一种实用的智能交流电网节电装置

针对电力网中普遍存在的“雨伞效应”现象和大量高功率电动机负载在使用过程中经常出现的轻载或空载运行的现象，文章向电力及动力设备的使用者介绍了一种实用的智能交流电网节电装置的原理、组成结构及其设计思路，并从高、低压两种电网电压级别方面分别阐述了该装置应用于区域电网的综合负载或独立负载的不同情况下应当注重的问题。该装置的推广应用，有助于克服电力传输和使用过程中的电能浪费。

1 引言

大多数交流电力网中均不同程度地存在着“雨伞效应”现象。“雨伞效应”现象就是以电厂或变电所为中心向远端（包括供电环网中的理论最远点）输送电力能源时，为使终端电压达到标准规定，必须提高处于中心位置电源的初始电压，导致距离该电源越近的区域用户得到的端电压越高；反之如果电网始发端附近的用户电压越合乎标准要求，则同一电网远端的电压就越低；而且这些电压是随着电网电流的改变而变化的。

目前，大多数用户变压器的分接端子是按照电网的设计容量最大值一次性调试固定的，无法解决电网远端负荷电流大幅度改变引起的电能浪费问题。实际上，在那些距离电厂或变电站较近的用电场所中，“雨伞效应”现象使大多数用电器具得到的电源电压都远高于其额定电压，令其长期处在过压运行的状态中，日积月累造成大量的电能浪费。

另外，多数高压大功率电动机在运行中，尤其是在拖动低密度介质的机械负载（例如风机、液泵等等）过程中，经常会因为无法按需求随时降低那部分所不需要的输出功率，随着时间的积累而导致大量的电能浪费。在此种情形之下，交流稳压电源是无法解决浪费(节能)问题的。

一种实用的智能交流电网节电装置（简称装置）。装置的拓扑结构如图1所示，由无触点调压单元TY、自动旁路单元PL和控制单元KZ组成。能够通过计算机控制器KZ，按需适时调整电网参数，达到节电目的。应用于区域电网的本装置还可以利用网络通讯实现交流智能电网柔性输电的部分目标。

装置采用以变压器为核心的无触点有载调压技术，输出波形无畸变，不会产生谐波污染，使电网所带负载更加安全、可靠、环保和高效；装置具有提高电网功率因数、减少三相不平衡度等特点。相对于污染大、自损大、容量小、可靠性差的变频节电技术，具有明显优势。

图1 装置的拓扑结构

该技术经过多年的研究发展已经日臻完善和成熟，但相对高的材料成本又使其长期无法大面积推广应用。伴随着低碳经济时代的到来，在电网及其负载设备的节电改造工作中以“合同能源管理”的结算模式所建立的融资渠道，使之获得大面积推广成为可能。

2 工作原理及应用举例

2.1 装置的核心电气结构

TY单元的核心电路举例如图2所示，特殊的三相自耦变压器[1]（或拥有电压线圈的三相电抗器）的某相的电压线圈N1及电流线圈N2与另外两相的电压、电流线圈分别缠绕在互为磁通回路的三个铁心柱上面，六组线圈之间具有自感、互感，所形成的各相电流线圈的总电感量L2对主回路中的大能量高频瞬变具有感抗作用。

矢量分析表明，与输出电压U0同相位的自感电势ΔU与输入电压Ui的相位差是180o，ΔU会在L2上感生出滞后U0900的电流Δi，Δi共滞后于Ui2700亦即Δi超前Ui900，为容性电流，它可以补偿负载电流Ii中的部分感性电流。故装置具有瞬时提高负载功率因数的作用。此外，运行中三相铁芯中磁通的矢量和始终为零，使输出电流具有抑制输入三相不平衡的效果。

图2 TY单元核心电路举例

图3 装置在0.4kV电网的方案举例

2.2 应用实例及其原理

图3的电路例举了装置在0.4kV以下电网电压的调压方案。装置进入节电调压状态之前系统默认的自动旁路单元PL是旁路状态，即J1闭合J2开路，在只有一个单独电动机负载的情况下，应使电动机先行全压启动。

图4 SSR开关的调整实质是移动中性点

之后，装置在外围条件许可后才会进入节电状态，即将电流线圈N2两端的电压调出一个挡位压差，至此，调压机构开始运行。对于区域电网的综合负载而言，则KZ会直接视外围条件来决定是否开始进入节电调压状态。

为降低成本，采用多抽头自耦变压器为调压单元TY，当调整调换每个抽头使N1上的电压变化量相对输入电压Ui为1%或更小时，可粗略视为连续调整输出电压U0，U0=Ui-Δ，中ΔU=Ui[N2/(N1+N2)]，故U0=Ui{1-[N2/(N1+N2)]}，当TY中固态继电器SSR(Solid State Relay)开关元件矩阵由控制程序选择接通了N1的某一挡位抽头时，则ΔU为一个定值。

三相SSR选择按指令及交流零点切换的元件，以保证系统的安全性。从图4可以看出，调整SSR开关的实质是在移动三相中性点的位置，达到动态调压目的。

2.3 无触点有载安全调压的过程

为使装置在电压调整过程中不产生较大的电压跳变，采用交流无触点开关在交流过零点进行有载切换操作是重要的措施之一。例举电路的结构如图5，同一时刻应只有一个挡位的SSR开关被接通，使初级线圈形成中性点回路，其余的档位开关处在断开状态。

有载切换必须循序渐进，例如从第①挡K1闭合(↓)换到第②挡K2闭合(↓)操作换挡的顺序应当是：a、K12↓；b、K2↓；c、K1断开(↑)；d、K12↑。相反，从第②挡K2↓换到第①挡K1↓的顺序则是：a、K12↓；b、K1↓；c、K2↑；d、K12↑，以此类推并且每一步的操作都必须经过KZ的确认，才能执行下一步动作，否则将会出现安全问题。

R01～Rn的阻值和功率由挡位压差u与GB的低压侧最大电流值i的比值来确定，各电阻器的接通时间只有几十毫秒，其冷态阻值和功率的设计余量要恰当，且电感量越小越好。

在抽头均匀的调压器中，挡位压差u相同，R01～Rn各电阻的计算阻值和功率相同；在抽头匝数渐变的自耦变压器中，挡位压差u不同，各电阻的计算阻值和功率的计算结果略有不同。

SSR电子开关K0～Kn要选择耐压值高于低压侧最高电压一定比例、标称电流为i的3～5倍且其弱电控制回路与主回路间一定是由光电耦合器隔离控制动作的元件。

图5 无触点有载安全调压的过程示意

2.4 不间断供电自动旁路退出机制

图5中第0挡开关K0直接跨接于GB初级线圈L1的两端。当控制器KZ发出使装置进入旁路状态的指令时，无论当时处于任何挡位位置的SSR元件组被接通的状态，系统都将会快速反应，逐级降挡，最终K0被接通，开始执行旁路动作。

L1两端被K0短路期间,GB的初级电压UK=0,也会使GB的线圈L2电压ΔU=0。此时令旁路开关JP闭合，然后断开省电开关JS，这使我们能够在装置正常运行期间，随时悄然将串联于供电回路中的装置成功地退出运行。该设计使异常情况或必要时让装置退出节电状态更为灵便，这对于智能电网而言是非常重要的。

我们也可利用这一点，把可以随时退出的调压单元制作成推车式结构，在不中断对外供电的情况下将其从电柜中拖出来进行维护。其中JP和JS在低压系统中可以使用SSR元件，在高压系统中则可换用电控高压真空断路器。

2.5 外围取样信号、闭环控制信号及系统自诊断信号处理

装置需要对外部物理参数的状态进行取样，经过标准传感器接口以便满足闭环控制、显示等需要；对于每个SSR开关，都应配接标称电压略大于开关元件耐压的真空放电管或压敏电阻保护电路；对于装置中的每一个执行元部件及每个高、低压开关的操控执行动作前、后的电气效果，均须使用相应传感变送器以数字信号方式向KZ提供能够形成的内部自诊断结果的回馈信号，其中还应包含涉及电气安全警戒的中断及紧急旁路的指令信号，以便KZ依此执行下一步程序；高压电网中采用多级串联方案(图7)的装置，应设计与中心控制器进行各调压单元协调优化运行的通讯渠道。

3 装置用于3.3kV～35kV高压电网的技术措施

限于SSR器件的技术参数目前只在低压大电流范围内相对稳定可靠，用于线电压介乎3.3kV～35kV高压电网中装置的举例电路如图6所示， 采用在低压侧通过隔离变压器GB、TY等控制调整高压侧输出电压U0的方案。

为防止SSR电子开关被高电压击穿，由电源变压器BL的绕组L4向系统提供低压电源，根据相应电压等级的安全防护及高压屏蔽标准设计柜体、变压器、真空断路器、高压馈电线缆等部件。

与低压控制方式类似，控制单元KZ通过不断读取变送器送来的各高压电流、电压值，并与远端传送来的矫正参数或者存贮于系统中的预设参数值进行比较，做出调整ΔU值的大小及方向[3]（包括电压偏高时的降压值和电压偏低时的升压值）的决定。电容器C可以适当补偿电网负荷的无功电流，并吸收电网中容易击穿电子器件的高频高能电压。

图6 装置在高压电网中的方案举例

4 在高压电网中实现装置宽域调压的技术方案

因大功率SSR开关参数极限的制约，在高压电网中调节电压ΔU范围的最大值无法设计得足够宽泛。但在实际需求中，因电网电压的等级太高，即使只限于较小比例范围的调控，装置中的SSR器件的安全仍然受到威胁；特大功率的交流异步电动机ZM在运行中经常出现所需要的输出功率仅仅是其额定值的几分之一，电源电压需要调整的范围很大。

为使在这些情况下也能满足工况要求并实现节电目标，如图7所示，可以把装置输出的n个调压单元，视为n个可调ΔU的电源，然后将这些可调电源（隔离变压器的高压侧）相互顺向串联生成与输入电压Ui反相的一个新的调整电源ΔU（ΔU=ΔU1+ΔU2+……+ΔUn），依然以装置的核心设计思想，实现U0的宽域调整要求。

图7 装置在高压电网中实现宽域调压的方案

5 实验及结论

图8 用装置控制使浆泵的输出特性变得更硬

依据图3装置的基本结构，于2009年试制一台标称容量为350kVA/400V的低压节电装置，采用带有LCD显示器的型号为ECCD-1208BRC的PLC为控制器的核心，并按要求编制内部监控程序；自耦变压器的最大降压比例10%，分为10个挡位切换，调压变压器的最大容量为35kVA，次级线圈面积及装置主回路的断路器和旁路接触器按照400V/600A设计；所切换的十个抽头挡位均使用三相120A/400V带散热器的SSR开关（型号：GJH120-W-3P），安装调试后装置运行平稳。

电流实验表明，用SSR器件将三相调压电抗器的初级L1两端短路接通后，次级L2上的电压为零。在两端跨接600V放电管后反复动态切换，各SSR开关无一被击穿损坏。装置分别被接入功率不小于50kW的电热丝、路灯、风机电动机等负载，均达到预想效果。图8是浆泵电动机接入装置后输出的负载特性曲线。

试验运行时在搅拌池的浆液中徐徐加入干粉，可见在本装置的直接驱动下，电动机的负载特性随着介质的密度（浆液粘稠度）即阻转矩的提高(由T7→T1)，变得更硬[由U(T7)→U(T1)]了。这种阻转矩变化在实践中是随时发生的、可逆的，故使用本装置可达到动态节电的目的。试验还说明装置用于不同种类的综合负载后，节电效果虽有差异但成效显著，具有广阔的市场前景。

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