配电变压器零序电流动态治理节能装置
1. 引言
我国城乡配电网主要采用三相四线制接线方式，由于实际线路中单相负载较多，感性负荷较重，配电变压器三相不平衡不可避免，三相不平衡运行将影响配电变压器出力，产生危害配电变压器安全运行的零序电流，增加配电变压器的损耗。目前，针对三相不平衡造成的这些影响，主要有两种处理方法：1） 加强变压器负载的规划和管理，但由于存在不同用户在不同时段的用电并不一致的情况，存在不可以随时调整负荷分配等因素的缺点，因此实际上很难达到预期的平衡效果。2）增加无功补偿装置，提高功率因数，这种方法能够补偿电流的正序分量虚部，但不能消除线路中的零序电流，无法对不平衡负载进行补偿，而且常规的补偿装置由于无法进行优化调节与实现电容器的过零投切，易产生过补偿、欠补偿与过电压现象，影响配电变压器的运行。由此可见，采取的不平衡负荷及感性无功治理手段无法动态补偿三相不平衡，难以满足实际运行要求，因此，必须考虑根据实际负荷复杂多变的情况下，如何进行三相不平衡动态。
目前，解决三相不平衡这一电能质量问题的主要手段是采用柔性交流输电系统(Flexible Alternative Current Transmission Systems，FACTS)，该装置最早由美国电力科学院副总裁Narain G.Hingorani 博士在1986年的美国电力科学院杂志上提出。FACTS技术是指以电力电子设备为基础，结合现代控制技术来实现对原有交流输电系统参数及网络结构的快速灵活控制，从而达到大幅提高线路的输送能力和增强系统稳定性、可靠性的目的，主要的FACTS控制器中适应无功补偿的控制器包括静止无功补偿器(SVC)、 静止无功发生器（SVG）、配电网静止同步补偿器(STATCOM)等，如图1 所示。
晶闸管投切电容（TSC）静止无功补偿装置（SVC）晶闸管投切电抗（TSR）无功补偿装置静止无功发生器（STATCOM）混合装置（TSR+TSC等） 图1无功补偿控制器
SVC是一种静止的并联无功发生或者吸收装置，可以调整输出为容性或者感性电流来控制电力系统特定的参数，但其缺点是TCR、TSR自身产生一定的谐波，占地面积大，TSC不
能连续补偿；STATCOM是一种并联的、能够进行无功补偿的静止同步“发电机”，在中低压配电网络中主要用于提高系统功率因数，维持母线电压稳定，但由于采用门极可关断晶闸管或其他可关断器件，成本较高，控制复杂。针对三相四线制不平衡问题时，由于三相四线制结构的特殊性，需同时采用△接与Y接SVC进行补偿，较为常用的补偿方法多是根据以工频周期为基础的电气参数确定补偿量，实现三相不平衡补偿。采用全电容补偿的方式实现三相不平衡的有效治理，这种全容性控制策略因忽略感性无功，有效降低装置成本和体积，越来越受关注。因此研究一种动态的全容性无功补偿装置有着重要的意义。
2. 动态治理装置的功能及应用
2.1 功能
零序电流动态治理装置应可达到以下任何一个或全部目的：
1) 提高供电设备的利用率。 2) 提高输电效率。 3) 改善供电质量
①．校正电压和电流的不平衡；
②．降低网损，提高输电线路有功功率的传输能力 4) 提高输电安全性
①．支撑所连接的母线电压，减少电压波动、提高电压质量； ②．改善系统的静态、暂态稳定性； ③．抑制电力系统的功率振荡； ④．阻止电力系统的次同步谐振。
2.2 优点
? 本装置利用多CPU实时动态跟踪电网的电压、电流等电参量的变化，实时
动态地对配电变压器三相不平衡电流进行调节，以达到零序电流治理的目的。
? 本装置利用提出的零序电流抑制方法有效避免无功补偿中的过补偿、欠补
偿问题。
? 装置开发的可视化的操作软件可显示多台变压器的通讯状态、额定功率、
三相电压电流、有功功率、无功功率、功率因素及治理前后零序电流值；同时，后台监控软件还提供数据查询、删除、导出及异常打印等功能，为工作人员提供了极大的方便。
? 装置动态性能好，设备投资小，造成能源损耗低，可频繁动态投切电容器
组。
2.3 应用领域
凡是安装有低压变压器地方及大型用电设备旁边都应该配备无功补偿装置，特别是那些功率因数较低的工矿、企业、居民区必须安装。大型异步电机、变压器、电焊机、冲床、车床群、空压机、压力机、吊车、冶炼、轧钢、轧铝、大型交换机、电灌设备、电气机车等尤其需要。居民区除白炽灯照明外，空调、冷冻机等也都是无功功率不可忽视的耗用对象。农村用电状况比较恶劣，多数地区供电不足，电压波动很大，功率因数尤其低，加装补偿设备是改善供电状况、提高电能利用率的有效措施。
3. 动态治理装置工作原理
静止无功补偿装置(SVC)进行零序电流抑制主要根据由沈阳万思电力技术研究所总工程师王家强所提出王氏定理，通过相间跨接电感或电容实现有功电流的转移，达到平衡三相有功功率，并结合无功补偿，实现零序电流的有效抑制的目的。
相间跨接电容时电流情况如图2所示，AB相之间跨接电容C，电容C两端为线电压，
UI流过电容C的线电流超前线电压90°。从电容C流入A相的电流为a，若将其按超前a
90°的容性电流方向与
cIaycUA方向相反的有功电流分解，则可得到有功电流
cIax与无功电流
cI，此时A相有功电流减小及无功容性电流增大。从电容C流入B相的电流为b，若将其
按超前
UB 90°的容性电流方向与
UB方向相同的有功电流分解，则可得到有功电流
cIbx与
无功电流
cIby，此时B相有功电流及无功容性电流增大。
UABcIaycIacIaxUACNcIbyIbccIbxUBAUCUB
图2 相间跨接电容时电流情况
由于相间跨接电容能够有效转移有功电流，因此通过在配电变压器低压侧接△-SVC与
Y-SVC的方式，调节三相等效有功与无功功率，能够实现配电变压器零序电流的有效抑制及感性无功负荷的有效治理，原理图如图3所示。
UAI'aI'bI'cI'NIb?IaIbPa+jQaPb+jQbPc+jQcUBUCIcINUNIc??Qbc?Qab?YIaINYIaYIbYIc负荷?QcaYQaYQbQcY 图3 配电变压器零序电流抑制原理图
4. 动态治理装置系统构建
4.1 零序电流治理装置原理实现
配电变压器零序电流治理控制装置采用DSP+ARM芯片的双CPU设计。本装置通过变压器低压侧的信号采集和调理电路，对配电变压器的基本电量的测量；采集的信号进行FFT计算和相关参数计算，并对需要补偿的容量进行计算；通过设定时间间隔进行自动补偿跟踪，实时的调节电力电容的连接方式，对零序电流进行动态治理。配电变压器零序电流治理系统框图如图4所示。
监控层工作人员后台计算机人机交互界面GPRS无线通讯网络信息一体化软件平台投切控制层配电变压器电力用户TVTA12V供电断路器熔断器数据采集，计算与无功量投切装置A相B相C相AB相BC相CA相开关电源补偿控制层...熔断器复合开关...复合开关A相电容器组B相电容器组C相电容器组AB相电容器组BC相电容器组CA相电容器组
图4 零序电流动态治理装置结构框图
4.2 系统控制流程图
开始系统初始化电压电流采集相间和相对地间无功量计算否是否需要补偿是发出投切信号
图5 系统控制流程图
4.3 零序电流动态治理装置主接线及电容器分组
鉴于电感在安装及使用时的诸多不便，该装置采用全电容器组星型和三角型并联接入配电网进行无功调节，实时快速完成信号的采集和补偿量运算，以及电容器组的模糊智能投切，
配电变压器零序电流动态治理节能装置
