低压配电网电能质量综合治理装置的设计

・设计分析　低压配电网电能质量综合治理装置的设计　何碧琨　韩桂芹（广东威恒输变电工程有限公司，广东佛山５２８２００）　摘　要：低压配电网电能质量综合治理装置用于解决低压配电网谐波严重、电压波动大等电能质量问题，具备零序滤波、无功补偿、二次防　雷以及电能质量监测等功能。本文描述了低压配电网电能质量综合治理装置的设计思路与应用的技术，装置采用一体化设计，紧凑、实用、　可靠。　关键词：低压配电网；电能质量；滤波；无功补偿；二次防雷　现代电能质量可以理解为“导致用户电力设备不能正常工　任何电力问题都是电能质量问题”。理想的电能质量是频率为　２）无功补偿技术的发展趋势表明，技术性能优越的智能　３）低压配电网的绝缘水平较低，低压配电网二次防雷技术　作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或错误动作的　型无触点无功动态补偿装置，必将成为主流，故采用之。　５０Ｈｚ、三相平衡、电压电流波形为单一频率的正弦波。　能保护用户电源安全，减少用电纠纷，同时兼顾提高零序滤波　随着非线性负荷的大量增加，导致电网电压、电流波形发　器和无功补偿装置的过电压防护水平和可靠性。　生畸变，造成大量电能损失；同时，冲击性负载及无功补偿不足　常引起电网电压波动和闪变，影响企业的正常生产和人民群众　的日常生活，并导致线路损耗增加，使电能损失严重。　目前，单一电力电子系统是解决电能质量问题的重要途　径，但单一电力电子系统由于存在功能的局限性，难以满足对　谐波、无功等电能质量问题的治理要求，所以低压配电网电能　质量需要综合治理。低压配电网电能质量综合治理装置由此而　生。　１总体设计思路　电能质量的补偿形式主要是按不同的电压等级进行分类。　在配电网低压系统中主要是对电压波动和谐波进行治理。配电　网高电压等级应用的谐波治理和无功补偿装置相对成熟，而低　压配电网的电能质量常被忽视，本文描述的电能质量综合治理　装置主要以３８０Ｖ配网为治理对象。　若以理想的电能质量控制为目标，则主要努力方向为以下　几个方面：　１）电能质量控制系统在控制效果与功能上应该是对多种　电能质量问题均具有较好的控制效果，而不是仅对某一特定的　电能质量问题起作用；　２）电能质量控制系统具有较高的性价比，在装置成本较　低的情况下实现高性能的电能质量控制；　３）电能质量控制体现在对现有电能质量控制器的合理利　用上，在已投运装置的基础上，通过增加少量其它装备或改变　控制算法、运行策略等提升整个电能质量控制系统的性能；　４）电能质量控制是一个全局的概念，对于特定的配电网而　言，电能质量控制装置配置的容量、位置等应从全局的角度考　虑，以较低的投资获得最优的控制效果。　笔者设计的低压配电网电能质量综合治理装置具备滤波、　无功补偿、过电压保护等功能，兼具监测的作用。　１）基于曲折移相零序滤波器的设计思路，在保留了无源滤　波器投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点　外，还克服了其许多缺点，能做到滤波特性不受电网参数影响、　不对其他谐波产生放大作用、没有失谐问题等。和有源滤波器　相比，成本低廉、工作可靠、过载能力强。同时，可以实现基波　零序的低阻通道，对单相负载造成的严重不平衡具有明显的负　载平衡作用。　４）合理的治理方案必须依赖于对电能质量的监测与分析，　亦在装置中有所表现。　以下对低压配电网电能质量综合治理装置的各功能模块　详细说明之。　２谐波治理　谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的　非线性特性使所加的电压与电流不成线性关系而造成的波形　畸变。使用滤波器可消除谐波。　２．１零序滤波器　零序电流在系统中性线中流通，包括负载不平衡的基波电　流、３次、９次、１５次等３倍频次谐波电流。和三相正序、负序电　流在中性线互相抵消不同，零序电流由于三相大小相等、相位　相同在中性线上表现为叠加的效果。基于曲折移相的无电容拓　扑零序滤波器，就是根据零序电流的特点，通过特殊磁路结构　及绕组接线，在电源和负载之间实现零序低阻通道，将负载产　生的基波不平衡电流、３倍频高次谐波电流等零序电流导入，避　免了零序电流主要成分通过系统形成回路，从而达到滤波的效　果。　滤波器为全铁心结构，每相铁心上分布有匝数相同的两组　绕组，三相轮换曲折反极性连接。由于零序电流矢量总是大小　相等、方向相同，因此，一个线圈在一个心柱内产生的零序磁通　将被绕在同一个心柱上的另外一个线圈产生的零序磁通抵消，　这就使得装置呈现出的零序阻抗很小，如果采用并绕工艺来制　作电抗器，则绕组间的漏磁可以忽略不计，因此零序滤波电抗　器的零序阻抗基本等于绕组的电阻（非常小），因此零序滤波电　抗器可引导负载的零序谐波电流就近形成回路以避免注入系　统，扩大影响范围。　图１　零序滤波电抗器接入系统的电路拓扑　设计分析・　零序滤波电抗器接入系统后电路拓扑如图１所示，图中ｚ　为　为滤波器零序阻抗。　一种降低漏抗的排列思路。　阻尼存在使得滤波器的等效阻抗增大，削弱了滤波效果。　４降低滤波器阻尼　系统阻抗，ｚ　Ⅳ为系统侧中线阻抗，ｚ，，Ⅳ为负载侧中性线阻抗，ｚＲⅣ　２．２．２．２设计要点　２．２．１过载问题　同时零序谐波电流长期通过滤波器流通，阻尼过大会显著增加　损耗，降低效率。因此，最大限度地降低阻尼是非常必要的。　从两个方面着手，一是减小铁心损耗，二是降低铜耗。两　由图２可见，系统内的零序电流由两部分激励产生，其一为　不平衡或非线性负荷，其二为三相不平衡的系统电源。流过滤　种措施都会使得有效材料消耗增加、体积增大。设计中兼顾滤　波器的零序电流可通过分别考虑两部分激励的叠加原理进行分　波效果和制作成本的经济设计方法。　析。一般地，滤波器的容量根据负载零序电流的大小进行设讯　３无功补偿　在配网线路安装无功补偿电容器是补偿无功功率的重要　手段，其中用接触器投切电力电容器以补偿用户无功功率为常　不会出现过载长期过载现象。但若系统电压发生三相不对称，　出现较大零序电压分量时，由于系统输出阻抗（包括线路阻抗、　中性线阻抗）和滤波器阻抗均很小，因此系统侧的零序电压将　用方法。但其响应速度较慢，在用电设备无功变化较快且有冲　引起数值很高的零序电流通过滤波器流通，极端情况下会导致　滤波器、电源变压器及线路的过载烧毁，酿成事故。　睁　图２简化零序回路　采用中性线串联限流电抗器是一种有效方法，可以显著限　制因系统电压三相不对称引起的过大的零序电流。但中性线串　联电抗器可能引起中性线上压降过高导致三相不平衡，甚至引　起中性线的开路故障。另外，我国规程规定中性线上不允许加　装开关和熔断器等设备，更不用说接入电抗器了。　为此，针对输出阻抗小的大容量系统设计出了零序阻断电　抗器。即在零序滤波器接入点的线路上串联对零序电流呈现高　阻，而对正序、负序为低阻的进线电抗器。这样就完美实现了负　荷侧零序电流在负荷和零序滤波器间流动，不进入系统，而因　电源不对称产生的零序电流因回路零序阻抗极大而被限制到极　小数值。同时，滤波器对系统正序、负序分量基本无影响。　２．２．２高效的磁路结构设计　对阻零电抗器和滤波器的铁心进行一体化设计，可以大大　降低有效材料的消耗，减小体积，降低成本，提高效率。但阻零　电抗器为三相串联接入线路，为零序励磁电抗；而滤波器为并　联接线，正序、负序分量为励磁电抗，而零序分量为漏抗，设计　中要求两者磁通在铁心中互不干扰。　２．２．３减小滤波器漏抗　漏抗数值会对滤波效果将产生显著影响，因此必须尽量降　低漏抗数值。其中绕组排列、铁心结构是重要影响因素。图３为　图３降低漏抗的排列　击性负载的系统中，不能实施有效地跟踪补偿；且存在电容器　投入时会产生较大的涌流、电容器切除时会产生较高的过电　压、电容器再次投入之前需要充分的放电、每次投切电容器容　量有限制、切除后的电容器必须延时３分钟后方可再次投入等　问题。故采用无触点开关取代之。　本模块设计中考量电容器投切开关及控制策略的选择，以　及高性能指标下的成本约束等。　本模块采用全数字紧凑型，装在配电变压器低压侧，根据　无功电流的变化按权重（可编码设定）自动投切电容器，对用户　侧进行三相无功补偿，补偿到变压器最大负荷时其高压侧功率　因数不低于０．９。补偿容量最￣５ｋｖａｒ，最大６５ｋｖａｒ，以５ｋｖａｒ为　基数加权。其原理接线图如图４所示。　＾日ｃ　Ｈ胪Ｉ　…。　用户一　”…　一－－一～一■　一■一…一－　～一－一■　一　童　一　＾　．　■　■　］　，　　，－　●　－一　＿　毫，　『　’　Ｖ’　劬ｒ加■彳加■ｆ　■　ｊ　●■胃口瑚■Ｈ■目ｌＩ　图４无功补偿原理接线图　本模块采用组合固体开关取代传统的机械开关，如图５所　示，包括一个二极管Ｄ、一个可控硅ｓ和一个控制器组成。二极　管Ｄ与可控硅ｓ反向并联，在控制器发出触发脉冲前，可控硅ｓ关　断，电容ｃ通过二极管Ｄ被预充电至系统电压，造成可控硅ｓ导通　前两端电压差为０。当控制器跟踪无功电流决定进行补偿时，触　发脉冲的起点位于可控硅ｓ两端电压差为０的时刻，脉冲周期与　电网电压一致，并联电容投入电网，输出无功。补偿完毕，停止　触发，则在电流为０时，可控硅Ｓ自然关断，电容Ｃ重新充电，准　备下次补偿。故此开关具有以下特点：它直接采样无功电流，而　非功率因数，故能做到实时跟踪无功电流以快速自动投切电容　口圜目圆８３　・设计分　器；它在双零状态时投切电容器，在投切电容器时做到响应快　果雷击时，设备的接地线路为高电位，而装置的某处因某种原　（极短小过渡过程），可靠性高（无涌流和过电压），消除了过　因为低电位，则地线对装置上该点的电位差全部由设备承受，　载的可能。　Ｎ　Ａ　图５组合开关　此开关在得到开信号后，接通的延时不会超过一个周波；　关断时亦然，也就是说本开关的开关速度小于２０ｍｓ，这一进步　给无功补偿的测量和控制带来了极大的变化。有了这样的开关　速度，投入、切除电容器的数量也没有限制的条件，其测量改　为无功功率（电流）测量，在知道线路所缺无功功率时，采取一　步（最多两步）到位的投入和切除方法，在一个或几个周波的　时间内跟上线路无功变化，且输出采取加权重的分组方法，减　少输出组数。例如，可以采取分组电容ｋｖａｒ的比为１：２：３：３的四　组输出代替平均输出时的９组输出；用ｋｖａｒ为１：２：３：３：３的５组输　出去代替平均的１２组输出；用ｋｖａｒ为１：２：３：３：３：３的６组代替平均　的１５组输出。　４二次防雷与过电压保护　根据《电力系统二次设备ＳＰＤ防雷技术规范》标准，采用多　级分层次的对配电变压器、低压配电网电能质量治理装置和用　户电源进行系统过电压和雷击过电压防护。　４．１配电变压器的防护　用户系统通常由１０ｋＶ／３８０Ｖ配电变压器供电，雷电直接击到　输电线路上，或者输电线路旁边地方落雷时感应到线路上，于　是雷电从电源线路侵入用户系统。防护措施如图６所示。　图６配电变压器防护措施　４．２低压配电网电能质量治理装置的防护　１）配电线路和装置遭受雷击后，雷电流会经避雷装置流入　接地网，如果接地网的接地电阻偏大或接地网的均压效果不好　时，在强大的雷电流作用下，会使接地网的局部电位显著抬高，　并由此导致电地位对设备反击而损坏设备。　从安全及运行稳定等角度来考虑，装置必须可靠接地，如　这实际上是地线对装置某点的过电压，该过电压也是轻则使设　备加速老化，重则直接将设备损坏。　所以，为了改善冲击地电位分布限制局部电位升高，设计中　尽量从地电位分布均匀考虑，防止局部电位升高，对装置造成　的不良影响。　２）因雷电通过低压电源系统对控制和测量的危害较大，因　而低压电源系统的防雷保护也就特别重要。为防止低压电源系　统的雷害事故，在低压采取如下防雷保护措施。　对装置的系统供电电源和控制系统、测量系统配置电源保　护装置，保护装置应符合国家和行业相关标准，具备很高的电　涌流泻放能力，最大放电电流至少１００ｋＡ或８０ｋＡ（８／２０￣ｓ）；保　护装置应具有失效检测指示、标准模块化安装等功能，具备较　大的电涌流泄放能力和零地保护模式。　对装置的控制信号和测量信号在前串接隔离变压器进行　隔离，并加装对地电容或电涌保护器（ＳＰＤ）进行雷电波的吸　收。　４．３用户电源的防护　４．３＿１电源第一级　在向控制系统供电的配电系统（交流配电柜和ＵＰＳ）的总配　电柜出线端口分别配置电源第一级保护装置（如电涌保护器）；　在ＵＰＳ的主回路、蓄电池、旁路、输出电源等位置分别配置第一　级保护装置。保护装置符合ＩＥＣ和ＧＢ等相关标准，适用于重要设　备电源供电系统的第一级电源电涌保护，具备很高的电涌流泻　放能力，最大放电电流至少１００ｋＡ或８０ｋＡ（８／２ｏｕ　ｓ），选用带有　雷击计数功能的ＳＰＤ；各级ＳＰＤ具有劣化指示功能。　４．３．２电源第二级　在各控制系统的分配电柜输入前端分别设置低压配电系　统保护装置。保护装置应具有失效检测指示、标准模块化安　装、可插拔更换防雷模块等功能，具备较大的电涌流泄放能力　和零地保护模式，适用于三相电源系统的第一、二级防雷。　４．３．３电源第三级　在各控制系统的用电设备输出配电柜分别设置低压配电　系统保护装置。该保护装置具有失效检测指示、标准模块化安　装、可插拔更换防雷模块和零地保护模式等功能，具备大的雷　电流泄放能力，适用于三相电源系统的第三级防雷。　４．３．４电源设备前（第四）级　在操作台等位置安装插座式保护装置作为电源末级保护。　保护装置符合ＩＥＣ和ＧＢ等相关标准，具有共模、差模防雷模式、　ＲＦＩ／ＥＭＩ滤波电路及级间协调电感器、可吸收无线电电磁干扰　等线路浪涌等功能。　５分布式电源的接入与监测　配电网作为电力系统的最末端直接与用户（尤其是居民用　户）相连，本身的电能质量指标就比较落后。分布式发电引入配　电系统后，其电能质量水平直接影响到用户的日常生活和经济　活动，各种如电压跌落、闪变、短时供电中断、三相不平衡以及　谐波等电能质量问题，使得更易发生供电阻塞以及次生故障。　值得一提的是，微网本身也可担当一定的电能质量调节任