电网中不平衡电流的的危害及解决问题的办法?－兼谈调整不平衡电流功率因数补偿装置?
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电网中三相间的不平衡电流是普遍存在的，在城市民用电网及农用电网中由于大量单相负荷的存在，三相间的电流不平衡现象尤为严重。?
这里着重谈一下三相不平衡电流的危害，这是因为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。正因为找不到解决问题的有效办法，因此反而不被人们所重视，也很少有人进行研究。?
????电网中的不平衡电流会增加线路及变压器的铜损，增加变压器的铁损，降低变压器的出力甚至会影响变压器的安全运行，会造成三相电压不平衡因而降低供电质量，甚至会影响电能表的精度而造成计量损失。?
首先，谈一下不平衡电流对系统铜损的影响。?
由于系统的铜损是与电流的平方成正比的，因此通过理论分析可以容易地证明：即使忽略零线的损耗，当三相电流平衡的时候，系统的铜损最小。?
下面举例说明：?
设某系统的三相线路及变压器绕组的总电阻为R，?
如果三相电流平衡，?IA=100A，IB=100A，IC=100A，则总铜损=1002R+1002R+1002R=30000R。?
如果三相电流不平衡，IA=50A，IB=100A，IC=150A，则总铜损=502R+1002R+1502R=35000R，比平衡状态的铜损增加了17%。?
在更为严重的状态下，如果IA=0A，IB=150A，IC=150A，则总铜损=1502R+1502R=45000R，比平衡状态的铜损增加了50%。?
在最严重的状态下，如果IA=0A，IB=0A，IC=300A，则总铜损=3002R=90000R，比平衡状态的铜损增加了3倍。?
其次，谈一下不平衡电流对变压器铁损的影响。?
现有的10/0.4KV的低压配电变压器多为Yyn0接法三相三柱铁心的变压器。当年推广Yyn0三相变压器时，认为这种结线组从制造和运行上有以下优点:?
1，?变压器高压绕组由D接法改为Y接法后相电压降低了1/√3，有利于节约绝缘材料，由于绝缘材料的减少，也间接地减轻了高压绕组导线的重量。?
2，?Y接绕组的分接头可放在中性点侧，三相分接头间的工作电压很低，可共用一盘分接开关，结构简单。?3，?Yyn0结线组的配电变压器与同容量同规格的Dyn11结线组的配电变压器对比，其空载损耗及负载损耗均较小，有利于降低配电网中的电能损耗。
但是，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%，尚不致严重地影响到三相相电压的不平衡。国家标准GB50052-95第6.08条规定:?“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，限制了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。?
并且，对三相三柱的磁路而言，零序磁通不能在磁路内成回路，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较大的涡流损耗，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心磁饱和，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。?
电流不平衡会造成三相电压不平衡因而降低供电质量。由于Yyn0结线组的配电变压器零序激磁阻抗较大，因此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，对三相用户的影响更大。?
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。?
对于三相不平衡电流，通常采取的解决办法是尽量合理地分配负荷，但是由于各用户的负荷量不一致且用电的时间不一致，因此不能从根本上解决问题。?
目前，国外有一种产品，采用三相整流然后再逆变成三相交流的办法达到稳压、稳频、稳相的目的。其基本原理相当于一台三相电动机拖动一台三相发电机。虽然可以消除电网的不平衡电流，但是成本过高，效率较低，只适用于为精密仪器等供电的场合。?
国内还有一种产品，采用单相电容器分相补偿的办法，对电流较大的相多投补偿电容，对电流较小的相少投甚至不投补偿电容，以达到平衡三相电流的目的。但是，这种方法使少投甚至不投补偿电容的相得不到良好的
补偿。并且，采用这种方法在某些情况下虽然可以使三相电流的大小相等，但是由于三相的补偿程度不同，三相的功率因数不同，三相电流的相位不是互差120度，因此三相电流之和不为0，零线仍然会有电流。?
此外，为了减轻零序电流对变压器的不利影响，有人建议推广Dyn11连接组的变压器。而在江苏省电力公司则干脆推广使用单相变压器。?
沈阳华腾电器设备有限公司最新研制成功的HTDK-DY型调整不平衡电流功率因数补偿装置，不但可以将三相的功率因数均补偿至1，而且可以将三相间的不平衡有功电流调整至平衡。?
下面介绍一下HTDK-DY型调整不平衡电流功率因数补偿装置的基本工作原理。?
设有一用电系统如图1所示：??
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????这是一个电阻性负荷跨接于两相之间的例子，对于这样的负荷状态，使有功负荷平均分配于三相之间的方法示于图2。在A相与C相之间跨接一个电感，选择电感量为22Kvar，在B相与C相之间跨接一个电容，选择电容量为22Kvar。于是三相的功率因数均变成1，并且有功功率被平均分配到了三相之间。??
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设另一用电系统如图3所示：
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即补偿功率因数又调整不平衡电流的目的。?
设有一用电系统如图5所示：?
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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。在这个例子里，由于负荷含有足够多的电感，因此只要恰当地投入电容器，就可以使三相的功率因数均为1，并且三相电流平衡。电容器的接法如图6所示。??
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由图6中的数据可知，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。?
上例中的负荷含有足够多的电感，因此可以取得较好的调整不平衡效果。当负荷的功率因数较高，可以利用的电感较少，而三相电流的不平衡现象又比较严重时，可能达不到完全平衡的目的。但是理论计算与实验的
结果都表明：只要负荷中含有电感，就可以在将三相的功率因数均补偿至1的基础上，使三相有功电流的不平衡程度有所减轻，仍然可以达到其他补偿方式所达不到的效果。下面举一例说明这个问题。?
设有一用电系统如图7所示：?
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图7的不平衡程度与图5的例子相当，只是三相的功率因数较高均为0.85。对于这种情况，虽然可供利用的负荷电感较少，达不到使有功电流完全平衡的目的，但是仍然可以取得一定的调整不平衡效果。补偿电容器的接法示于图8。??
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由图8中的数据可知，补偿电容器的总容量恰好等于负荷中的电感总容量，补偿后三相的功率因数均等于1，三相的有功电流虽然没有完全平衡，但不平衡程度大大减轻，零线电流明显减小。?
从以上的例子可以看出，只要恰当地在系统的各相线与相线之间及各相线与零线之间接入不同数量的单相电容器，就可以达到即补偿功率因数又调整不平衡有功电流的目的。并且投入的电容器总量与将三相的功率因数均补偿至1所需的电容器总量相同。虽然计算补偿量的算法十分复杂，
但在计算机技术高度发达的今天，实现起来还是没有问题的。?
在设计补偿装置时，为了充分利用电容器，应该使各电容器即可以接于相线与相线之间也可以接于相线与零线之间，因此结构比较复杂，成本比普通的三相电容器同时投切的补偿装置要稍高一些。但是由于其达到的效果是普通补偿装置所达不到的，如果应用于三相电流不平衡的场合，其性能价格比优于其他任何形式的补偿装置。?
下面将其与其他类型的补偿装置进行一下比较。?设系统实际负荷情况如图7所示。?
如果使用三相电容器同时投切的补偿装置来进行补偿，由于三相的电感量不同，只能参照A相的电感量来进行补偿，否则A相就会产生过补偿。补偿后的结果示于图9。从图9与图7的数据对比中可以看出，投入三相电容器后，虽然三相的电流都有所减小，但是三相间的不平衡程度反而有所加剧，未投电容器前C相与A相的电流比为2:1，投入电容器后C相与A相的电流比反而变成了2.09:1。投入电容器前后的零线电流没有变化，这是因为零线电流是由不平衡电流引起的，三相电容器的投入对电流不平衡现象没有改善，所以零线电流不会变化。从此例可以看出，三相电容器同时投切的补偿装置不适于在三相电流严重不平衡的系统中应用。?
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还以图7所示实际负荷情况为例，如果使用单相电容器分相投切的补偿装置来进行补偿，补偿后的结果示于图10。从图10与图7的数据对比中可以看出，投入相应的单相电容器后，三相的电流都有所减小，三相间的不平衡程度没有变化，未投电容器前C相与A相的电流比电容器为2:1，投入电容器后C相与A相的电流比仍然是2:1。投入电容器后的零线电流减小，这是因为零线中的不平衡无功电流被消除掉了，只剩下不平衡的有功电流部分。从此例可以看出，在三相电流严重不平衡的系统中应用时，单相电容器分相投切的补偿装置比三相电容器同时投切的补偿装置的使用效果要好一些。但是这类补偿装置的结构也比较复杂，成本也比较高。?
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下面再以图7所示实际负荷情况为例，考查一下使用单相电容器分相投切的补偿装置来进行补偿，但是按照使电流平衡的算法投入电容器，（也就是电流较大的相多投电容，电流较小的相少投甚至不投补偿电容），可以达到什么样的效果。按照使电流平衡的算法投入电容器后的结果示于图11。在此例中由于A相电流较小,为了平衡电流,只好不投电容器。从图11与图7的数据比中可以看出，投入相应的单相电容器后，三相间的不平衡程度有所减小，未投电容器前C相与A相的电流比电容器为2:1，投入电容器后C相与A相的电流比减小为1.7:1。投入电容器后的零线电流减小，但付出的代价是对A相没有进行补偿。?
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从以上的介绍中，我们不难将各种补偿装置的性能进行比较，为了使大家对各种情况下变压器及线路的损耗有一个定量的认识，特制作表1以供参考。表中列出了使用各种补偿装置后的效果，但是只列出了变压器及线路的铜损，没有列出变压器的铁损，这是因为变压器的铁损很难计算，
特别是在有零线电流的情况下，由零序磁通造成的变压器铁损往往与零线电流成非线性关系，无法计算，也没有现成的实测数据可以参考。可以肯定的是，如果考虑了变压器的铁损，则调整不平衡电流功率因数补偿装置可以得
出更好的节能效果。表中的数据也没有考虑10KV以上线路的损耗，因为10KV以上线路的电流是若干条10KV线路电流的组合，很难进行处理。表中数据的计算过程假定变压器为S7系列200KVA，10KV线路假设长度为5km，导线为35平方毫米钢芯铝绞线。?
表1中无补偿装置的电流值使用图7中的数据。投入调整不平衡电流功率
因数补偿装置后的电流值使用图8中的数据。
投入三相电容器同时投切的补偿装置后的电流值使用图9中的数据。投入单相电容器分相投切的补偿装置后的电流值使用图10中的数据。投入单相电容器分相投切按电流平衡算法的补偿装置后的电流值使用图11中的数据。?
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表1：各种状态下变压器及线路的损耗（不包括变压器铁损）?
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A相电流及铜损?B相电流及铜损?C相电流及铜损?零线电流及总铜损?节能效果?无补偿装置?
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118A?301W?176A?669W?235A?1193W?102A?2163W??调整不平衡电流功率因数补偿装置?
130A?
365W?150A?486W?170A?624W?35A?1475W??
688W?三相电容器同时投切的补偿装置?
100A?
216W?153A?506W?209A?944W?102A?1666W??
497W?单相电容器分相投切的补偿装置?
100A?
216W?150A?486W?200A?864W?87A?1566W??
597W?单相电容器分相投切按电流平衡算法118A?301W?
150A?486W?
200A?864W?
71A?1651W?
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512W?
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从上表的数据可以看出，使用调整不平衡电流功率因数补偿装置可以取得最好的节能效果，并且零线电流很小，完全符合国家标准关于零线电流不超过变压器额定电流25%的要求。同时，零线电流小即表明中性点漂移小，因此也可以获得最好的供电质量。表1的数据对比使用了图7中的负荷系统，而图7中的负荷系统功率因数较高，为0.85。如果使用图5的低功率因数负荷系统进行补偿前后的对比，可以得出更好的节能效果。?
综上所述，我们可以得出结论：在三相电流严重不平衡的供电系统中，应该推广使用HTDK-DY型调整不平衡电流功率因数补偿装置。?
参?考?文?献?
1、国家标准GB50052-1995《供配电系统设计规范》?
2、国家标准GB/T?6451-1995《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》?3、电力系统谐波?吴竞昌等编?水利电力出版社?
4、变压器的理论与计算?瓦修京斯基著?机械工业出版社??5、电力系统无功功率控制?米勒主编?水利电力出版社
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