三相不平衡電流補償裝置原理及應用

李想 李曉飛 李春華 袁彥

摘要：文章通過矢量分析的方法，說明了相間跨接電容器“不但能夠提供容性電流，同時還能夠在相間轉移部分有功電流”;闡述了用相間跨接電容器來平衡三相負荷電流的原理，提出了采用“共補+分補+跨補”的電容器混合補償裝置，解決了低壓配網的三相電流不平衡問題和無功就地平衡問題，同時具有降低網耗、實現電網經濟運行的良好效果。

關鍵詞：低電壓;三相不平衡電流;無功補償;混合補償;補償裝置 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2016）04-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.024

1 應用背景

隨著社會經濟的不斷發展，電力系統用電負荷不斷攀升，對電網硬件裝備及技術水平要求逐步提升，但目前部分地區配電網架建設處于嚴重的滯后狀態，造成380/220V低壓供電線路電壓明顯偏低。尤其是農村地區及邊遠地區，由于供電半徑過長及低壓供電線路線徑偏小等原因，“低電壓”現象普遍存在，已經嚴重影響了廣大民眾正常的生產活動和生活質量。“低電壓”現象的根本原因在于電網供電能力不足，其治理的方向可以從兩個方面入手：（1）進行電網改造和擴容，采取增建或擴建變電站、增大配變容量、拆分配變臺區、縮短供電半徑、改造低壓線路、增大低壓線徑等手段，以直接提升電網的供電能力;（2）采取技術措施，提升電網的無功功率就地平衡能力、線路的局部電壓調節能力和三相電流的平衡度，以間接提升電網的供電能力。本文介紹的“三相不平衡電流補償裝置”（以下簡稱“本裝置”），是基于就地平衡配變負荷側無功功率和調節配變負荷側三相不平衡電流的方法來提升配變的帶負荷能力，提高380/220V低壓供電線路電壓的合格率，解決用戶側的“低電壓”問題，同時具有降低網耗、實現電網經濟運行的良好效果。

2 進行無功補償的原因

電力系統在正常運行時，電源供給的無功功率是用來在電氣設備中建立和維持磁場，進行能量交換的。無功功率的存在為能量的輸送和轉換創造了必須的條件。沒有無功功率，變壓器就不能變壓和輸送電能，電動機的旋轉磁場也不能建立，電動機就無法旋轉做工。

在電力系統中，發電機是唯一的有功電源，也是基本的無功電源。如果系統只依靠發電機來提供無功功率，則會由于無功功率不斷來回交換而引起發電、輸電及供配電設備上的電壓損耗及功率損失。而發電機發出的所有功率等于有功功率與無功功率的矢量和，若提高無功功率的輸出，則必然會降低有功功率的輸出，這種運行方式也是很不經濟的。

電力系統中由于各種變壓器、電動機等感性無功負荷離發電機距離較遠，無功功率不斷在這些點之間來回進行流動，會導致線損增大，同時還會增加發電機、變壓器及其他電氣設備和導線的容量要求，導致整個電力系統建設投資加大。

在正常運行方式下，發電機可提供的無功功率是很有限的，而對于整個電力系統來說，對無功功率的需求是很大的。當無功功率不足時，會使線路及變壓器的電壓壓降增大。電壓壓降的增大會導致線路末端電壓不足，對許多設備的使用產生不良影響。若電壓跌落過多，電動機可能停止運轉或者無法啟動。電壓降低的同時，電動機電流將顯著增大，繞組溫度升高，嚴重情況下會造成電動機燒毀。系統中如果接有沖擊性無功功率負載，如電弧爐、軋鋼機等設備時，會頻繁地產生無功功率沖擊，造成電壓劇烈波動，甚至造成同一電網上的其他用戶無法正常工作，因此，必須保證接入無功容量的穩定。

3 應用范圍

本裝置可應用于三相四線制的低壓配電系統中，作為調節三相不平衡電流和補償功率因數之用。

4 技術指標

4.1 對三相不平衡度的要求

按照《電能質量：三相電壓允許不平衡度》（GB/T 15543-1995）規定，電網正常運行時，電力系統公共連接點負序電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%;接于公共連接點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。

4.2 對功率因數的要求

按照《并聯電容器裝置設計規范》（GB 50227-2008）規定：在最大負荷時，功率因數不應低于0.95;在低谷負荷時，功率因數不應高于0.95。

4.3 本裝置的補償效果

應用本裝置后三相電流不平衡度可控制在10%以下，三相的功率因數均可保持在0.95左右。

5 接線方式

在正常運行狀態下，電力系統中所接入的電氣負荷基本上以感性負荷為主，所以在進行無功補償時，以補償容性無功為主。

在接線方式方面，由于低壓電器基本以三相平衡負荷和單相負荷為主，所以無功補償裝置亦分為三相平衡補償和單相分相補償，其對應的電容器接線方式為：△形三相平衡接線和Y形相對地接線。

由于單相負荷在三個相線上功率分配的不均勻性和運行的不同時性，造成三相電流的不平衡和各相功率因數的不一致，所以需要采用相間補償的方法，即將電容器跨接在兩個相線之間，以平衡三相電流。

綜上所述，本裝置采用了“三相共補+分相補償+相間補償”的接線方式。

6 工作原理

6.1 無功補償的工作原理

由于容性電流超前于電壓90°，感性電流滯后于電壓90°，所以電容電流與電感電流是反向的。當電容與電感并聯時，電場能與磁場能可以相互轉換，無需再向電網索取無功電能，因此實現了無功功率的就地平衡，提高了系統的功率因數，降低了電網的輸出電流，提升了線路的末端電壓。

6.2 相間電容轉移有功電流的矢量分析

跨接在兩相之間的電容器，不但能夠提供容性電流，同時還可以轉移一部分有功電流。

將電容器跨接在A、B相之間時，可知：在A相端的電容器電流Ica可分解成相對于A相而言的容性無功電流Iac和阻性有功電流Iar，并使A相的有功電流減小;在B相端的電容器電流Icb可分解成相對于B相而言的容性無功電流Ibc和阻性有功電流Ibr，并使B相的有功電流增大。

由此可知，跨接在兩個相線之間的電容器，具有轉移有功電流的能力。

三相電流不平衡時，若采用相間跨接電容器補償，則可轉移有功功率并平衡三相電流，同時提高各相的功率因數。應用本裝置后三相電流不平衡度可控制在10%以下，三相的功率因數均可達到0.95。

7 裝置結構

本裝置采用了“三相共補+分相補償+相間補償”的混合補償方式，具有“無功就地平衡”和“三相電流平衡”的雙重功效。本裝置由微機控制器、過零投切專用復合開關、單相電容器、三相電容器（必要時應串聯電抗器）以及操控指示保護單元等構成，并自成獨立系統，可安裝于配變臺區的綜合配電柜（JP柜）中，亦可安裝于低壓配電柜中。通過內置的微機控制器，將補償裝置中的電容器進行優化投切，根據負荷的實時運行狀態，使電容器既可以接在相與相之間，亦可以接在相與地之間，從而既補償了系統的無功功率，同時又調整了各相之間不平衡有功電流的目的。本裝置的配置總容量、不同接線方式的分組容量、是否串聯電抗器、如何選擇電抗率以及具體結構的設計，應與本裝置安裝點的電網參數、負荷性質、安裝方式等具體條件相適應。

8 實際應用效果

應用前數據（2015年8月4日）：

應用后數據（2015年8月5日）：

圖中，縱軸為電流值，對數據分析得知：（1）在設備安裝以前，線路的三相負荷電流差距較大，最大的瞬時差距可達40A，三相不平衡狀況較為嚴重;（2）在三相不平衡補償裝置安裝之后，線路的三相負荷電流較為平穩，最大的瞬時差距為10A，三相負荷趨于平衡;（3）配電變壓器三相負荷趨于平衡，有效降低了配電變壓器的本身損耗，有效提升了配電變壓器的出力;（4）由于補償電容器組的投入，也有效提升了功率因數，對三相負荷的不平衡進行了有效的轉移，平衡三相負荷。

9 結語

本文的核心點在于：通過矢量分析，說明了相間跨接電容器“不但能夠提供容性電流，同時還能夠在相間轉移部分有功電流”。

據此得出：通過電容器“共補+分補+跨補”的混合補償方法，配合微機控制器的合理算法和裝置容量的合理配置，可將由負荷引起的三相不平衡電流，平均轉移成三相電流均分的狀態。若裝置設計合理，甚至可以達到“零線電流合成為零”的理想狀態。

由于在380/220V低壓供電線路電網中，單相負荷占據主導地位，三相不平衡電流普遍存在。因此，這種具有“平衡相間電流”的混合補償裝置具有極其廣闊的應用空間和推廣價值。特別在目前大范圍進行“低電壓”治理的工作中，對于配網無功電壓改善、提高電壓合格率、降低網損、提高低壓配網的安全性和經濟性，都具有很大的現實意義。

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（責任編輯：陳 潔）