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三相负荷不平衡对线损的影响
三相负荷不平衡对线损的影响
重庆合川供电公司蒙红军
[摘要]
本文重点从三种不同运行方式下的变压器三相负荷不平衡时对配电网络高、低压线损的影响进行了分析,提出了合理规划配电网络结构,加强低压客户业扩报装管理;加强台区负荷监控,及时调整三相不平衡负荷;加强台区线损的分析与管理,是降低三相负荷不平衡对线损影响的有效管理措施。
[关键词]
三相正弦交流负荷不平衡率线损功率损耗增量系数
[引言]
合川供电公司拥有配电变压器2022台,总容量234.67MVA。
近年来,随着社会经济的向前发展,配电变压器三相负荷不平衡造成电压不稳定、烧毁客户电气设备等问题较为突出,但因变压器三相负荷为平衡对变压器经济运行却重视较少,在日常的管理降损中也很少加以重视分析。
因此,加强三相负荷不平衡分析,及时有效地调整变压器负荷,将有效地提高变压器经济运行水平。
第一部分合川公司线损现状
1.1合川公司电网结构
合川,重庆的北大门,是重庆规划建设中的区域性中心城市和“1小时经济圈区”的重要的版块。
合川供电公司是合川区的主要供电企业,供区面积1901.8平方公里,承担着3个街道办事处、25个镇、450个村的供电任务,直接服务客户35万余户,服务供电人口132.45万人,户户通电率100%。
公司拥用110KV变电站3座,主变210MVA/6台;110KV线路39.738KM/6条;35KV变电站11座,主变93.25MVA/21台,35KV线路165.51KM/15条;10KV及以下公变234.67MVA/2022台,10KV配电线路2075.81KM/84条,低压线路11240.99KM,有上网小水电26台/3.507MW。
目前合川公司电网形成了以110KV双回路从220KV花园变电站下网的东津沱变电站为枢纽,110KV合阳、高龙变电站为重点,35KV为骨架,10kV入镇到村的输配电网络结构。
1.2 2005-2007年线损状况
2005年合川供电公司完成综合线损6.38%,其中0.4KV线损7.03%;2006年完成综合线损6.94%,其中0.4KV线损7.03%;2007年完成综合线损6.90%,其中0.4KV线损5.00%,。
供区内各台区线损分布情况见表一。
表一 台区线损基本情况表
数量
时间
5%以下
5%-10%
10%-15%
15%-20%
20%以上
合计
2005
数量
465
512
548
205
152
1882
百分比
24.71
27.21
29.12
10.89
8.08
100
2006
数量
556
596
559
165
102
1978
百分比
28.11
30.13
28.26
8.34
5.16
100
2007
数量
605
643
584
114
76
2022
百分比
29.92
31.80
28.28
5.64
3.76
100
1.3三相负荷不平衡对合川公司线损的影响
2007年8月,合川供电公司对城区110台配电变压器的负荷进行了监测,结果表明,三相负荷不平衡度超过20%的有66台,达60%,其中不平衡度超过50%的变压器有15台,占13.63%,最高的达到了103.15%。
从2007年8月城区配变当月线损分析来看,虽然当月监测的110台城区公变台区线损值为3.61%,但从台区负荷不平衡和当月线损基本情况分析(见表二)可看出,当负荷不平衡率在20%以下时,当月台区线损较接近理论线损值(约3.3%),随着台区不平衡率的逐渐加大,台区线损率逐渐增高,最大的达到4.89%,比理论值高约50%。
据此估算,合川公司因变压器三相负荷不平衡将影响台区线损约0.5个百分点。
表二 2007年8月城区配变负荷不平衡及台区线损基本情况
负荷不平衡率
10%以下
10%-20%
20%-50%
50%-80%
80%-100%
100%以上
合计
数量(台)
9
35
51
12
2
1
110
当月线损率
3.28
3.35
3.80
4.26
4.58
4.89
3.61
百分比(%)
8.18
31.82
46.36
10.91
1.82
0.90
100
第二部分 三相正弦交流电路
2.1对称三相正弦电源
三个频率相同,有效值相等而相位互差120°的正弦电压(或电流)称为对称的三相正弦量。
频率相同,但有效值或相位差不满足上述条件时则称为不对称三相正弦量。
三相正弦电压通常由三相交流发电机产生。
图1是三相交流发电机的示意图。
三相交流发电机最主要的组成部分是定子和转子,在定子铁心内圆的槽孔里安装有三个
完全相同的线圈,分别称为AX、BY和CZ线圈,其中A、
B、C是线圈的始端,X、Y、Z是线圈的末端,三个线圈在
空间位置上彼此相隔120°,在转子的铁心上绕有励磁绕组,
用直流励磁,只要选择合适的结构,可使在定子与转子气隙
中的磁场按正弦规律分布。
三相正弦电压源是三相电路中最基本的组成部分,电力
系统中,就是三相交流发电机的三相绕组,如图2所示。
它的解析式为:
图1三相交流发电机工作原理图
式中U为相电压的有效值。
它们的波形如图3(a)所示。
图2 三相正弦电压源
相量图如图3(b)所示
图3 对称三相电压的波形及相量图
在波形图上,同一时刻三相电压的瞬时值代数和为零,即
还可得出相量的关系
对称三相电压的相量图可画成图3(c)所示的等边三角形。
2.2三相电源及负载的连接
2.2.1三相电源的连接
三相电源的基本连接有星形(Y)和三角形(Δ)两种,在10KV配电网络中三相电源主要为星形(Y)连接,故本文只介绍星形(Y)接法。
如果将三个电压源的负极性端X、Y、Z连接在一起形成一个结点,称为电源的中性点,从中性点引出的导线称为中性,当中性线接地时,中线又称为地线或零线。
而从三个电压源的正极性端A、B、C向外引出三条导线称
为端线,俗称火线,这就是三相电源的星形连接,如图4
所示。
端点A、B、C之间的电压称为线电压,用UAB、
UBC、UCA表示。
根据基尔霍夫定律,线电压和相电压关系有:
对于三相对称电源,则有:
图4 三星电源的星形接线
因此,对称的三相电源作星形连接时,线电压也是对称的,线电压的的有效值是相电压的
倍,线电压超前相电压30°。
2.2.2三相负载的连接
三相电路的负载是由三部分组成的,其中每一部分叫做一相负载。
当三个相的负载都具有相同的参数时,三相负载称为对称的三相负载。
与三相电源一样,三相负载也有星形(Y)和三角形(Δ)两种联结方式,本文只介绍星形(Y)连接。
三相负载的Y形联结,是把三相负载的一端共同联结成一点,另一端分别接电源
图5 三相四线制连接负载
的三根端线,三相负载联结的公共节点称为负载的中点,用N/表示,如图5所示。
星形联结负载的A/、B/、C/端向外接至三相电源的端线,而将负载中性点N/联结到三相电源的中线,这种用四根导线把电源和负载联结起来的三相电路称为三相四线制。
当负载的额定电压等于电源的相电压时,负载应采用星形联结方式。
三相电路中,流经各端线的电流称为线电流,而流过各相负载的电流称为相电流。
当负载接成星形时,线电流等于相电流。
在三相四线制中,流过中线的电流为:
在星形连接三相电路中,如果三相电流对称,即三相电流振幅相等、彼此相差120°,则中性线电流为零。
如果三相电流接近对称,中性线电流很小,有时便省去中。
这种用三根导线把电源和负载连接起来的三相电路便称三相三线制。
2.2.3对称三相电路的特点
对称三相电路就是以一组(或多组)对称三相电源通过对称的传输线接到一组(或多组)对称三相负载组成的三相电路。
对称的Y-Y三相电路,它具有以下特点:
1.中性线不起作用。
在对称三相电路中,不论有没有中性线,中性线阻抗为何值,流经中性线的电流为零。
2.每相的电流、电压仅由该相的电源和阻抗决定,各相之间彼此不相关,形成了各相的独立性。
3.各相的电流、电压都是和电源电压同相序的对称量。
2.3不对称三相电路
三相电路的不对称,可能是因为三相电压不对称、三相负载不对称或三相线路阻抗不同引起的。
正常情况下,三相电源都是对称的三根输电线阻抗是对称的,三相电路不对称的主要原因是三相负载的不对称造成的。
三相负载中,三相电动机是对称负载,不对称负载主要是照明负载。
图6不对称三相电路
图示为一组不对称负载,ZA、ZB、ZC联结成星形,电源也是星形联结,两个中性N/和N之间用阻抗为ZN的中线联结起来,应用弥尔曼定理得负载中性点电压为:
由于负载不对称,显然,N/、N两点相位不相等,因而≠0,这种现象称为中性点位移,各相负载的电压为:
由于≠0,结果负载的相电压不对称,导致某些相的电压过低,而某些相的电压过高,使负载不能正常工作,甚至被损坏;另一方面,由于中性点电压的值与各相负载的复阻抗有关,所以,各相的工作状况相关联,一相负载发生变化,将影响另外两相负载的正常工作。
因此,当电源对称时,中性点位移的大小与中线的阻抗有关,若是三相三线制,即没有中线,相当于ZN=,而YN=0,这时中性点位移最大,是最严重的情况。
若ZN=0,这时
=0,没有中性点位移,当中线不长且导线较粗时,就接近这种情况,因此,对于不对称负载作星形联结时,中线的存在是非常重要的。
2.4三相电路的功率
2.4.1有功功率
有功功率又称平均功率。
在三相电路中,三相负载吸收的总有功功率等于各相负载有功功率之和。
即
当对称三相负载电路中,各相负载吸收的有功功率均相等,则
每相负载的功率:
对于星形连接:
所以有:
2.4.2无功功率
三相电路总的无功功率为各相无功功率之和,即
每相无功功率:
对称三相负载:
2.4.3视在功率
每相视在功率:
对称三相负载:
第三部分 三相负荷不平衡对线损的影响
3.1线损的基本概念
线损是电能在传输过程中所产生的有功、无功电能和电压损失的简称(在习惯上通常为有功电能损失)。
电能从发电机输送到用户时,由于经过的各个输变电元件都存在一定的电阻和电抗,电流通过这些元件时就会造成一定的损失;电能在电磁交换过程中需要一定的励磁功率也会形成损失;另外,设备泄漏、计量设备误差和管理等因素也造成的电能损失。
这些损失中的有功部分称为有功损失,习惯上称为线损,它以发热的形式通过空气和介质散发掉,有功电能损失与输入端输送的电能量之比或有功功率损失与输入的有功功率之比的百分数称为线损率,即:
△A%=△A/A×100%=(供入有功电量-供出有功电量)/供入有功电量×100%
或△P%=△P/P×100%
损失中的无功部分称为无功损失,它使功率因数降低、线路电流增大、有功损失加大、电压降低,并使发变电设备负载率降低。
电压损失称为电压降或压降,它使负载端电压降低,用电设备出力下降甚至不能正常使用或造成损坏。
3.2 三相负荷不平衡对线损的影响
3.2.1 三相负荷不平衡对低压侧线损影响
本分析中假设三相负荷的相位完全对称。
三相四线制接线方式如图7所示。
这时单位长度线路上的功率损耗为:
图7 三相四线制接线方式
ΔP1=I2aR+I2bp+I2cR+I2oR
式中R—低压侧每相电阻值。
目前我公司采用零、相线同截面的运行方式。
当三相负荷完全平衡时,三相电流Ia=Ib=Ic=Icp,中性线的电流Io=0,这时单位长度线路上的功率损耗为:
ΔP=3I2cpR
如果各相电流不平衡,则中性线中有电流通过,损耗将显著增加。
为讨论方便,引入负荷不平衡度β概念:
β=(Imax-Icp)/Icp×100%
式中Imax--负荷最大一相的电流值
Icp--三相负荷完全平衡时的相电流值
下面分三种情况讨论三相负荷不平衡时线损值的增量。
1.一相负荷重,两相负荷轻
假设A相负荷重,B、C相负荷轻,则Ia=(1+β)×Icp,Ib=Ic=(1-β/2)×Icp,在三相相位对称的情况下,中性线的电流:
Io=(1+β)×Icp∠0°+(1-β/2)×Icp∠-120°+(1-β/2)×Icp∠-240°
=(1+β)×Icp-0.5×(1-β/2)Icp-0.866j(1-β/2)Icp-0.5(1-β/2)Icp+0.866j(1-β/2)Icp
=3/2βIcp
代入式
(1),这时单位长度线路上的功率损耗为:
ΔP1=(1+β)2I2cpR+2×(1-β/2)2I2cpR+9/4β2I2cp×R=3I2cpR+15/4β2I2cpR
它与三相负荷平衡时单位长度线路上的功率损耗的比值,称为功率损耗增量系数。
其值为K则:
K1=ΔP1/ΔP=(3I2cpR+15/4β2I2cpR)/3I2cpR=1+5/4β2
上述计算表明,在一相负荷重,两相负荷轻时,除正常的损耗外,由于负荷不平衡,新增了一项附加损耗,其大小与负荷不平衡率有关,其值为5/4β2。
2.一相负荷重,一相负荷轻,第三相的负荷为平均负荷
假设A相负荷重,B相负荷轻,C相负荷为平均值,显然Ia=(1+β)Icp,Ib=(1-β)Icp,Ic=Icp,则在三相相位对称的情况下,中性线的电流:
Io=(1+β)×Icp∠0°+(1-β)×Icp∠-120°+Icp∠-240°
=(1+β)×Icp-0.5×(1-β)Icp-0.866j(1-β)Icp-0.5Icp+j0.866Icp
=1.5βIcp+j0.866βIcp
有效值Io=√3βIcp。
得出单位长度线路上的功率损耗为:
ΔP2=(1+β)2I2cpR+(1-β)2I2cpR+I2cpR+3β2I2cp×R=3I2cpR+5β2I2cpR
功率损耗增量系数K:
K2=ΔP2/ΔP=(3I2cpR+5β2I2cpR)/3I2cpR=1+5/3β2
上述计算表明,在一相负荷重,一相负荷轻,第三相为平均负荷时,除正常的损耗外,由于负荷不平衡,新增了一项附加损耗,其大小与负荷不平衡率有关,其值为5/3β2。
3.一相负荷轻,两相负荷重
假设Ia=(1-2β)Icp,Ib=Ic=(1+β)Icp,则在三相相位对称的情况下,中性线的电流Io=3βIcp。
Io=(1-2β)×Icp∠0°+(1+β)×Icp∠-120°+(1+β)×Icp∠-240°
=1-2β-0.5×(1+β)×Icp-0.866j(1+β)×Icp-0.5(1+β)×Icp+0.866j(1+β)Icp
=-3βIcp
这时单位长度线路上的功率损耗为:
ΔP3=(1-2β)2I2cpR+2(1+β)2I2cpR+9β2I2cp×R=3I2cpR+15β2I2cpR
功率损耗增量系数K:
K3=ΔP3/ΔP=(3I2cpR+15β2I2cpR)/3I2cpR=1+5β2
上述计算表明,在一相负荷轻,两相负荷重时,除正常的损耗外,由于负荷不平衡,新增了一项附加损耗,其大小与负荷不平衡率有关,其值为5β2
显然,当负荷不平衡度β相等时,K3>K2>K1>1,因此一相负荷轻,两相负荷重的运行方式下带来的线损附加损耗最大。
不同β值时的K值变化见表三。
表三 低压侧不同β值时K值变化表
β
K
10%
20%
30%
40%
50%
K1
1.01
1.05
1.11
1.20
1.31
K2
1.02
1.07
1.15
1.27
1.42
K3
1.05
1.20
1.45
1.80
2.25
由此可见,三相负荷不平衡对变压器低压侧线损影响相当大,在不考虑单相绕组超负荷的条件下,极端时损耗将达到正常损耗的2.25倍。
3.2.2三相负荷不平衡对高压侧线损影响
合川供电公司10KV配电变压器高压侧均采用三相星形供电,变压器低压侧三相负荷不平衡对线损的影响反映到高压侧,相应地增加了高压侧损耗。
设变压器的变比为n,则高压侧损耗为:
ΔP=ΔPA+ΔPB+ΔPC=I2AR/n2+I2BR/n2+I2CR/n2
三相负荷对称时高压损耗ΔP=3I2R/n2
式中R—高压侧每相电阻值。
1.一相负荷重,两相负荷轻
假设A相负荷重,B、C相负荷轻:
ΔP=(1+β)2I2cpR/n2+2×(1-β/2)2I2cpR/n2=3I2cpR/n2+3/2β2I2cpR/n2
损耗增量系数K1:
K1=ΔP1/ΔP=(3I2cpR/n2+3/2β2I2cpRn2)/(3I2cpR/n2)=1+1/2β2
因此,由于变压器低压侧负荷不对称,反映到高压侧后带来的附加线损值为1/2β2。
2.一相负荷重,一相负荷轻,第三相的负荷为平均负荷
假设A相负荷重,B相负荷轻,C相负荷为平均值:
ΔP2=(1+β)2I2cpR/n2+(1-β)2I2cpR/n2+I2cpR/n2
=3I2cpR/n2+2β2I2cpR/n2
损耗增量系数K2:
K2=ΔP2/ΔP=(3I2cpR/n2+2β2I2cpR/n2)/(3I2cpR/n2)=1+2/3β2
由于变压器低压侧负荷不对称,反映到高压侧后带来的附加线损值为2/3β2。
3.一相负荷轻,两相负荷重
假设Ia=(1-2β)Icp,Ib=Ic=(1+β)Icp,则有:
ΔP3=(1-2β)2I2cpR/n2+2(1+β)2I2cpR/n2=3I2cpR/n2+
6β2I2cpR/n2
损耗增量系数K3:
K3=ΔP3/ΔP=(3I2cpR/n2+6β2I2cpR/n2)/(3I2cpR/n2)=1+2β2
由于变压器低压侧负荷不对称,反映到高压侧后带来的附加线损值为2β2。
不同β值时K值计算见表四。
表四 高压侧不同β值时K值变化表
β
K
10%
20%
30%
40%
50%
K1
1.01
1.02
1.05
1.08
1.13
K2
1.01
1.03
1.06
1.11
1.17
K3
1.02
1.08
1.18
1.32
1.50
由此可见,由于变压器低压侧三相负荷不平衡,反映到变压器高压侧后,在不考虑单相绕组超负荷的条件下,极端时损耗将达到正常损耗的1.50倍。
3.3 结论
通过以上对三相四线制不平衡负荷的分析,可得出如下结论:
1.三相四线制结线方式,当三相负荷平衡时线损最小;当一相负荷重,两相负荷轻的情况下线损增量较小;当一相负荷重,一相负荷轻,而第三相的负荷为平均负荷的情况下线损增量较大;当一相负荷轻,两相负荷重的情况下线损增量最大。
2.当三相负荷不平衡时,不论何种负荷分配情况,电流不平衡度越大,线损增量也越大。
3.变压器低压侧负荷三相不平衡不仅会增加低压侧损耗,同时也会增大高压侧损耗。
在不考虑单相绕组超负荷的极端情况下,由于负荷不平衡,低压侧线损将增加125%,高压侧将增加50%,对系统经济运行极为不利。
《电力变压器运行规程》(DL/T572-95)规定:
接线为Y,yn0的配电变压器,中性线电流的允许值为额定电流的25%。
运行管理时也要求不平衡度β不得大于20%。
当β=0.2,由于三相负荷不平衡所引起的低压侧线损增量分别为5%、7%、20%,高压侧线损增量分别为2%、3%、8%。
第四部分防止三相负荷不平衡的措施
4.1造成三相负荷不平衡的主要原因
影响配电变压器三相负荷不平衡运行的因素,既有主观原因,又有客观原因,既有可控负荷,又有无法调节的负荷。
1.管理上存在薄弱环节
运行单位对配电变压器三相负荷不平衡重视不够,负荷发展搭接带有盲目性、随意性,低压线路无序延伸,造成台区三相负荷不平衡却又无法调整。
。
2.单相用电设备影响
由于台区负载多数为单相负荷,用电设备使用的同时率较低,用户横向用电差异较大,经常会造成配电变压器三相负荷的不平衡,并给管理增加了难度。
3.临时用电及季节性用电影响
临时用电和季节性用电都有一定的时间性,夏季的空调等降温负荷的大量使用,对配电变压器三相负荷的平衡都有较大的影响,但又不能及时监测与调整。
4.2三相负荷不平衡造成的后果
1.增加了电能损耗。
在三相四线制的配网供电方式中,通过上述分析,当三相负荷不平衡运行时,不仅增加了低压侧电能损耗,也增加了高压侧电能损耗,影响系统经济运行。
2.可能造成变压器烧毁。
当变压器运行于三相负荷不平衡时,重负荷相电流过大(最大达到平均相电流的3倍),如此大的相电流可能引起绕组和变压器油的过热。
绕组过热,绝缘老化加快;变压器油过热,引起油质劣化,迅速降低变压器的绝缘性能,缩短变压器的使用寿命,甚至烧毁。
3.配变出力减少。
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,其备用容量亦相应减少,过载能力也降低。
4.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,其每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。
当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。
但配变在三相负荷不平衡运行时,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,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,极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。
5.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。
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。
4.3防止三相负荷不平衡的措施
1.合理规划配电网络结构,加强低压客户业扩报装管理。
在新增及配电网络改造时,合理规划、设计实施方案,坚持改造技术导则,将配电变压器设置负荷中心,供电半径不大于300~500m,主干线、分支干线尽可能地采用三相四线制供电。
对新增的低压业扩报装客户,均衡地分配到三相负荷中去,做到任何一个用户的用电改造接入系统,都受三相负荷平衡度的限制,避免负荷搭接的随意性。
2.加强台区负荷监控,及时调整三相不平衡负荷。
以台区电能计量装置分相抄见电量为依据,按月核对变压器三相负荷不平衡度的情况。
运行单位坚持每月不少于一次的负荷监测,在负荷高峰等特殊时期,坚持每周不少于一次的负荷监测制度,针对负荷不平衡情况,及时调整各相负荷,确保配电变压器出口电流不平衡度稳定在10%以下、干线及主要支线始端的电流不平衡度小于20%。
3.加强台区线损的分析与管理
坚持每月一次的线损分析制度,对高线损台区坚持“说清楚”制度,从技术、管理上寻找同高原因,同时将变压器台区负荷平衡纳入线
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- 三相 负荷 不平衡 影响
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