专利名称：用电负荷不平衡智能补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力低压配网技术领域，具体为用电负荷不平衡智能补偿装置。
背景技术：
在我国传统的三相四线制配电变压器接线系统中，由于低压单相负荷不能人工完 全均分，分配的负荷实际运行率不同等各种原因，而造成三相负荷不平衡现象是不可避免 的。而这种三相负荷不平衡现象将必然导致损耗增加、用电效率下降、零序电流增加、缩短 设备的使用寿命，严重时将导致电力设备不能正常工作。对变压器的危害三相负荷不平衡将使得变压器处于不对称运行状态，从而造成 变压器的损耗增大。根据变压器运行规程规定，在运行中的变压器中性线电流不能超过变 压器低压侧额定电流的25%。此外，三相负荷不平衡会造成变压器零序电流过大，部分金属 件升温增加，甚至导致变压器烧毁。中性线和中性点电压问题中性线零序电流过大，引起中性线烧毁，造成中性点电 压偏移过大等问题。对用电设备的危害三相电压不平衡将使得电动机中逆扭矩增加，从而导致电动 机升温，效率下降，能耗增加等现象。因此三相电压的不平衡会导致用电设备使用寿命缩 短，加速设备部件更换频率，增加设备维护成本。目前市场上补偿效果最好的分相无功补偿装置对负荷进行补偿，也只能将系统中 的无功电流部分补掉，而对于不对称的有功电流部分却无能为力，有时无功补偿后却使电 流的不平衡度有可能更大，因此电业供电部门只能采用人工分线的方式进行负荷调整。由上述可知，用电系统的三相不平衡对变压器、电气设备以及用电系统的危害和 影响是十分严重的，尤其是对电力能源的充分有效利用构成极大的障碍。在电力供应紧缺 的今天，解决用电系统的三相不平衡问题已经是迫在眉睫的任务了。当前交流电力系统一般都是A、B、C三相的，而电力系统的正序、负序、零序分量便 是根据A、B、C三相的顺序来定的。正序:A相领先B相120度，B相领先C相120度，C相 领先A相120度。负序A相落后B相120度，B相落后C相120度，C相落后A相120度。 零序ABC三相相位相同，哪一相也不领先，也不落后。正序、负序、零序的出现是为了分析 在系统电压、电流出现不对称现象时，把三相的不对称分量分解成对称分量(正、负序)及同 向的零序分量。只要是三相系统，就能分解出上述三个分量。对于理想的电力系统，由于三 相对称，因此负序和零序分量的数值都为零(这就是我们常说正常状态下只有正序分量的 原因)。要使三相达到平衡，就要设法滤掉电网中存在的负序和零序分量。这是设计用电负 荷不平衡智能补偿装置的理论依据。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种用电负荷不平 衡智能补偿装置的技术方案，能有效改善三相负荷不能均分所引起的电能损耗和设备损害，有效抑制电网中存在的零序电流和负序电流，达到节能减排目的，有效节约能源损耗。所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于包括中央控制装置及与其控制 连接的电流电压采样装置、零序补偿装置、负序补偿装置，电流电压采样装置用于采集负载 电路的电流、电压信号，所述的零序补偿装置由曲折变压器TR、阻抗动态调节装置组成，所 述的负序补偿装置由复合开关πα及AB相分组投切补偿电容器、复合开关Π(2及BC相分 组投切补偿电容器、复合开关冊3及CA相分组投切补偿电容器组成。所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于所述的AB相分组投切补偿电 容器、BC相分组投切补偿电容器、CA相分组投切补偿电容器均由一组并联的交流电容组 成，该补偿电容器组采用三角形接线。所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于所述的曲折变压器TR为原、副 边绕组匝数相同的三相绕组变压器，Ia1^2A相进，Ii^1连接Ia2^1连接Icw，Ia2_2连接 Ic2_2，IbL1 连接 I(V1，Ilv2 B 相进，Ib2_2 连接 Ic2_2，，Ic1^2 C 相进，Ic2_2 连接 N 零线。所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于所述的阻抗动态调节装置由并 联在电路上的交流接触器KM2、电抗器Ll组成。所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于还包括连接在电路上的总电源 开关K1、零线开关K2，零线开关K2与中央控制装置控制连接。所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于还包括连接在电路上的防雷装 置M0V，防雷装置MOV与中央控制装置控制连接。所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于还包括连接在电路上的缺相保 护器QX、主接触器KMl，缺相保护器QX、主接触器KMl与中央控制装置控制连接。所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于还包括与中央控制装置控制连 接的配变监控终端。所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于还包括柜体，中央控制装置、负 序补偿装置、零序补偿装置安装在柜体)内，柜体顶部设置温度传感器和散热风扇，温度传 感器和散热风扇与中央控制装置控制连接。所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于所述的电流电压采样装置为分 别设置在A相、B相、C相及中性线m上用于电流信号采集的电流互感器CIV5,设置在A相、 B相、C相上用于电压信号采集的电压互感器PT6_8。上述用电负荷不平衡智能补偿装置，能在额定的不平衡负荷内将零序电流滤除在 IA以内，将三相电流不平衡度提高到10%以内，电能使用率高，降低损耗，提高经济效益，减 少成本，运行安全可靠，节能效果显著。整个装置并联接入低压电网，安装方便，使用简单。 该产品适用于工矿、企业、交通运输部门、居民区等低压配电网。
图1为本发明的系统框图； 图2为本发明局部电气原理图； 图3为曲折变压器的结构示意图； 图4为中央控制装置的电路框图； 图5为本发明的柜体结构示意图；图中1-中央控制装置、101-DSP控制芯片、102-通讯电路、103-电源电路、104-三相 电压采样电路、105-三相电流采样电路、106-开关量输入电路、107-零序控制输出电路、 108-负序控制输出电路；
2-电流电压采样装置、3-零序补偿装置、301-阻抗动态调节装置、4-负序补偿装置、 5-配变监控终端、6-温度传感器、7-散热风扇、8-柜体。
具体实施例方式以下结合说明书附图对本发明做进一步说明。如图所示，用电负荷不平衡智能补偿装置包括中央控制装置1、电流电压采样装置 2、零序补偿装置3、负序补偿装置4。所述的电流电压采样装置2为分别设置在A相、B相、 C相及中性线N1、N2上用于电流信号采集的电流互感器CI\_5，设置在A相、B相、C相上用于 电压信号采集的电压互感器PT6_8，电流电压采样装置2与中央控制装置1控制连接。所述 的负序补偿装置4由复合开关HQ及AB相分组投切补偿电容器、复合开关Π(2及BC相分 组投切补偿电容器、复合开关及CA相分组投切补偿电容器组成。AB相分组投切补偿电 容器由电容Cl、C2、C3并联组成，BC相分组投切补偿电容器由电容C4、C5、C6并联组成，CA 相分组投切补偿电容器由电容C7、C8、C9并联组成，该补偿电容器组采用三角形接线。也可 以根据负载的大小，确定各相补偿电容器中并联交流电容的个数及参数。复合开关na-FK3 与中央控制装置1控制连接。所述的零序补偿装置3由曲折变压器TR、阻抗动态调节装置301组成，阻抗动态调 节装置301与中央控制装置1控制连接。所述的阻抗动态调节装置301由并联在电路上的 交流接触器KM2、电抗器Ll组成。所述的曲折变压器TR为原、副边绕组匝数相同的三相绕 组变压器，Ia1^2A 相进，IiV1 连接 Ib^1，Ia2^1 连接 Ic1^ Ia2_2 连接 Ic2_2，IbL1 连接 Ic2_1; Ib1^2 B相进，Ib2_2连接Ic2_2，，ICl_2C相进，Ic2_2连接N零线。所述的曲折变压器TR (ZigZag变 压器)的变比设置为1:1，即原、副边绕组匝数相同，这样可以使得在原边输入的电流与副边 感应的输出电流相同。由曲折变压器的接线方式得
Ial (t) = Ia2(t)
hi(t) = Ib2(t) IJt) = IJt) 由原副边变比关系
IJt)=IblωIb2 (t)=Icl(t)IJt)=Ial(t)
所以得出-Jjt) = Ibl (t) = IJt)
即流入曲折变压器TR原边的电流幅值相等、相位相同，所以变压器对零序电流是阻抗 值很低的通路。故利用此原理，将曲折变压器并联接入系统中，可使零序电流经过曲折变压 器而不再通过中性线。曲折变压器各相绕组相互交叉连接，通过互相补偿铁芯的磁通量，使 各相绕组对正序、负序电压形成高阻抗，而对零序电压形成低阻抗。将曲折变压器并联接入 系统中，可使零序电流经过曲折变压器而不再通过中性线，从而实现零序电流补偿。而负序 电流的补偿采用分相、分组投切补偿电容器，该补偿电容器组采用三角形接线。该装置不仅
5可以补偿负序电流，对三相负荷的无功功率自动进行补偿，而且还具有针对三相负荷有功 功率的不对称状况进行自动调整。上述用电负荷不平衡智能补偿装置，还在电路上连接设置总电源开关Kl、防雷装 置M0V、缺相保护器QX、主接触器KMl、零线开关K2，总电源开关Kl、防雷装置M0V、缺相保护 器QX、主接触器KM1、零线开关K2分别与中央控制装置1控制连接。缺相保护器QX主要对 三相电压过压、欠压、缺相、相序错进行检测，防雷装置MOV对该装置及负载侧进行防雷保 护功能，该装置采用立式组合结构，分为室内、室外两种类型柜体。中央控制装置1、负序补 偿装置4、零序补偿装置3安装在其柜体8内，柜体8顶部设置温度传感器6和散热风扇7， 温度传感器6、散热风扇7与中央控制装置1控制连接，当整个机柜里的温度高于预设的值 时，散热风扇7自动开始工作给装置散热。柜体8内还设置与中央控制装置1控制连接的 配变监控终端5，配变监控终端5能够现场实时监控变压器、设备及电网运行数据等信息， 通过公网如GPRS/CDMA/GSM将得到数据的分析结果远程传输到电力局主站。也可以通过 电力局主站远程遥控或现场的报警信息通过遥控端口对一些用电设备进行控制。所述的中央控制装置1主要由DSP控制芯片101、通讯电路102、电源电路103、三 相电压采样电路104、三相电流采样电路105、开关量输入电路106、零序控制输出电路107、 负序控制输出电路108组成。其中，通讯电路102连接DSP控制芯片101串行接口，用于 现场及远程通讯；电源电路102提供整个装置的工作电源；三相电压采样电路104、三相电 流采样电路105连接DSP控制芯片101的高精度模数转换口，输入的三相电压、电流通过 电压、电流互感器电流互感器CIV5和电压互感器PT6_8，再经过低通滤波电路后，作为DSP内 ADC通道的输入部分；DSP控制芯片内部含有用于采样电压电流的ADC通道，完成对电压电 流的采样。开关量输入电路106、零序控制输出电路107、负序控制输出电路108与DSP控 制芯片101连接，实现对负序、零序电流的控制输出，以及各种开关状态、故障量的输入。所述的DSP控制芯片101采用TI公司的DSP (TMS320F2808)，该DSP内部含有多个 通道的12位ADC转换器，其中6个通道，用来采样ABC三相电压电流信号，2个通道用来采 样负载零序电流、补偿零序电流；三相电压采样电路104连接到3个电压互感器CT6_8、三相 电流采样电路105连接到5个电流互感器CIV5，输入的三相电压UA、UB、UC经过电阻分压 及3个电压互感器CT6_8 ；输入的负荷电流IA、IB、IC分别经过5个电流互感器CIV5,再通过 由单电源运算放大器(MV358I)和精密电阻组成的交流信号放大电路进行放大，以及由单电 源运算放大器(MV358I)组成的抗混叠滤波电路进行低通滤波，送入DSP控制芯片101。DSP 控制芯片101具有16个模拟输入通道，16个通道可以同时进行同步采样和转换，通过数字 信号处理流程得到各种所需的参数，各相电流及电压有效值、功率因数、零序补偿量、负序 补偿量等。开关量输入电路106、零序控制输出电路107、负序控制输出电路108由集成块 (74HC14、ULN2004A)、光耦(PS2501T)、继电器(APA3311 )组成，实现对复合开关与接触器 的控制及整个系统的运行状态的监测。所述的通讯电路102、电源电路103、三相电压采样 电路104、三相电流采样电路105、开关量输入电路106、零序控制输出电路107、负序控制输 出电路108的具体电路结构为现有公知技术，在此不再赘述。所述的DSP控制芯片101用 来完成整个系统的控制工作，具体的控制方法也属于现有公知技术，在此不再赘述。工作时，合上总电源开关Kl给装置上电，缺相保护器QX检测三相电压是否正常， 三相电压正常，中央控制装置1得电，主程序开始自检，正常主接触器KMl吸合，启动指示灯亮，装置开始正常工作。经CT1-CT5采样的电流信号、经CT6-CT8采样的电压信号送入 DSP(TMS320F2808)，经过程序处理后求出负序、零序补偿量，控制复合开关HQ- FK3与阻抗 动态调节装置301，现实对负序、零序的自动补偿。上述用电负荷不平衡智能补偿装置具有以下功能通过采样三相电压、三相电流 及曲折变压器TR和阻抗动态调节装置301来消除零线上的电流，实现零序补偿；通过AB 相分组投切补偿电容器、BC相分组投切补偿电容器、CA相分组投切补偿电容器来平衡AC、 BC、AB相间电流，来实现负序补偿；由此来平衡负荷均等运行；具有无功补偿的功能，可有 效滤除零序电流，同时也可实现负序、零序分别进行补偿，达到三相平衡的效果，可完全替 代无功补偿装置；消除零线上的电流，装置可以采样获得零线上的实时电流，零序补偿过载 保护功能，当零序补偿平衡后，零序分量大于出厂预设保护值时，装置将在1秒钟内停止工 作；故障短信告警功能，装置出现任何故障时，可通过配变监控终端5检测出，然后以短信 方式将故障类型告知用户；还可以收集变压器及低配二次侧电网的运行数据，并及时上传 主站；程序自检保护功能，装置通电后，程序能自动检测装置内的控制电路板上采样电路的 静态工作点是否正常；过压、欠压、缺相时软硬件双重保护功能，当电网电压过压、欠压、缺 相时，装置快速停止工作，确保装置安全；可以对变压器及低配二次侧电网运行数据进行 监控并及时上传数据；能滤除3次、9次等谐波电流；减小配电变压器零序阻抗；降低零线 电流带来的变压器附加铁损；降低三相不平衡时带来的绕组铜损耗；降低三相不平衡时带 来的电压偏移；减少无功电流损耗，提高功率因数；防止中性线过热造成变压器中线烧毁， 保证变压器安全运行，进而提高变压器的使用寿命。1.测试数据补偿前后对比试验，见表1。表1采用不同原理的产品补偿前后数据对比记录(某地某日实验数据)
mmwrnmsIaCA) Ib (A)It- ikiIn ilJCOSΦ I cosΦ a I bCOS Φ C补鐘 18. 23 40.0252.8831. ？0.930.8S采用本装霣补諮 粟30, 56 31,8733.360.30.9911
产品效能分析以某地单台400kVA配电变压器分析，根据容量需设置1台三相不平衡 器补偿装置。
线路损耗减少
ΔΡ = 3/2/ (三相平衡情况) 则该元件在MH内的电能损耗为
Jo
考虑最恶劣情况，平衡装置安装前为单相负载用电，电流仅流过单相及中性线导体
LP = rIl2R
在装设平衡装置后
AP = 3(1/^2 R = I2 R/3
线损降低为未平衡前的六分之一，这是最极端情况，线损降低幅度也最大，一般情况， 由装置主要的应用场所低压干线或主要支线末端不平衡率为20%为例，由负荷的三种不同情况具体分析
(1)一相负荷重、一相负荷轻，第三相负荷为平均负荷，当不平衡率为20%时，由三相不 平衡所引起的线损约增加11% ；
(2)一相负荷重、两相负荷轻，由三相不平衡所引起的线损约增加8% ；
(3)一相负荷轻、两相负荷重，由三相不平衡所引起的线损约增加20%。变压器损耗
配电变压器三相不平衡运行时三相绕组的总损耗可类同线路损耗计算。以型号为 SJ、315kVA、10kV/0. 4kV变压器的零序电阻Rtl=O. 122 Ω，零序电抗Xq=O. 174 Ω，绕组电阻 R1=O. 00849 Ω为例，当Ia=IOOA, Ib=200A、Ic=300A,功率因数相同为0. 7，附加损耗和附加 铜损的总损耗功率为3. 65kW。相对于该变压器的额定损耗功率6. 3kff,损耗增加约58%。采用本发明所述的用电负荷不平衡智能补偿装置后，有望将电网低压台区线 损6%，变压器损耗3. 5%，综合线损为9. 5%，降低为线损4. 5%，变压器损耗2. 6%，综合线损为 7. 1%。每年按运行8760小时计算，负载率0. 6，电费按0. 6元/kWh计算。节约电能=运行时间X负载率X额定功率X综合线损减少率 单台变压器每年可节约电能 7.50X 104 kWh
电费 4. 5万元人民币 装置本身能耗，根据实验测试，单台用电负荷不平衡智能补偿装置整机功耗小于80W， 一年电费为420. 5元人民币。按照平均每发一度电，消耗400克标准煤计算。每台变压器可节约30吨煤，节约 用水300立方米，减少21吨碳粉尘、75吨二氧化碳、2. 25吨二氧化硫、及1. 14吨氮氧化合 物，节能效果明显。以上是单台变压器安装后产生的直接节能效果分析，不包括电力运营商对功率因 数超标的用户所采取的经济处罚，从以上结果可以看出用电负荷不平衡智能补偿装置是 在输出有功之和不变的前提下，将负荷均勻分配到三相输出上去，这时零序电流大为减少， 这样大大降低了零序损耗和中性点电位偏移；与市场上的无功补偿装置相比，其提高节能 效果达30%以上，改善了供电质量，降低了供电损耗。
权利要求
1.用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于包括中央控制装置(1)及与其控制连接 的电流电压采样装置(2)、零序补偿装置(3)、负序补偿装置(4)，电流电压采样装置(2)用 于采集负载电路的电流、电压信号，所述的零序补偿装置(3)由曲折变压器TR、阻抗动态调 节装置(301)组成，所述的负序补偿装置(4)由复合开关及AB相分组投切补偿电容器、 复合开关冊2及BC相分组投切补偿电容器、复合开关Π(3及CA相分组投切补偿电容器组 成。
2.如权利要求1所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于所述的AB相分组投 切补偿电容器、BC相分组投切补偿电容器、CA相分组投切补偿电容器均由一组并联的交流 电容组成，该补偿电容器组采用三角形接线。
3.如权利要求1所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于所述的曲折变压器 TR为原、副边绕组匝数相同的三相绕组变压器，Ι _2Α相进，Ia1^1连接Ia2^1连接Icw， Ia2_2 连接 Ic2_2，IbL1 连接 Icv1，Ib1^2 B 相进，Ib2_2 连接 Ic2_2，，Ic1^2 C 相进，Ic2_2 连接 N 零 线。
4.如权利要求1所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于所述的阻抗动态调 节装置(301)由并联在电路上的交流接触器KM2、电抗器Ll组成。
5.如权利要求1所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于还包括连接在电路 上的总电源开关Kl、零线开关K2，零线开关K2与中央控制装置(1)控制连接。
6.如权利要求1所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于还包括连接在电路 上的防雷装置M0V，防雷装置MOV与中央控制装置(1)控制连接。
7.如权利要求1所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于还包括连接在电路 上的缺相保护器QX、主接触器KM1，缺相保护器QX、主接触器KMl与中央控制装置(1)控制 连接。
8.如权利要求1所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于还包括与中央控制 装置(1)控制连接的配变监控终端(5 )。
9.如权利要求1所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于还包括柜体(8)，中 央控制装置(1)、负序补偿装置(4)、零序补偿装置(3)安装在柜体(8)内，柜体(8)顶部设 置温度传感器(6 )和散热风扇(7 )，温度传感器(6 )和散热风扇(7 )与中央控制装置(1)控 制连接。
10.如权利要求1所述的用电负荷不平衡智能补偿装置，其特征在于所述的电流电压 采样装置(2)为分别设置在A相、B相、C相及中性线m上用于电流信号采集的电流互感器 CIV5,设置在A相、B相、C相上用于电压信号采集的电压互感器PT6_8。
全文摘要
用电负荷不平衡智能补偿装置，属于电力低压配网技术领域。包括中央控制装置及与其控制连接的电流电压采样装置、零序补偿装置、负序补偿装置，电流电压采样装置用于采集负载电路的电流、电压信号，零序补偿装置由曲折变压器TR、阻抗动态调节装置组成，负序补偿装置由复合开关FK1-FK3及各相分组投切补偿电容器组成。该装置能在额定的不平衡负荷内将零序电流滤除在1A以内，将三相电流不平衡度提高到10%以内，电能使用率高，降低损耗，提高经济效益，减少成本，运行安全可靠，节能效果显著。整个装置并联接入电网，安装方便，使用简单，适用于工矿、企业、交通运输部门、居民区等低压配电网。
文档编号H02J13/00GK102130462SQ201110066329
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者马庆华, 魏平, 黄海宇 申请人:杭州得诚电力科技有限公司