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配電系統節電器節電技術研究
來源:能源與節能 | 作者:綜合節電服務網 | 發布時間: 2021-08-08 | 398 次瀏覽 | 分享到:
進入21世紀,世界性的能源緊缺以及因能源過度消耗而引發的全球氣候變化已經成為威脅人類生存和發展的首要問題。中國是一個能源生產大國,但同時也是一個能源消耗大國,隨著工業化和現代化的發展,能源需求與能源共給不足的矛盾日益凸顯。

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電能多為一種優質的二次能源,已經成為現代工業必不可少的能源供給。隨著電網負荷越來越大、全國用電量飛速增長,大量電能在無形之中損耗與浪費,根據市場調研與分析可知,目前電能浪費的主要因素是三相電壓不平衡、諧波污染嚴重以及電壓不穩定等因數造成的。中國能否保持經濟快速發展,一個重要的先決條件就是能源供應的充足,而電力是主要的能源,因此節電顯得非常重要,節電已經成為提高能效,降低能耗的重要途徑。


節電技術和節電設備研發在國外已經發展了40 a左右。傳統節電技術主要有電抗節能、濾波器節能、穩壓調壓節能、變頻器節能等多種節電技術,主要應用的領域局限于小負載的燈光照明及動力節能,發展得較好的就是大功率空調、風機、水泵的高壓變頻技術和大溫差蓄冷技術,這些技術確實也取得了較高的節電率,但由于他們的局限性和局部節能的情況現在已逐步被系統型節電技術所取代。表1是各種常用節電技術與三相平衡節電技術各方面特點對比情況[1,2]。


配電系統節電器正是針對國內電網和實際用電情況研發而成的,具有應用范圍廣,節電效果好等優點,集節電、保護用電設備、凈化電網、平衡三相電壓電流、抑制高次諧波于一體的多功能系統節電器,真正從用電系統源頭端治理電力污染,達到綜合節電的目的。



表1 節電技術特征對比表


1 基本原理


基于三相磁平衡技術的配電系統節電器的核心是一種帶有鐵芯和多繞組的特殊接線的自耦變壓器。變壓器的鐵芯采用反“z”型連接,見圖1,使三相繞組產生的磁場相互迭加來平衡三相電壓,實現對供電系統的優化配置,均衡三相電源,消除雜波干擾。這種特殊繞組,可以相互補償鐵芯的磁通量,最大限度地控制各相感應電動勢的一致性,從而保持三相平衡,降低零線電流等額外損耗,達到節電的目的。


此連接方式打破了傳統變壓器各相之間相互獨立的接法,把每一相線圈都分成兩半,將一相線圈的上一半與另一相線圈的下一半反接串聯,組成新的一相,再把A、B、C引出,將a、b、c連接在一起作為中點,如圖2是它的電勢星形圖[1-3]。



圖1 “z”型接法原理圖 圖2 電勢星形圖


2技術特點


2.1 改善配電網三相電壓不平衡


在三相配電負荷側,大部分三相電力用戶會由于各相因負荷的差異而形成三相電壓不平衡。三相電壓平衡時,其各相電壓幅值相等,各相電壓向量相差120 °,但在三相不平衡時,則產生負序電壓和零序電壓分量。向量分解如圖3所示:



圖 3三相電壓平衡向量圖


三相電壓不平衡時,以分量法分解出來的負序電壓,與正序電壓分量旋轉方向相反,會為電動機帶來反向力矩,引起負序損耗。另外,由于電壓不平衡,令三相電壓的中心點移動,產生零序電壓分量,也使電動機產生額外電動力矩和增大線圈漏磁損耗。


2.2 抑制諧波


隨著電力電子技術在各工業部門和用電設備上的廣泛應用,非線性負荷數量越來越多,容量也越來越大,諧波大量注入電網,使電力系統電壓、電流波形發生嚴重的畸變。由于電網上的高次諧波較多,將會增加用電設備的損耗,效率降低,用電設備發熱加劇,使用壽命縮短。大量的諧波會造成設備自身和電網相當大的附加無功電流,增加電網輸變電以至發電設備的負擔,影響設備運行及壽命。目前,世界各國都在嚴格制定輸人諧波的標準。


電力系統中的主要諧波源可分為兩類:a) 含半導體的非線性元件,如各種整流設備、變流器、交直流換流設備、變頻器等節能和控制用的電力電子設備;b) 含電弧和鐵磁非線性設備的諧波源,如交流電弧爐及鐵磁諧振設備等。隨著硅整流、電弧爐及可控硅換流設備的廣泛使用和各種非線性負荷的增加,當正弦基波電壓施加于非線性設備時,設備吸收的電流與施加的電壓波形不同,電流因而發生了畸變,諧波電流注入到電網中,造成電壓正弦波形畸變,這些設備就成了電力系統的諧波源。


如圖4所示,配電系統節電器使用特殊設計的“z”型諧波屏蔽繞組,使得繞組中的諧波安匝與工作繞組所感生的諧波安匝值保持平衡,迫使兩耦合繞組所穿鏈的諧波磁通自行抵消,阻止諧波在供電系統中傳輸。從而改善了各相功率因數,減少無功消耗,抑制了由于非線性負載所產生的高次諧波[4,5]。



圖 4 諧波屏蔽繞組圖


如圖5、6所示,圖5是安裝節電器前的A相電壓波形,圖6為安裝節電器后的A相電壓波形,橫軸為時間單位s,縱軸坐標Ua為電壓v。如圖可知,配電系統節電器有效的濾除了諧波,使A相波形變得平穩。同時,根據現場實驗數據得到,在相同負載,相同電源情況下,經分析、計算得出安裝節電器前后諧波量下降2 %~5%,有效降低電能損耗。



圖 5 原始A相電壓波形 圖 6 濾除諧波后A相電壓波形


注:橫坐標標名為:時間t/s,縱坐標標名為:電壓Ua/V; 排版時改


2.3 穩定負荷側電壓


電力系統的供電電壓因線路較長的原因,首端電壓高于末端電壓,另外,因受電網負荷的影響,電壓波動范圍較大,尤其是在凌晨時段,大型用電負荷不工作的情況下供電電壓變得較高。用電設備在高于額定電壓狀態運行時,將導致用電設備電能損耗增加,壽命降低。對于帶有繞組和鐵芯的供電設備,如變壓器、電動機、交流接觸器、鎮流器、電磁鐵等設備,由于鐵芯損耗與電壓平方成正比,電壓升高,鐵芯損耗將增大。長期運行將引起繞組溫升增高,絕緣老化,降低設備壽命 [6]。

鐵芯損耗與電壓的關系:


PFe =KfB2(磁滯損耗)+Kf2B2 (渦流損耗)≈Kf1.3B2,(1)


式(1)中:PFe——鐵芯損耗;K——常數;f——磁通變化率;B——磁通密度。


因為,鐵芯損耗PFe與磁通密度平方B2成正比,而磁通密度B與電壓V成正比,所以,鐵芯損耗PFe與電壓平方V2成正比。


配電系統節電器具有自耦變壓器的特性,根據現場用電情況,對三相電壓進行調壓,使電壓穩定在380 V左右,它的變比k接近1,其中變比k接近1的原因是從兩個方面考慮:a) 基本保證節電器輸出電壓達到設備額定電壓,以保證設備正常出力;b) 通過自耦變壓器使輸出電壓適當降低,從而使系統線損、零序電流降低,在一定程度上節約了電能 [2,7,8]。


3 結語


以 “z”型接法的自耦變壓器為核心的配電系統節電器保持了各相之間的電壓、電流、磁通量及相位的相互影響、相互調節,實現了三相電壓平衡的優化、諧波抑制、穩定電壓的功能。在大型工業用電場合得到最大程度的電能優化與節約,據統計節電率達到10%以上,其應用前景非??捎^。


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