调整不平衡无功补偿装置的技术优势

WSBC-TZ系列调整不平衡无功补偿装置是电力系统自动化类的最新技术项目，主要应用于三相四线制低压供电系统中，调整不平衡电流和补偿系统无功之用。该技术已经申请国家专利（申请号：200920012159.X）。

在低压三相四线制城市民用电网或农用电网中，由于大量单相负荷的存在，因此，三相间的不平衡电流是客观存在的。对于三相不平衡电流，除了尽量合理地分配负荷之外几乎没有什么行之有效的解决办法。

三相电流不平衡会增加变压器及线路的铜损

由于系统的铜损是与电流的平方成正比的。通过理论计算可以证明，在三相电流平衡的时候，系统铜损最小；在三相电流不平衡的极限情况下，铜损是平衡状态下的3倍。

三相电流不平衡会增加变压器的铁损、会影响变压器的出力和安全运行

现有的10/0.4KV的配电变压器多为Yyn0接法三相三柱铁心的变压器。对于这种类型的变压器，当二次侧负荷不平衡且有零线电流时，零线电流即为零序电流，而在一次侧由于无中点引出线因此零序电流无法流通，故零序电流不能安匝平衡，对铁心而言，有一个激磁零序电流，它受零序激磁阻抗控制，根据磁路的设计，这一零序激磁阻抗较大，相对地电压的对称会受到影响，中性点会偏移。由计算得知，当零线电流为额定电流的25%时，中性点移位约为额定电压的7%。国家标准GB50052-95第6.0规定:“当选用Yyn0结线组别的三相变压器，其由单相不平衡负荷引起的电流不得超过低压绕组额定电流的25%，且其中一相的电流在满载时不得超过额定电流值。”由于上述规定，了Yyn0结线配电变压器接用单相负荷的容量，也影响了变压器设备能力的充分利用。

对于Yyn0接法三相三柱变压器的磁路而言，由于零序磁通不能在铁芯内成回路，必须在油箱壁及紧固件内形成回路，而油箱壁及紧固件内的磁通会产生很大的涡流损耗，因而使变压器的铁损增加。当零序电流过大导致零序磁通过大时，由于中性点漂移过大会引起某些相电压过高而导致铁芯磁饱和，使铁损急剧增加，加上紧固件过热等因素，可能会发生任何一相电流均未过载而变压器却因局部过热而损坏的事故。特别应该强调的是：这类现象往往被忽视，人们往往认为只有过载才会损坏变压器，不平衡电流只会产生中性点漂移，不会影响变压器的安全运行。

三相电流不平衡会造成三相电压的不平衡而降低供电质量 

由于Yyn0结线组的配电变压器的零序阻抗较大，因此在不平衡状态下的零线电流会造成较大的电压变化，形成比较严重的三相电压不平衡现象，不但影响单相用户，并且对三相用户的影响更大。

三相电流不平衡会影响电能计量

按照理论分析，三相不平衡电流可以分解为三相平衡的正序、负序、和零序三个分量。负序和零序电流分量的存在必然会对计量仪表的精度产生影响。即使在高压侧，虽然零序电流在变压器内环流不会向系统传递，但负序电流分量可以毫无阻碍地向系统传递，因此仍然会对计量仪表的精度产生影响。

目前配电系统中的常规补偿方式

三相电容器补偿方式：这种补偿方式控制方法简单，只能应用于三相负荷基本平衡的系统中，对于三相不平衡系统，由于各相无功功率不同因此不能够实现良好的补偿。

单相电容器分相补偿方式：采取无功大的相多投电容，无功小的相少投甚至不投电容的补偿方式。其结果可以使三相不平衡系统的各相无功得到补偿，而对于不平衡的有功电流是为力的。

WSBC-TZ系列调整不平衡无功补偿装置

WSBC-TZ系列调整不平衡无功补偿装置，具有在补偿系统无功的同时调整不平衡有功电流的作用。其理论结果可使三相功率因数均补偿至1，三相电流调整至平衡。实际应用表明，可使三相功率因数补偿到0.95以上，使不平衡电流调整到变压器额定电流的10％以内。

基本原理：

原理1：在相线与相线之间跨接电阻，具有在相线与相线之间转移无功的能力。

原理2：在相线与相线之间跨接电容或电感，具有在相线与相线之间转移有功的能力。

调整不平衡有功电流技术说明：

1、如果不平衡有功电流相当于AB相之间跨接一电阻，这时AB相有电流且电流为I，C相无电流。那么校正这个不平衡电流的方法是在BC相之间接入一电容，选择电容量使其电流为0.58I，在AC相之间接入一电感，选择电感量使其电流为0.58I，于是不平衡电流消失。（见图1）

图1

2、如果不平衡电流相当于A相与中线之间跨接一电阻，这时的系统中只有A相有电流I，BC相均无电流。那么校正这个不平衡电流的方法是在AB相之间接入一电容，选择电容量使其电流为0.67I，在AC相之间接入一电感，选择电感量使其电流为0.67I，在B相与中线之间接入一电感，选择电感量使其电流为0.58I，在C相与中线之间接入一电容，选择电容量使其电流为0.58I，于是不平衡电流消失。（见图2）

                                        图2

如果不平衡电流相当于不只一个电阻，那么可以分别按各个电阻为准，计算出所需的补偿量，然后利用迭加原理进行计算即可。

上述的调整不平衡电流的方法也带来一个问题，就是需要使用电感。在调整不平衡电流的装置里安装大量的电感是一件很麻烦的事情，电感又大又重，成本很高，损耗较大。

所幸的是，在实际的系统中，往往拥有大量的感性负荷，正是因为这些感性负荷的存在，才需要进行无功补偿。而负荷中的电感正好可以为我们所利用。理论分析与现场实验均表明：只要恰当地选择电容器的接法，就可以达到即补偿功率因数又调整不平衡电流的目的。

下面举一例说明如何连接电容器来达到既补偿无功又调整不平衡电流的目的。

设有一用电系统如图3所示：

这是一个功率因数很低且三相严重不平衡的例子，三相的功率因数均为0.71。C相电流比A相电流大一倍。由图中可以看到：补偿电容器的总容量恰好等于负荷中的电感总容量，只是由于恰当地选择了电容器的接法，从而使三相的电流平衡，并且三相的功率因数均等于1，零线没有电流。

图3    

主要技术特点：

独创性的计算理论和控制方法：

通过在三相四线低压配电系统中的各相与相之间及各相与零线之间恰当地接入若干电力电容器的方法，巧妙地利用了负荷回路中的电感，不仅使各相的功率因数都得到良好的补偿，同时使各相的有功电流达到平衡。这种计算方法的理论研究是独创性的。

由于实际的补偿器中电容器的容量是固定的，不可能像理论计算过程中那样随意安排电容器容量，因此实现控制目标的计算机算法的研究比理论研究更具有实际意义。实际使用的计算机算法采用了如下几个步骤：

1、在不出现过补偿的前提下优先调整不平衡有功电流。

2、在改善不平衡度的前提下可以适当过度调整。

例如：调整前A相有功电流100A,B相有功电流90A，调整后A相有功电流94A,B相有功电流96A。由于调整前A相电流大于B相，而调整后A相电流小于B相，属于过度调整。但是调整后的不平衡度明显改善，因此是一种有效的过度调整。

3、在系统原始功率因数较高即系统电感较少的情况下，如果不能将三相调整至平衡，则优先调整偏离平衡值最多的相。

4、在调整不平衡有功电流的计算完成之后，计算所需的无功补偿方式。

实际使用的是一种分支迭代算法，可以计算出实际系统的最佳电容器投切方式。虽然计算方法十分复杂，用32位单片机来实现还是没有问题的。这种计算方法的研究也是独创性的。

高性能的单片机控制器及软件设计：

使用最新型的飞利浦32位ARM高性能单片机进行计算、控制，在最大限度地简化机内控制器复杂程度的同时，获得精确的参数检测结果和精密的控制效果。

被检模拟量经分压后直接输入单片机的A/D转换器进行采样，避免了输入处理电路导致的误差。每个输入通道的采样速率高达2万次/秒，6个输入通道（3个电压通道，3个电流通道）的总采样速率高达12万次/秒。高速采样和精心设计的控制软件充分满足了精密测量的要求，不但可以对谐波电压和谐波电流进行检测，而且可以在谐波干扰严重的情况下保证测量的精度。电压检测分辨率可达0.1V，电流检测分辨率可达0.1A，功率因数检测分辨率可达0.001。

独有的磁保持同步编组开关设计：

为实现每台电容器能够在“相与相”和“相与零”之间的联结，采用磁保持继电器控制电容器的投切及联结方式，因此补偿器的自耗电降至极小，并且使运行噪音降至极小。

     使用磁保持继电器的同步开关技术，实现任何编组状态下，电容器的电压过零投入和电流过零切除。

电容器的电压过零投入可以消除电容器投入时产生的涌流，可以消除涌流对系统的影响，并可显著提高电容器的使用寿命。

电容器的电流过零切除可消除继电器接点的电弧从而增加继电器的寿命。

    独特的电路结构设计避免了由于过电压或雷击造成的误导通。

过补偿功能设计：

    该微机控制器具有过补偿功能设计，可以在低压侧对变压器自身的无功电流进行补偿，从而最大限度地减少系统损耗。

完善的保护功能

过压保护：电源电压高于过压设定值时，切除所有投入的电容器组。

　　欠压保护：电源电压低于欠压设定值时，切除所有投入的电容器组。

　　谐波保护：电源电压的谐波含量高于设定值时，切除所有投入的电容器组。

全面的数据检测、存储与通讯功能

机内控制器可以进行非常全面的数据检测。包括三相电压、三相电流、三相功率因数、三相有功功率、三相无功功率、三相有功电能、三相无功电能、三相电压谐波畸变率、三相电流谐波畸变率、各电容器的连接方式等等。

可以将检测到的运行数据通过串行口传送至上位机。

具有数据保存功能，可以保存一个月的运行数据，保存的数据可以用电脑读出或者通过通讯设备向管理中心传送。

综上所述可以看出：WSBC-TZ系列调整不平衡无功补偿装置是一种设计新颖，功能完善的新型无功补偿装置。

沈阳万思电力技术研究所