進(jìn)入21世紀(jì)，世界性的能源緊缺以及因能源過度消耗而引發(fā)的全球氣候變化已經(jīng)成為威脅人類生存和發(fā)展的首要問題。中國是一個能源生產(chǎn)大國，但同時也是一個能源消耗大國，隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的發(fā)展，能源需求與能源共給不足的矛盾日益凸顯。

電能多為一種優(yōu)質(zhì)的二次能源，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)必不可少的能源供給。隨著電網(wǎng)負(fù)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(jù)市場調(diào)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(yán)重以及電壓不穩(wěn)定等因數(shù)造成的。中國能否保持經(jīng)濟快速發(fā)展，一個重要的先決條件就是能源供應(yīng)的充足，而電力是主要的能源，因此節(jié)電顯得非常重要，節(jié)電已經(jīng)成為提高能效，降低能耗的重要途徑。

節(jié)電技術(shù)和節(jié)電設(shè)備研發(fā)在國外已經(jīng)發(fā)展了40 a左右。傳統(tǒng)節(jié)電技術(shù)主要有電抗節(jié)能、濾波器節(jié)能、穩(wěn)壓調(diào)壓節(jié)能、變頻器節(jié)能等多種節(jié)電技術(shù)，主要應(yīng)用的領(lǐng)域局限于小負(fù)載的燈光照明及動力節(jié)能，發(fā)展得較好的就是大功率空調(diào)、風(fēng)機、水泵的高壓變頻技術(shù)和大溫差蓄冷技術(shù)，這些技術(shù)確實也取得了較高的節(jié)電率，但由于他們的局限性和局部節(jié)能的情況現(xiàn)在已逐步被系統(tǒng)型節(jié)電技術(shù)所取代。表1是各種常用節(jié)電技術(shù)與三相平衡節(jié)電技術(shù)各方面特點對比情況[1,2]。

配電系統(tǒng)節(jié)電器正是針對國內(nèi)電網(wǎng)和實際用電情況研發(fā)而成的，具有應(yīng)用范圍廣，節(jié)電效果好等優(yōu)點，集節(jié)電、保護(hù)用電設(shè)備、凈化電網(wǎng)、平衡三相電壓電流、抑制高次諧波于一體的多功能系統(tǒng)節(jié)電器，真正從用電系統(tǒng)源頭端治理電力污染，達(dá)到綜合節(jié)電的目的。

表1 節(jié)電技術(shù)特征對比表

1 基本原理

基于三相磁平衡技術(shù)的配電系統(tǒng)節(jié)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(chǎn)生的磁場相互迭加來平衡三相電壓，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的優(yōu)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(yīng)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(dá)到節(jié)電的目的。

此連接方式打破了傳統(tǒng)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(lián)，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(shù)特點

2.1 改善配電網(wǎng)三相電壓不平衡

在三相配電負(fù)荷側(cè)，大部分三相電力用戶會由于各相因負(fù)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(chǎn)生負(fù)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(fù)序電壓，與正序電壓分量旋轉(zhuǎn)方向相反，會為電動機帶來反向力矩，引起負(fù)序損耗。另外，由于電壓不平衡，令三相電壓的中心點移動，產(chǎn)生零序電壓分量，也使電動機產(chǎn)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(shù)在各工業(yè)部門和用電設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，非線性負(fù)荷數(shù)量越來越多，容量也越來越大，諧波大量注入電網(wǎng)，使電力系統(tǒng)電壓、電流波形發(fā)生嚴(yán)重的畸變。由于電網(wǎng)上的高次諧波較多，將會增加用電設(shè)備的損耗，效率降低，用電設(shè)備發(fā)熱加劇，使用壽命縮短。大量的諧波會造成設(shè)備自身和電網(wǎng)相當(dāng)大的附加無功電流，增加電網(wǎng)輸變電以至發(fā)電設(shè)備的負(fù)擔(dān)，影響設(shè)備運行及壽命。目前，世界各國都在嚴(yán)格制定輸人諧波的標(biāo)準(zhǔn)。

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

如圖4所示，配電系統(tǒng)節(jié)電器使用特殊設(shè)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(tǒng)中傳輸。從而改善了各相功率因數(shù)，減少無功消耗，抑制了由于非線性負(fù)載所產(chǎn)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(jié)電器前的A相電壓波形，圖6為安裝節(jié)電器后的A相電壓波形，橫軸為時間單位s，縱軸坐標(biāo)Ua為電壓v。如圖可知，配電系統(tǒng)節(jié)電器有效的濾除了諧波，使A相波形變得平穩(wěn)。同時，根據(jù)現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)得到，在相同負(fù)載，相同電源情況下，經(jīng)分析、計算得出安裝節(jié)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(biāo)標(biāo)名為：時間t/s，縱坐標(biāo)標(biāo)名為：電壓Ua/V; 排版時改

2.3 穩(wěn)定負(fù)荷側(cè)電壓

電力系統(tǒng)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(wǎng)負(fù)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(fù)荷不工作的情況下供電電壓變得較高。用電設(shè)備在高于額定電壓狀態(tài)運行時，將導(dǎo)致用電設(shè)備電能損耗增加，壽命降低。對于帶有繞組和鐵芯的供電設(shè)備，如變壓器、電動機、交流接觸器、鎮(zhèn)流器、電磁鐵等設(shè)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(shè)備壽命 [6]。

鐵芯損耗與電壓的關(guān)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(shù);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(tǒng)節(jié)電器具有自耦變壓器的特性，根據(jù)現(xiàn)場用電情況，對三相電壓進(jìn)行調(diào)壓，使電壓穩(wěn)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(jié)電器輸出電壓達(dá)到設(shè)備額定電壓，以保證設(shè)備正常出力;b) 通過自耦變壓器使輸出電壓適當(dāng)降低，從而使系統(tǒng)線損、零序電流降低，在一定程度上節(jié)約了電能 [2,7,8]。

3 結(jié)語

以 “z”型接法的自耦變壓器為核心的配電系統(tǒng)節(jié)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(diào)節(jié)，實現(xiàn)了三相電壓平衡的優(yōu)化、諧波抑制、穩(wěn)定電壓的功能。在大型工業(yè)用電場合得到最大程度的電能優(yōu)化與節(jié)約，據(jù)統(tǒng)計節(jié)電率達(dá)到10%以上，其應(yīng)用前景非?？捎^。