中性点接地系统三相负载综合补偿

1、中性点接地系统三相负载综合补偿迁安彭志强供电部门和用电单位都希望电力系统能稳定安全经济的运行，但是由于三相负 载的不平衡和三相负载无功的存在，如果不想办法解决这一问题，就不好达到这一 目的。三相负载不平衡时，会产生很大危害1（增加线路的电能损耗。在三相四线制供电网络中，电流通过线路导线时，因 存在阻抗必将产生电能损耗，其损耗与通过电流的平方成正比。当低压电网以三相 四线制供电时，由于有单相负载存在，造成三相负载不平衡在所难免。当三相负载 不平衡运行时，中性线即有电流通过。这样不但相线有损耗，而且中性线也产生损 耗，从而增加了电网线路的损耗。2（增加配电变压器的电能损耗。配电变压器是低压电网的供

2、电主设备，当其在 三相负载不平衡工况下运行时，将会造成配变损耗的增加。因为配变的功率损耗是 随负载的不平衡度而变化的。3（配变出力减少。配变设计时，其绕组结构是按负载平衡运行工况设计的，具 绕组性能基本一致，各相额定容量相等。配变的最大允许出力要受到每相额定容量的限制。假如当配变处于三相负 载不平衡工况下运行，负载轻的一相就有富余容量，从而使配变的出力减少。其出 力减少程度与三相负载的不平衡度有关。三相负载不平衡越大，配变出力减少越 多。为此，配变在三相负载不平衡时运行，其输出的容量就无法达到额定值，具备 用容量亦相应减少，过载能力也降低。假如配变在过载工况下运行，即极易引发配 变发热，严重时

3、甚至会造成配变烧损。4（配变产生零序电流。配变在三相负载不平衡工况下运行，将产生零序电流， 该电流将随三相负载不平衡的程度而变化，不平衡度越大，则零序电流也越大。运 行中的配变若存在零序电流，则其铁芯中将产生零序磁通。（高压侧没有零序电流）这迫使零序磁通只能以油箱壁及钢构件作为通道通过，而钢构件的导磁率较低，零 序电流通过钢构件时，即要产生磁滞和涡流损耗，从而使配变的钢构件局部温度升 高发热。配变的绕组绝缘因过热而加快老化，导致设备寿命降低。同时，零序电流 的存在也会增加配变的损耗。5（影响用电设备的安全运行。配变是根据三相负载平衡运行工况设计的，具每 相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。当

4、配变在三相负载平衡时运行，其三相 电流基本相等，配变内部每相压降也基本相同，则配变输出的三相电压也是平衡 的。假如配变在三相负载不平衡时运行，其各相输出电流就不相等，其配变内部三 相压降就不相等，这必将导致配变输出电压三相不平衡。同时，配变在三相负载不 平衡时运行，三相输出电流不一样，而中性线就会有电流通过。因而使中性线产生 阻抗压降，从而导致中性点漂移，致使各相相电压发生变化。负载重的一相电压降 低，而负载轻的一相电压升高。在电压不平衡状况下供电，即容易造成电压高的一 相接带的用户用电设备烧坏，而电压低的一相接带的用户用电设备则可能无法使 用。所以三相负载不平衡运行时，将严重危及用电设备的安

5、全运行。6（电动机效率降低。配变在三相负载不平衡工况下运行，将引起输出电压三相 不平衡。由于不平衡电压存在着正序、负序、零序三个电压分量，当这种不平衡的 电压输入电动机后，负序电压产生旋转磁场与正序电压产生的旋转磁场相反，起到 制动作用。但由于正序磁场比负序磁场要强得多，电动机仍按正序磁场方向转动。而由于负序磁场的制动作用，必将引起电动机输出功率减少，从而导致电动机效率降低。同时，电动机的温升和无功损耗，也将随三相电压的不平衡度而增大。所以电动机在三相电压不平衡时所需无功必须进行补偿电力系统中的无功必须进行补偿电力系统中常见的用电设备如异步电动机、变压器等，大部分属于感性负荷， 在运行过程中需

6、要向这些设备提供相应的无功功率。如果由发电企业直接向用户提 供所需的大量无功功率，会导致输电线路及变压器因输送大量无功功率而造成大量 的电能损耗，这是不经济的。为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配 电设备的效率，必须进行无功补偿。对三相负载所做的三相电容自动补偿三相电容自动补偿，适用于三相负载平衡的供配电系统。因为三相回路中无功电流相同，所以在补偿时，调节 补偿无功功率参数的信号取自三相中的任意一相，根据检 测结果三相同时投切，保证了三相电压的质量，当三相负 载不平衡时，各相流过的无功电流不相等，负载不平衡度 越大，误差也越大，由于调节补偿无功功率参数的信号误 差，造成非检测的两相要

7、么过补偿，要么欠补偿，如果过 补偿，则过补偿相的电压升高，造成在线的控制元件、保 护元件及过电压敏感的用电设备因过电压而损坏 ；如果欠 补偿，则欠补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备 由于电流的增加发热就会被烧坏。在我国的城乡配电网中，主要采用三相四线制的配电方式，配电变压器为Y/YN0接线方式。理想情况下，三相负荷为平衡配置变压器对称运行。但实际上由于在用户端存在着大量的单相负荷，而且用电不具同时性，因此必然使配电变压器处于绝对不对称运行状态。而配电变压器的不对称运行，会产生大量的负序电流和零序电流，这些负序电流和零序 电流会严重污染电网，大大增加电网的功率损耗，降低变压器的出力，威胁配

8、电网 的安全运行，严重影响供电质量。如负序电流会使电能计量精度大幅下降，给供电 部门造成经济损失；负序电流还会降低电动机的出力并使电动机发热从而减少使用 寿命，给用户造成损失。负序电流和零序电流 （中线电流）的增大，会使变压器的铜 损和铁损增大，极端情况下铜损可比正常多 6倍零序电流严重时零序磁通会使变 压器过热，甚至烧断中线和烧毁开关，严重威胁变压器的安全运行；同时零序电流会造成中性点电压偏移，使负荷大的相电压降低，负荷小的相电压升高，严重时会 烧毁用户的用电器。所以，国标 GB50052-95供配电设计规范、变压器运行 规程中都规定了 Y/Y no接线的配电变压器运行时中线电流不能超过变压

9、器额定 电流的25%三相电流的不平衡度小于15%目前市场上补偿效果最好的分相无功补偿装置对负荷进行补偿，也只能将系统 中的无功电流部分补掉，而对于不对称的有功电流部分却无能为力，有时无功补偿 后却使电流的不平衡度有可能更大。以上我们阐述了中性点接地系统，三相负载不平衡时，产生的危害，也说明了 三相电容自动补偿的问题的缺欠，我们立足找到不仅可以对三相负荷的无功功率自 动进行补偿，而且还具有针对三相负荷有功功率的不对称状况进行自动调整，将三 相负荷有功功率调整至对称或基本对称（达到国家规定标准范围内）的新途径。从而 解决经济运行和安全运行的问题。这就是中性点接地系统三相负载综合补偿的问题 的提出。

10、利用王氏定理就很容易理解采用电容无功补偿的同时，也可以调整不平衡有功 电流的工作原理王氏定理又称为wangs定理，王氏定理由沈阳万思电力技术研究所总工程师王家强先生所发现。王氏定理包括三项内容，因此又称为王氏三定理或为Wang匚定理。Wangs理1:在两相间跨接电阻可以在两相间转移无功。下面结合图1进行说明。 th tar JI lil t Jw/ It/ N、Irh在图1中两相间跨接电阻，可以在两相间转移无功图1中的电阻R跨接在A相与B相之间，电阻R两端为线电压。从A相看，电 阻的电流为Ira , Ira与线电压Uab同相位，超前A相电压Ua 30?, Ira可以分解 成两部分，一部分为超前

11、 Ua 90?的容性电流Iac, 一部分为与Ua方向相同的有功 电流Iar o从B相看，电阻的电流为Mb , Irb与线电压Uba同相位，滞后B相电 压Ub 30?, Irb可以分解成两分，一部分为滞后 Ub 90?的感性电流IbL , 一部分为 与Ub方向相同的有功电流Ibr。因而可以确定电阻R将A相的一部分无功转移到 了 B相，于是A相的无功减少变成容性，B相的无功增加变成感性。因此我们可以说，在A相与B相之间跨接电阻，不但在 A相与B相出现有功电流，而且可以将 一部分无功电流从A相转移到B相。Wangs理2:在两相间跨接电感或者电容可以在两相间转移有功。下面结合图2说明电容可以在两相间转

12、移有功。图2:两相间跨接电容可以在两相间转移有功图2中的电容C跨接在A相与B相之间，电容C两端为线电压。从A相看，电 容C的电流Ica超前线电压Uab 90?, Ica可以分解成两部分，一部分为超前 Ua 90?的容性电流Iac, 一部分为与Ua方向相反的有功电流Iar ,意味着A相的有功 电流减少。从B相看，电容C的电流Icb超前线电压Uba 90?, Icb可以分解成两 部分，一部分为超前Ub 90?的容性电流Ibc, 一部分为与Ub方向相同的有功电流 Ibr ,意味着B相的有功电流增加。因此我们可以说，在A相与B相之间跨接电容，不但在 A相与B相出现容性无 功电流，而且可以将一部分有功电

13、流从 A相转移到B相。下面结合图3说明电感可以在两相间转移有功。UrVbIM图3两相间跨接电感可以在两相间转移有功图3中的电感L跨接在A相与B相之间，电感L两端为线电压。从A相看，电感L的电流ILa滞后线电压Uab 90?, ILa可以分解成两部分，一部分为滞后 Ua 90?的感性电流IaL, 一部分为与Ua方向相同的有功电流Iar ,意味着A相的有功 电流增加。从B相看，电感L的电流ILb滞后线电压Uba 90?, ILb可以分解成两 部分，一部分为滞后Ub 90?的感性电流IbL, 一部分为与Ub方向相反的有功电流 Ibr ,意味着B相的有功电流减少。因此我们可以说，在A相与B相之间跨接电

14、感，不但在 A相与B相出现感性无 功电流，而且可以将一部分有功电流从 B相转移到A相。Wangsst理3:在三相四线的系统中，恰当的选择两个元件的值 （元件可以是电 阻、电容、电感或他们的组合），并将这两个元件恰当的接在不同的相线对零线之 问，即可以抵消零线电流。证明这个定理首先要了解平面向量基本定理：如果E1, E2是同一平面内的两个不共线向量，那么对于这一平面内的任一向量X,有且只有一对实数 A1, A2 X= A1 E1+ A2 E2.说的简化一点：可以选择同一平面内的任何两个不平行的向量作为基准向量，调节这两个基准向量的值，就可以合成这个平面内的任何一个向量。平面向量基本定理中基准向量

15、的 A1, A2的值可正可负，如果规定向量的 A1,A2的值只能为正,则可以导出以下平面向量局部定理 ：局部定理1:如果A1, A2的值只能为正，则 A1 E1+ A2 E2.只能合成在E1, E2之间小于180?夹角范围内的向量。同样的方法，我们可以导出另外三个局部定理，分别是 A1为正A2为负，A1为 负A2为正，A1为负A2为负时的局部定理，这四个局部定理加在一起就组成了平 面向量基本定理。下面我们来证明WangsE理3:不论负荷是什么情况，零线电流就是角度为0360度之间的一个向量，要抵消零线电流就需要一个与其大小相等方向相反的向量。设A相电压向量为0度方向，B相电压向量为120度方向

16、，C相电压向量为240 度方向。在使用两个电阻的情况下，如果将电阻 1接在A相与零线之间电阻2接在B相 与零线之间，由于电阻的电流与电压同相，因此电阻 1产生0度方向的电流向量， 电阻2产生120度方向的电流向量，根据平面向量局部定理 1:选择这两个电阻的 阻值，则可以合成0120度方向的任何电流向量，因此可以用来抵消180300度方向的零线电流。如果将电阻1接在B相与零线之间电阻2接在C相与零线之间， 则选择这两个电阻的阻值可以合成 120 240度方向的任何电流向量，因此可以用 来抵消30060度方向的零线电流。如果将电阻1接在C相与零线之间电阻2接在 A相与零线之间，则选择这两个电阻的阻

17、值可以合成240 0度方向的任何电流向量，因此可以用来抵消60-180度方向的零线电流。因此证明：恰当的选择两个电 阻的值，并将这两个电阻恰当的接在不同的相线对零线之间，即可以抵消零线电 流。在使用两个电容的情况下，如果将电容 1接在A相与零线之间电容2接在B相 与零线之间，由于电容的电流超前电压 90度，因此电容1产生270度方向的电流 向量，电容2产生30度方向的电流向量，根据平面向量局部定理 1:选择这两个电 容的容量，则可以合成27030度方向的任何电流向量，因此可以用来抵消 90- 210度方向的零线电流。如果将电容1接在B相与零线之间电容2接在C相与零线 之间，则选择这两个电容的容

18、量可以合成 30150度方向的任何电流向量，因此可以用来抵消210 330度方向的零线电流。如果将电容1接在C 相与零线之间电容2接在A相与零线之间，则选择这两个电容的容量可以合成 150 270度方向的任何电流向量，因此可以用来抵消330 90度方向的零线电流。因此证明：恰当的选择两个电容的容量，并将这两个电容恰当的接在不同的相 线对零线之间，即可以抵消零线电流。以上利用王氏定理就可以理解无功补偿装置可以调整不平衡有功电流的工作原 理，既可使不平衡负载平衡化，达到负载基本平衡的目的。业内专家从不同角度论述了这一问题。燕山大学电气工程学院吴杰先生对中性 点接地的三相不对称负荷的平衡化补偿理论做

19、了深入的探讨，首先用零序补偿电纳网络将零序电流补偿为零；然后用平衡补偿电纳网络将中性点接地系统的不对称负 载补偿成三相电流完全对称且功率因数等于 1的负荷。提出的补偿公式已经实际工 程的验证，为中性点接地系统不对称负载的平衡化补偿打下了理论基础。华南理工 大学电子与信息学院李心广老师关于电网的无功及三相不平衡综合补偿研究中，论 述了；电力系统无功功率补偿不足会引起功率因数下降，而三相功率不平衡则会影 响到用电设备的安全。此问题在不十分严重的情况下未引起人们足够的重视。基于 无功补偿的原理，提出了一种新的综合补偿方法，在用它补偿无功功率的同时，三相不平衡也得到了改善。仿真结果和实际运行 表明，此方法是有效的。理论确定之后，我们 从无功及三相不平衡综合补偿原理知，要实施综合补偿 必须测试电网的线电流及相角参数，然后算出补偿容量。由于电网中的不平衡一般 由感性负载引起，因此可通过电容来实施平衡补偿。进行综合补偿系统设计，补偿 系统结构如图。参数检测电路主要完成三相电流及相角的检测，。计算机可为工控 机或单