組輸出代替平均輸出時的9組輸出；用kvar為1：2：3：3：3的5組輸出去代替平均的12組輸出；用kvar為1：2：3：3：3：3的6組代替平均的15組輸出。

4 二次防雷與過電壓保護

根據《電力系統二次設備SPD防雷技術規范》標準，采用多級分層次的對配電變壓器、低壓配電網電能質量治理裝置和用戶電源進行系統過電壓和雷擊過電壓防護。

4.1 配電變壓器的防護

用戶系統通常由10kV/380V配電變壓器供電，雷電直接擊到輸電線路上，或者輸電線路旁邊地方落雷時感應到線路上，于是雷電從電源線路侵入用戶系統。防護措施如圖6所示。

4.2 低壓配電網電能質量治理裝置的防護

1）配電線路和裝置遭受雷擊后，雷電流會經避雷裝置流入接地網，如果接地網的接地電阻偏大或接地網的均壓效果不好時，在強大的雷電流作用下，會使接地網的局部電位顯著抬高，并由此導致電地位對設備反擊而損壞設備。

從安全及運行穩定等角度來考慮，裝置必須可靠接地，如果雷擊時，設備的接地線路為高電位，而裝置的某處因某種原因為低電位，則地線對裝置上該點的電位差全部由設備承受，這實際上是地線對裝置某點的過電壓，該過電壓也是輕則使設備加速老化，重則直接將設備損壞。

所以，為了改善沖擊地電位分布限制局部電位升高，設計中盡量從地電位分布均勻考慮，防止局部電位升高，對裝置造成的不良影響。

2）因雷電通過低壓電源系統對控制和測量的危害較大，因而低壓電源系統的防雷保護也就特別重要。為防止低壓電源系統的雷害事故，在低壓釆取如下防雷保護措施。

對裝置的系統供電電源和控制系統、測量系統配置電源保護裝置，保護裝置應符合國家和行業相關標準，具備很高的電涌流瀉放能力，最大放電電流至少100kA或80kA（8/20μs）；保護裝置應具有失效檢測指示、標準模塊化安裝等功能，具備較大的電涌流泄放能力和零地保護模式。

對裝置的控制信號和測量信號在前串接隔離變壓器進行隔離，并加裝對地電容或電涌保護器（SPD）進行雷電波的吸收。

4.3 用戶電源的防護

4.3.1 電源第一級

在向控制系統供電的配電系統（交流配電柜和UPS）的總配電柜出線端口分別配置電源第一級保護裝置（如電涌保護器）；在UPS的主回路、蓄電池、旁路、輸出電源等位置分別配置第一級保護裝置。保護裝置符合IEC和GB等相關標準，適用于重要設備電源供電系統的第一級電源電涌保護，具備很高的電涌流瀉放能力，最大放電電流至少100kA或80kA（8/20μs），選用帶有雷擊計數功能的SPD；各級SPD具有劣化指示功能。

4.3.2 電源第二級

在各控制系統的分配電柜輸入前端分別設置低壓配電系統保護裝置。保護裝置應具有失效檢測指示、標準模塊化安裝、可插拔更換防雷模塊等功能，具備較大的電涌流泄放能力和零地保護模式，適用于三相電源系統的第一、二級防雷。

4.3.3 電源第三級

在各控制系統的用電設備輸出配電柜分別設置低壓配電系統保護裝置。該保護裝置具有失效檢測指示、標準模塊化安裝、可插拔更換防雷模塊和零地保護模式等功能，具備大的雷電流泄放能力，適用于三相電源系統的第三級防雷。

4.3.4 電源設備前（第四）級

在操作臺等位置安裝插座式保護裝置作為電源末級保護。保護裝置符合IEC和GB等相關標準，具有共模、差模防雷模式、RFI/EMI濾波電路及級間協調電感器、可吸收無線電電磁干擾等線路浪涌等功能。

5 分布式電源的接入與監測

配電網作為電力系統的最末端直接與用戶（尤其是居民用戶）相連，本身的電能質量指標就比較落后。分布式發電引入配電系統后，其電能質量水平直接影響到用戶的日常生活和經濟活動，各種如電壓跌落、閃變、短時供電中斷、三相不平衡以及諧波等電能質量問題，使得更易發生供電阻塞以及次生故障。

值得一提的是，微網本身也可擔當一定的電能質量調節任務，與電能質量調節裝置配合可起到揚長（功率響應積極，有功無功分別可調）避短（間歇、不穩定）的作用，同時可降低配電網中配置的用戶電力裝置的容量。

因此，加強對電能質量各指標的監測，可及時采取有效措施。本裝置監測電壓變化及諧波含量，輔助分析。

6 結語

本文所述低壓配電網電能質量綜合治理裝置足以解決380V配電網的各種電能質量問題。本裝置在多個臺區運行，濾波、無功補償及二次防雷效果顯著。

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