基于三相不平衡治理的校園節能方法及應用
——以安徽工程大學校園實例分析

文_唐紅梅 鄭剛 安徽工程大學能源辦

在配電網中，三相電流電壓由于不可控因素造成系統故障是普遍現象。在對校園配電網的實際運行過程中發現，整個配電系統電壓電能質量較好，但電流的諧波和不平衡問題廣泛存在，這些問題會影響配電網的運行安全，因此對三相不平衡問題治理方案的研究顯得尤為重要。本文針對校園配電網的組成和配電網中存在的三相不平衡、諧波和功率因素等問題進行實測和分析，給出校園配電網的治理方案，最后通過方案的實施改善了電能質量，排除了安全隱患，提高了資源的利用率。

1 校園配電系統

1.1 典型數據測量及電能質量分析

為了了解掌握整個校園配電系統的供電質量情況，分別對13臺變壓器400V母線及主要供電分回路的相線與零線電能質量參數進行了監測，獲得負載運行時的主要電能質量參數，以下是以學校的師生活動中心配電房以及老配電房為例進行分析。

1.2 師生活動中心配電房

電壓電能質量較好，但電流諧波及不平衡數據較差，諧波含量高達42.9%，其中3、5、7含量較高，達到34.0%、20.28%、11.49%，N線上的電流更是高達91.1A。根據式(1) 計算三相電流不平衡度：

式中η—不平衡度；

imax—最大電流；

imin—最小電流。

通過計算可以得到電流不平衡度達到29.7%。

1.3 老電房

電壓電能質量較好，但電流諧波、功率因數、不平衡數據較差，電流諧波高達32.17%，主要由3、5、7次構成，分別占比為8.16%、23.38%、20.4%，N線上電流更是高達159.8A。通過式（1）可以得到電流不平衡度達到27.3%。

由以上數據可知，15臺變壓器推算諧波含量較高，尤其N線電流較大，N線電流一般由不平衡電流及三次諧波構成。配電設計N線銅排或線纜線徑比相線小很多，而由于三次諧波的存在，可能導致N線三次諧波是相線的3倍，進而導致N線電流增大，一旦超過線徑容量較容易導致電纜發熱過載甚至銷毀。

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體現在，如果三相電流不平衡，電流會比平衡狀態的損耗增加17%，在最嚴重的情況下，比平衡狀態的損耗會增加300%。配電變壓器當在三相負載不平衡工況下運行時，將會造成配變損耗的增加。同時，三相負載不平衡時，會出現變壓器局部金屬件溫度升高發熱，導致變壓器某些部件的溫度上升過快，引起配變產生零序電流，導致設備壽命降低。

2.2 三相不平衡的治理方法

在配電網中附加補償裝置是目前最有效的解決三相不平衡的方式。①相線濾波器，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，抵消負載中相應的諧波電流實現動態諧波治理。②零線濾波器，利用電磁原理和移相技術，濾除諧波的裝置。③三相負荷不平衡治理設備，實現三相負荷平衡調節、有效減小電網線損、穩定系統電壓、提高設備利用率。④雙向電壓調節器，改進型單相動態電壓調節器，可對負載電壓進行有效控制。

假設P1為節電前功率，P2為節電后功率，U1為節電前負載電壓，U2為節電后負載電壓，R為負載阻抗，n為節電率，以U1為240V，U2為220V為例。節電率n可以表示為式(2)。

根據式（2）可以得到節電率達到15.97%。

3 綠色節能三相設備的實例分析

3.1 數據分析

以校園配電網中的師生活動中心配電柜為例，假設接入三相不平衡治理設備，三相電流為IA=108A，IB=150A，IC=90A，總損耗為1082Z+1502Z+902Z=42264Z。三相電流調節后，IA=116A，IB=116A，IC=116A，總損耗為1162Z+1162Z+1162Z=40368Z；（42264-40368）/42264×100%=4.5%，變壓器損耗降低4.5%。

諧波畸變THD（實測為42.9%）按40%計，變壓器負載率取60%，30%不平衡治理容量，1000kVA變壓器。Ih=(1000000/(400×1.732))×0.6×0.4×1.3=450A，補償前總電流I1=（1000000/(400×1.732）×0.6×1.3=1126A，補償后總電流I2=sqrt（I1×I1-Ih×Ih）=1032A，裝置安裝運行后，總電流減小I3=I1-I2=94A，電流減少8.3%，變壓器容量比增加8.3%，有效減少變壓器的擴容周期。

3.2 方案的制定與實施

方案制定主要根據校園各個區域的實際情況，如宿舍樓區負載的復雜性，在運行時很容易產生三次諧波，會導致零線電流過大，極易造成電氣火災，所以零線電流的治理就顯得格外重要，因此需在宿舍樓區安裝零線濾波器。

以學校1#箱變為例，通過實測得到設備安裝前后的波形圖，變壓器低壓側電網測試點的3次諧波電流趨勢圖。1#箱變開啟前后諧波電流趨勢圖見圖1所示。

圖1 1#箱變開啟零線濾波器前后的3次諧波電流趨勢圖

從圖1可以看出，當零線濾波器開啟后，諧波含量都有明顯下降，達到了很好的治理效果，提高了配電網系統的安全穩定性，消除了零線電流過大的隱患。

4 結語

本文在分析了三相不平衡的危害和治理方案基礎上，針對安徽工程大學校園的配電網系統實際情況，給出了補償設施的選擇和安裝方案，通過實際的設備安裝和數據的采集，應用綠色節能三相平衡設備，對于校園配電網的電能質量問題治理效果較好，三相電流趨于同一值，畸變明顯得到改善，諧波含量明顯減少，取得了良好的經濟效益，同時也提高了系統的運行安全穩定性。