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配電電壓三相不平衡

2020-06-30 15:28:19

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低壓配電網三相負荷不平衡不僅將增加變壓器和線路損耗,而且會影響設備安全運行,因此治理三相負荷不平衡具有很重要的實際意義。本文首先研究了低壓配電網臺區負荷不平衡機理及分類。其次,對比幾種三相負荷不平衡治理裝置的原理及工程適用性。最后,給出了基于智能選相開關的新方案的工程運行數據。15個月的運行數據顯示,本技術可以解決配電網臺區低壓負荷不平衡問題,具有效果明顯、成本低、可靠性高的優勢,適于推廣應用。


1.1引言

低壓配電網三相負荷不平衡是長期客觀存在的問題。低壓配電網通常采用三相四線制供電模式,用戶多為單相負荷或單相與三相混和負荷。無論是城市配網的居民小區、寫字樓,還是農網的照明、水泵、電機等負荷,都呈現出較大的用電時空特性離散性。低壓配電網的三相負荷不平衡將增大損耗并影響設備安全運行。隨著分布式新能源的大規模接入,尤其是220V單相新能源的接入,配電網負荷不平衡問題將會更加突出。

   

1.2配電網低壓負荷不平衡機理

配電網三相之間低壓負荷的不對稱接入是不平衡的基本機理。進一步根據三相負荷不對稱的表現特點,有以下分類:

I類-用戶接線原因的不平衡

由于低壓臺區規劃管理缺位,三相間承擔的用戶數量分配不均,或者各相用戶用電差異性較大。此類表現為負荷大的相總是大,負荷小的相總是小,相差的比例在全天的各個時段基本沒有變化。

II類-時段性的不平衡

II類-時段性的不平衡。在白天輕負荷時段,三相負載基本平衡,晚上負荷高峰時段不平衡程度嚴重。 或者工廠三相生產用電和單相生活用電混合的場合,白天主要是三相生產用電,相間電流較平衡,晚上生活用電高峰時段,三相電流相差很大。

III類-季節性的不平衡

III類-季節性的不平衡。由于各個季節三相生產用電和單相生活用電的比例在變化,而單相負載在三相上分配不均造成的。典型如農忙時節的灌溉、夏季空調等。

IV類-隨機性的不平衡

各相電流大小隨時間變化,沒有規律性。這種情況反映了單相負載波動大,而該波動在三相上是不同步的。

   

圖1 配電壓低壓不平衡分類


根據配電網三相負荷不平衡類型,可以采取相應的不平衡控制策略以及調節裝置。對于I類和IV類長期規律性和季節性的不平衡,采用人工或自動化智能設備定期改變負荷接入相別來平衡相間負荷,對于II類和III類隨機變化的不平衡,宜采用自動化智能設備來調整相間負荷。


1.3 幾種不平衡治理裝置工程適用性

在國家電網公司《國網運檢部關于開展配電臺區三相負荷不平衡問題治理工作的通知》(運檢三〔2017〕68號)文中,給出了以下治理措施:

1.采取運維管控措施;

2.三相四線制供電入戶,盡量減少兩線制供電;

3.對于功率因數大于0.85,應結合配變臺區建設改造選用低壓負荷自動換相裝置進行治理。

4.對于功率因數低于0.85的配變臺區,應結合配變臺區實際情況,選用其中一種措施進行治理:

A.在配變低壓側加裝或改造電容器無功補償裝置同時加裝低壓負荷自動換相裝置進行治理。

B.對于低壓分支線路較少、負荷主要集中在少數幾條分線上的配變臺區,采用相間無功補償裝置獨立分散補償”模式。

C.對于低壓分支線路較少、負荷主要集中在少數幾條分線上的配變臺區,采用電能質量綜合治理裝置獨立分散補償模式。

D.采用“電能質量綜合治理裝置獨立集中補償”或“電能質量綜合治理裝置集中補償+低壓負荷自動換相裝置”模式。

E.其中,改變負荷接入相別,平均分配各相承擔的負荷容量是最直接和根本的方法。其中負荷的接入開關可以采用晶閘管、復合開關、智能選相開關等。基于相間跨接電容器的三相負荷不平衡控制裝置、低壓靜止無功發生裝置(SVG)主要是通過動態補償網絡阻抗,實現三相負荷阻抗平衡。


   

圖2 不平衡治理裝置原理圖對比



選取現有主流的兩種技術方案(a)、(d)與最 新方案(c)對比,典型應用場景與工程適用性對比如下:

表2 工程適用性對比

通過以上對比,基于智能選相開關的低壓配電網負荷不平衡治理技術,采用二極管、接觸器、繼電器的電力電子組件作為電力電子開關,簡化了控制電路,相間切換時間短,無弧切換,可以大幅度延長接觸器和輔助繼電器的壽命,提高了設備可靠性。因此,在實際工程中選用此方案進一步開展效果評估。其他方案的運行效果可參考現有文獻報道。


1.4工程應用效果

選取山西省陽泉市某小區為示范應用臺區。臺區由1路10kV供電,臺區變壓器為630kVar,共有372低壓用戶。低壓配電網臺區由一臺10kV變壓器供電,其低壓側連接多個電纜分接箱,每個電纜分接箱具有一路三相輸入,多路單相輸出。臺區內的低壓負荷分別接在電纜分接箱的出線側。供電臺區結構如圖3所示:

   

圖3 臺區接線圖

在電纜分接箱中裝設智能選相開關可以提升智能化水平,而且只需要約30%~50%總量的智能化電纜分接箱就可以實現對整個臺區的負荷不平衡治理效果。根據現場的實際情況,在1#、2#、3#、4#和5#電纜分接箱處安裝本項目的智能選相開關,通過換相操作平均調配三相各自承擔的負荷。

裝置投運后獲得良好的調節效果:

   

圖4 切換過程波形

圖4中,波形1為上級控制發出的切換控制命令,波形2為換相操作過程中的負荷電壓。波形顯示,智能選相開關可以5ms內快速實現換相切換操作,可以保障負荷可靠連續供電。

根據國家電網農村配電網運行監測系統數據,選取2016年1月1日19:00用電晚高峰時刻為代表時刻,臺區運行數據如圖5所示:

   

圖5 運行監測系統數據


同時,選取2016年1月1日為代表日,全天的不平衡度如圖6所示:


   

圖6   投運后臺區全天不平衡度


對比投運前后臺區代表日的數據,見表3:

   

表3 投去前后數據對比


目前,裝置已經連續穩定安全運行15個月。根據現場運行數據表明,通過使用該裝置,臺區可獲以下效益:

1.改善了供電質量,保障三相負荷平衡。臺區不平衡度在運行期間保持長時間小于10%。

2.調整三相不平衡電流,能夠有效地降低變壓器和線路損耗。根據國家電網公司農村配電網監測系統數據顯示,裝置運行期間,臺區線損平均降低2.37%,臺區全年可以節約5萬度左右電量,實現了節能降耗。

3.調整三相不平衡電流,使三相負荷平衡,提高了變壓器的設備利用率,降低了變壓器和中性線因過負荷燒毀的機率,延長了設備壽命。

4.提高了配電設備自動化水平,避免了電力工人頻繁手動換相的操作。


1.5 結論

治理配電網低壓三相負荷不平衡具有很重要的實際意義。根據治理要求,對比了三種不平衡治理裝置的基本原理和工程適用性。給出了其中一種智能選相開關的工程驗證。實際運行證明,基于智能選相開關的低壓配電網負荷不平衡治理技術具有效果明顯、成本低和可靠性高的優點,是解決低壓配電網負荷不平衡問題的有效方法之一。


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