三相平衡化原理和应用

摘要：本文对三相平衡原理中补偿电抗和补偿电容与负荷阻抗之间的定量关系从电路角度进行了推导，并对其在电气化铁道负序补偿中的应用，做了初步探讨。

关键词：三相不平衡；负序；动态补偿装置

1前言

在电力系统中，存在着种种不平衡因素，可以归结为事故性和正常性两大类。事故性的不平衡是由于系统故障引起的，这种运行工况在系统中是不允许的，一般要通过保护装置切除故障元件，经处理后再恢复系统运行。正常性不平衡是由于三相元件参数或负荷不对称引起的，象电气化铁道中的牵引负荷、冶炼系统中的电弧炉等。系统三相不平衡度如果超过一定范围，将会影响系统的安全运行。因此，针对正常性不平衡运行工况，制定了“三相电压允许不平衡度”的电能质量指标。

本文着重分析三相平衡化原理，并以电气化铁道为例，探讨负序补偿问题。对于不对称工业负荷，要求补偿装置具有快速响应特性和分相调整功能。三相平衡原理及实时平衡化公式的建立，是实现上述功能的基础。目前能实现上述功能的补偿装置以SVC为典型代表。国外一些发达国家如日本、澳大利亚等国已成功地将SVC技术应用在电气化铁道的无功和负序补偿中。在国内，SVC技术在上述领域的应用尚属空白，因此有必要在建立较优的技术经济指标的前提下，开发适用于电气化铁道负荷补偿的SVC装置，这对提高电网的运行质量无疑是有益的。上海礼经电器有限公司

2三相平衡化的基本原理

因平衡的三相系统总功率是恒定的且与时间无关，而不平衡的三相系统的总功率是在其平衡值上下波动的，因此将不平衡三相系统变换成平衡的三相系统时，在平衡装置中应该设有能够暂时存储电磁能量的电磁元件，如：电抗器和电容器，以单相电阻性负荷为例，如图1所示，它是不平衡的三相系统。

在不改变电源和负荷之间的有功功率交换的前提下，分别在U－W和W－V

相间装设电抗器和电容器，如图2所示。

根据三相平衡关系确定容抗X

C 和感抗X

L

的数值，假定系统三相电源是对

称的，即系统三相电压满足下述关系：

由于只是单相电阻负荷，图1所示电路为一典型的负荷不对称三相电路，在U－W相和W－V相分别装设电感和电容后，应使得来自电源的三相电流满足如下关系，才能形成一个三相平衡系统，即：

在式3中：

[FS:Page]

将上述关系式代入式3中得：

实部虚部分别相等，虚部相等有：

由此可确定，对于单相电阻负荷（设在U-V相），为了实现三相平衡，应在U-W相装设电抗器，电抗值为R；在V-W相装设电容器，容抗值为R。

将上述电抗值和电容值代入式4得：上海礼经电器有限公司

在式3中：

将上述关系式代入式3中得：

实部虚部分别相等，虚部相等有：

由此可确定，对于单相电阻负荷（设在U-V相），为了实现三相平衡，应在U-W相装设电抗器，电抗值为R；在V-W相装设电容器，容抗值为R。

将上述电抗值和电容值代入式4得：

可以看出，采用上述平衡措施后，三相电流已完全对称，没有负序电流。平衡后三相系统的相量图如图3所示。

由图可以看出，三相负荷电流之间的相量关系应满足：

由图可以看出，三相负荷电流之间的相量关系应满足：

由此确定感性元件和容性元件装设在哪两相之间，使得平衡化后的三相电流为三相正序电流。

3电气化铁道牵引负荷的理想补偿网络

牵引变电站（以Y／dn接线为例），接线如图4所示。

假定电源电压是平衡的，图4中Y

WU 、Y

VW

是复数且互不相等，设：

由图可以看出，三相负荷电流之间的相量关系应满足：

由图可以看出，三相负荷电流之间的相量关系应满足：上海礼经电器有限公司

首先从校正功率因数入手，在每一负荷导纳上并联一个等于负荷电纳负值的补偿电纳，使负荷导纳变成纯电导。即令：

B

WUR ＝－B

WU

B

VWR ＝－B

VW

B

WUR ＝－B

WU

B

VWR ＝－B

VW

这样，负荷功率因数为1，但仍然是不平衡的，各相分别为纯电导G

WU

、

G

VW ，按照单相电阻性负荷的平衡原理，对于U—W相电导G[FS:Page]

WU

，在V—W

相之间装设电感性电纳

对于V—W相电导G

，在U—W相之间装设电容性电纳

VW

与功率因数校正电纳相结合，得到三相理想补偿网络如图5所示。

对于V—W相电导G

，在U—W相之间装设电容性电纳

VW

与功率因数校正电纳相结合，得到三相理想补偿网络如图5所示。

因此，将一个理想的补偿网络与负荷相连就可以把任何不平衡的三相负荷变换成一个平衡的三相有功负荷，而不会改变电源和负荷间的有功功率交换。

以上补偿网络的关系式只适宜用来说明补偿原理，对于电气化铁道频繁波动的不对称负荷，要求用瞬时电压和电流求出所需的补偿电纳。

4三相平衡化原理的实现

对于不对称负荷造成的电力系统三相电压的不对称，需要快速响应装置来调整。目前，常用可分相补偿的静止无功补偿装置（SVC）来实现。

SVC一般由并联电感和电容两个回路组成。其中感性回路为动态回路，其感性无功功率可连续分相调整，使得整个装置无功功率的大小和性质发生变化，分

相控制的依据正是三相平衡原理。

目前，国内的SVC装置在冶金系统（如电弧炉）已得到了广泛的应用，并取得了良好的补偿效果。现在电气化铁道中的三相平衡问题主要通过系统换相和采用SCOTT变压器来改善，但上述方式对牵引臂上负荷的一致性有较高的要求，因此对于一般情况下的平衡效果不是很好。SVC装置在电气化铁道中应用的主要问题是资金问题，对于诸多的牵引站，选择理想的安装点是降低投资的一条途径。此外，降低投资有赖于SVC装置自身成本的降低，采用新的调感方式，研制新型的助磁式和磁阀式可控电抗器，简化控制和触发环节结构，对于降低装置成本将是一件非常有意义的工作。上海礼经电器有限公司