三相不平衡调节及无功补偿装置□杨嘉文１概述在中、低压配电网系统中，存在着大量的单相，不对称、非线性，冲击性负荷，三相负荷系统是随机变化的，这些负荷会使配电系统产生三相不平衡，三相负荷不平衡会导致供电系统三相电压、电流的不平衡，引起电网负序电压和负序电流，影响供电质量，进而增加线路损耗，降低供电可靠性。

因此电力变压器运行规程规定，Ｙ／Ｙ０变压器的中线电流不能超过额定电流的２５％。

由以上可知对负荷不平衡、无功短缺进行补偿对配电网来说有很大的实用价值，它可以降低线损，提高电能质量，增加配电网的可靠性。

由于负荷分配不均，负荷性质也不一致，造成低压供电系统无功不足，负荷不平衡。

尤其是经济水平较为发达的地区表现更为明显。

无功不足、负荷不平衡这两个问题已成为配电系统的两大难题。

针对无功不足的问题，国内解决的办法是：合理配置低压无功补偿电容器，其补偿的原则多数是共补与分补相结合，并采取可控硅投切、接触器运行的技术模式并附加电压质量监测系统，其采取手段多是通过远红外或ＧＰＲＳ通讯系统去实现。

目前这项技术已基本成熟，但它没有考虑到如何去改善配电低压系统三相不平衡的情况，投切不当时，反而增加不平衡的情况。

因此，三相不平衡的问题已成为当前配电系统亟待解决的问题，也是配电系统的技术空白。

２项目的实施的意义低压配电网是电力系统的末端，低压配电网采用三相四线制方式，配电变压器低压侧采用Ｙｎ０接线，电网的不平衡会增加线路及变压器的损耗，降低变压器的出力，影响电网的供电质量，甚至会影响电能表的精度，造成计量系统计费损失，由于三相负荷不平衡造成中线电流增大，会降低供电系统的可靠性，影响配电系统的安全运行。

２．１中线电流带来的变压器损耗２．１．１附加铁损Ｙ／Ｙｎ０接线的配电变压器采用三铁心柱结构，其一次侧无零序电流，二次侧有零序电流，因此二次侧的零序电流完全是励磁电流，产生的零序磁通不能在铁心中闭合，需通过油箱壁闭合，从而在铁箱等附件中发热产生铁损。

Ｙ／Ｙｎ０接线变压器的零序电阻比正序电阻大得多，变压器的零序电阻可实测得到，３１５ｋＶＡ变压器的零序电阻是正序电阻的１０多倍，因此零序电流产生的附加铁损较大。

２．１．２不平衡运行时绕阻附加铜损在不计零序回路损耗的情况下，配电变压器三相不平衡运行时三相绕组的总损耗（单位为ｋＷ）可计算为：Ｐｆ１＝（I２ａ＋I２ｂ＋I２ｃ）Ｒ１×１０－３式中：Iａ、Iｂ、Iｃ为三相负荷电流；Ｒ１为变压器二次侧绕组电阻。

三相平衡时每相绕阻电流为（I·ａ＋I·ｂ＋I·ｃ）／３，三相绕组总损耗为：Ｐｆ２＝３［（Iａ＋Iｂ＋Iｃ）／３］２Ｒ１×１０－３。

三相不平衡时带来的附加损耗为：△Ｐｆ＝Ｐｆ１－Ｐｆ２＝［（Iａ－Iｂ）２＋（Iａ－Iｃ）２＋（Iｂ－Iｃ）２］／I I３·Ｒ１×１０－３设某变压器绕阻的电阻为Ｒ，三相总电流为３００Ａ如补偿前的电流分别为：Iａ＝５０Ａ，Iｂ＝１００Ａ，Iｃ＝１５０Ａ，则：总铜损＝５０×５０×Ｒ＋１００×１００×Ｒ＋１５０×１５０×Ｒ＝３５０００Ｒ经过补偿后：Iａ＝Iｂ＝Iｃ＝１００Ａ总铜损＝３×１００×１００×Ｒ＝３００００Ｒ不平衡系统与平衡系统的降损比例为（３５０００－３００００）／３００００＝１７％。

并且不平衡比例越大，铜损的增加幅度越大，甚至可到达几倍。

２．２中线电流造成的电压偏移由于Ｙ／Ｙｎ０接线的变压器一次侧没有零序电流，二次侧有零序电流，因此二次侧的零序电流完全是励磁电流，产生的零序磁通重叠在主磁通上，感应出零序电动势，造成中性点电压偏移，负荷重的相电压降低，负荷轻的相电压上升。

严重时会影响变压器的正常运行，如熔丝熔断，零线过热烧断等。

由上述分析可知，Ｙ／Ｙｎ０接线方式的配电变压器不平衡运行带来的损耗与电压偏移是很大的，如对变压器的三相不平衡进行补偿，同时又补偿无功，则既可以节能，又可以提高电能质量。

因此，国标ＧＢ／Ｔ１５５４３－１９９５《电能质量三相电压允许不平衡度》对不平衡做出了规定。

《电力变压器运行规程》也规定，Ｙ／Ｙｎ０接线的配电变压器，中线电流不能超过额定电流的２５％，超过这一标准应调整负荷，但负荷是实时变化的，人工调整负荷是不及时的。

本装置在技术上解决了这一难题。

目前，在中、低压配电网中，广泛采用静止无功补偿器（ＳＶＣ）进行补偿。

供电点三相电压的不平衡是由于三相不平衡电流在输电线路上引起的电压降不同而产生的。

在三相四线制的低压配电网中，三相不平衡电流可分解为正序分量、负序分量和零序分量。

当前，国内对于三相不平衡补偿的研究，都局限于三相三线制的中压配电网，采用三角形的电纳网络，补偿负序电流和谐波电流，而对于三相四线制的低压配电网中的零序电流分量的补偿，均未采取有效的补偿措施。

因此，本装置采用一种新的三相四线制的低压配电网中的三相不平衡负荷的补偿策略和与之配套的补偿网络的结构，采用多组△和Ｙ型补偿网络元件，其调整策略是作为三相不平调节元件同时也是无功补偿元件的一部分，达到元件利用率最大化的目的，在调节过程中，先采用指标平衡补偿方案，建立最小化目标，即功率因摘要：本文阐述了配电系统三相不平衡调节及无功补偿原理。

利用该原理可有效地调节低压配电网中的三相不平衡负荷及对功率因数进行补偿，使变压器的负荷得到合理的分配。

并介绍了一种新型无功补偿装置，该装置与传统的无功补偿装置相比较，可以使零序电流减少很多，电压不平衡大幅降低，功率因数提高，是传统的无功补偿装置升级换代产品。

关键词：三相不平衡调节；无功补偿；智能复合开关；功率因数电力建设专栏129广东科技２００８．１１．总第２００期广东科技２００８．１１．总第２００期数≥０．９，不平衡度＜０．２５，给出一套指标平衡组合补偿网络方案，以满足电力系统运行指标要求，再根据剩余补偿元件，通过网损计算，以网损最小化为目标，给出一套网损最小化补偿网络方案，进行精细调整与补偿。

本装置通过上述方案，使三相不平衡调节和无功优化满足系统运行指标，同时达到网络损耗最小化的目的。

有效地调节低压配电网中的三相不平衡负荷及对功率因数进行补偿。

使变压器的负荷得到合理的分配。

采用三相不平衡调节及无功补偿装置与传统的无功补偿装置相比较，传统的无功补偿装置只能补偿无功，未考虑对三相不平等状态的调整，三相不平衡调节及无功补偿装置可以使得零序电流减少很多，电压不平衡大幅降低，功率因数提高，网络损耗最小化，是传统的无功补偿装置升级的换代产品。

３原理分析与理论依据三相不平衡系统可以分解成正序、负序、零序分量，而平衡系统只有正序分量，不存在零序、负序分量。

因此只要将负序、零序分量补偿掉，只剩下正序分量，构成一个平衡的系统。

补偿技术的难点和关键点是构建目标优化计算系统及补偿网络模型。

目标一是补偿抵消系统的零序分量和负序分量，只保留正序分量，建立一个三相平衡系统。

二是补偿三相系统的无功分量，使其ＣＯＳ∮－＞１。

３．１三相不平衡－无功补偿装置的工作原理补偿网络的结构和基本补偿策略：补偿网络的拓扑结构如图１所示。

在图１中，由一个三相电压平衡的供电母线向一个星形带中线连接的三相不平衡负荷供电。

为了供电母线提供的三相线电流相等，也就是从供电母线的角度来看，三相负荷是平衡的，需要引入ＳＶＣ补偿网络如图１所示。

ＳＶＣ补偿网络由一个三角形连接的ＳＶＣ和一个星形带中线连接的ＳＶＣ构成，二者相互配合，可以完成三相不平衡负荷的补偿。

在三相系统中，跨接在相线与相线之间的电容或电感元件具有转移相间有功功率补偿无功的作用，由于相间电感或电容元件的电流相量与每相电压相量成６０或１２０夹角，可通过一个简单的示例来说明这一原理。

有一单相负荷接于Ａ相与零线之间，其电流ＩＡ＝１００Ａ，功率因数ｃｏｓφａ＝０．８５，其中有功电流为８５Ａ，无功电流为５３Ａ。

在Ａ、Ｂ相间接入产生６１Ａ电流的电容器时，相量图如图２所示，图中，Ｕ·Ａ为Ａ相电压相量，I·ＡＢ为接于Ａ、Ｂ相间的电容器电流相量，超前Ａ相电压１２０°；Ａ相负荷情况为：无功电流为零，有功电流为５４Ａ，有功电流相量与无功电流相量合成的总电流为５４Ａ，Ａ相有功负荷减少了；Ｂ相负荷的情况为：Ｂ相有功电流为３１Ａ，无功电流为５３Ａ，有功电流相量和无功电流相量合成的总电流为６１Ａ。

由图２可见，通过在Ａ、Ｂ相间跨接一电容器，Ａ相的有功转移到Ｂ相一部分，无功得到补偿，而接电容器前后Ａ相与Ｂ相的有功之和并未改变，这说明可以在变压器三相之间调整有功，变压器的三相不平衡也是可以调整、补偿的，同时功率因数可以得到提高。

采用星角混合接法的电容、电抗元件可补偿掉或大大减少零序电流与负序电流，使系统转变成基本平衡系统。

３．２补偿不平衡负载实例分析（１）三相不平衡－无功补偿方法的接线如图３所示。

图中，I·ａ、I·ｂ、I·ｃ为负荷电流；I·ａｏ、I·ｂｏ、I·ｃｏ为星接补偿元件电流；I·ａｂ、I·ｂｃ、I·ｃａ为角接补偿元件电流。

（２）以前面的单相负载为例子来分析，将其补偿为对配电变压器来讲是三相平衡系统，只需在Ａ相接１００Ａ电流的电容器，Ｃ相接９８Ａ电流的电容器，ＡＢ相间接２８Ａ的电容器，ＢＣ相间接２８Ａ的电抗器，ＣＡ相间接８５Ａ的电抗器：则Ａ相电流为：IＡＸ＝I·Ａ＋I·Ａ０＋I·ＡＢ－I·ＣＡ＝２８．３Ａ；则Ｂ相电流为：IＢＸ＝I·Ｂ＋I·Ｂ０＋I·ＢＣ－I·ＡＢ＝２８．３Ａ；则Ｃ相电流为：IＣＸ＝I·Ｃ＋I·Ｃ０＋I·ＣＡ－I·ＢＣ＝２８．３Ａ。

每相功率因数接近１，三相有功电流之和与补偿前Ａ相有功电流相等。

（３）设一配电变压器Ａ相电流Iａ＝１００Ａ、Ｂ相电流Iｂ＝２００Ａ、Ｃ相电流Iｃ＝３００Ａ、功率因数ｃｏｓφａ＝ｃｏｓφｂ＝ｃｏ－ｓφｃ＝０．７时，零序电流I０＝１７３Ａ。

根据三相不平衡－无功补偿方法得到如下数据：①I－ｂｏ＝１４０Ａ，Iｃｏ＝１２０Ａ，Iｃａ＝１１０Ａ，Iｂｃ＝０，Iａｂ＝０，Iａｏ＝０；②Ａ相补偿后电流I·ａｘ＝I·ａ＋I·ａｂ－I·ｃａ＋I·ａｏ，Iａｘ＝１２０Ａ，功率因数为０．９８２（见图５（ａ））；③Ｂ相补偿后电流I·ｂｘ＝I·ｂ＋I·ｂｃ－I·ａｂ＋I·ｂｏ，Iｂｃ＝０，Iａｂ＝０，Iｂｘ＝１４０Ａ，功率因数为０．９９９８（见图５（ｂ））；④Ｃ相补偿后电流I·ｃｘ＝I·ｃ＋I·ｃａ－I·ｂｃ＋I·ｃｏ，Iｃｘ＝１５５Ａ，功率因数为０．９９９９（见图５（ｃ））；⑤补偿后零序电流I０＝４５Ａ。