进入21世纪，世界性的能源紧缺以及因能源过度消耗而引发的全球气候变化已经成为威胁人类生存和发展的首要问题。中国是一个能源生产大国，但同时也是一个能源消耗大国，随着工业化和现代化的发展，能源需求与能源共给不足的矛盾日益凸显。
电能多为一种优质的二次能源，已经成为现代工业必不可少的能源供给。随着电网负荷越来越大、全国用电量飞速增长，大量电能在无形之中损耗与浪费，根据市场调研与分析可知，目前电能浪费的主要因素是三相电压不平衡、谐波污染严重以及电压不稳定等因数造成的。中国能否保持经济快速发展，一个重要的先决条件就是能源供应的充足，而电力是主要的能源，因此节电显得非常重要，节电已经成为提高能效，降低能耗的重要途径。
节电技术和节电设备研发在国外已经发展了40 a左右。传统节电技术主要有电抗节能、滤波器节能、稳压调压节能、变频器节能等多种节电技术，主要应用的领域局限于小负载的灯光照明及动力节能，发展得较好的就是大功率空调、风机、水泵的高压变频技术和大温差蓄冷技术，这些技术确实也取得了较高的节电率，但由于他们的局限性和局部节能的情况现在已逐步被系统型节电技术所取代。表1是各种常用节电技术与三相平衡节电技术各方面特点对比情况[1,2]。
配电系统节电器正是针对国内电网和实际用电情况研发而成的，具有应用范围广，节电效果好等优点，集节电、保护用电设备、净化电网、平衡三相电压电流、抑制高次谐波于一体的多功能系统节电器，真正从用电系统源头端治理电力污染，达到综合节电的目的。
表1 节电技术特征对比表
1 基本原理
基于三相磁平衡技术的配电系统节电器的核心是一种带有铁芯和多绕组的特殊接线的自耦变压器。变压器的铁芯采用反“z”型连接，见图1，使三相绕组产生的磁场相互迭加来平衡三相电压，实现对供电系统的优化配置，均衡三相电源，消除杂波干扰。这种特殊绕组，可以相互补偿铁芯的磁通量，最大限度地控制各相感应电动势的一致性，从而保持三相平衡，降低零线电流等额外损耗，达到节电的目的。
此连接方式打破了传统变压器各相之间相互独立的接法，把每一相线圈都分成两半，将一相线圈的上一半与另一相线圈的下一半反接串联，组成新的一相，再把A、B、C引出，将a、b、c连接在一起作为中点，如图2是它的电势星形图[1-3]。
图1 “z”型接法原理图 图2 电势星形图
2技术特点
2.1 改善配电网三相电压不平衡
在三相配电负荷侧，大部分三相电力用户会由于各相因负荷的差异而形成三相电压不平衡。三相电压平衡时，其各相电压幅值相等，各相电压向量相差120 °，但在三相不平衡时，则产生负序电压和零序电压分量。向量分解如图3所示：
图 3三相电压平衡向量图
三相电压不平衡时，以分量法分解出来的负序电压，与正序电压分量旋转方向相反，会为电动机带来反向力矩，引起负序损耗。另外，由于电压不平衡，令三相电压的中心点移动，产生零序电压分量，也使电动机产生额外电动力矩和增大线圈漏磁损耗。
2.2 抑制谐波
随着电力电子技术在各工业部门和用电设备上的广泛应用，非线性负荷数量越来越多，容量也越来越大，谐波大量注入电网，使电力系统电压、电流波形发生严重的畸变。由于电网上的高次谐波较多，将会增加用电设备的损耗，效率降低，用电设备发热加剧，使用寿命缩短。大量的谐波会造成设备自身和电网相当大的附加无功电流，增加电网输变电以至发电设备的负担，影响设备运行及寿命。目前，世界各国都在严格制定输人谐波的标准。
电力系统中的主要谐波源可分为两类：a) 含半导体的非线性元件，如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、变频器等节能和控制用的电力电子设备;b) 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如交流电弧炉及铁磁谐振设备等。随着硅整流、电弧炉及可控硅换流设备的广泛使用和各种非线性负荷的增加，当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，谐波电流注入到电网中，造成电压正弦波形畸变，这些设备就成了电力系统的谐波源。
如图4所示，配电系统节电器使用特殊设计的“z”型谐波屏蔽绕组，使得绕组中的谐波安匝与工作绕组所感生的谐波安匝值保持平衡，迫使两耦合绕组所穿链的谐波磁通自行抵消，阻止谐波在供电系统中传输。从而改善了各相功率因数，减少无功消耗，抑制了由于非线性负载所产生的高次谐波[4,5]。
图 4 谐波屏蔽绕组图
如图5、6所示，图5是安装节电器前的A相电压波形，图6为安装节电器后的A相电压波形，横轴为时间单位s，纵轴坐标Ua为电压v。如图可知，配电系统节电器有效的滤除了谐波，使A相波形变得平稳。同时，根据现场实验数据得到，在相同负载，相同电源情况下，经分析、计算得出安装节电器前后谐波量下降2 %～5%，有效降低电能损耗。
图 5 原始A相电压波形 图 6 滤除谐波后A相电压波形
注：横坐标标名为：时间t/s，纵坐标标名为：电压Ua/V; 排版时改
2.3 稳定负荷侧电压
电力系统的供电电压因线路较长的原因，首端电压高于末端电压，另外，因受电网负荷的影响，电压波动范围较大，尤其是在凌晨时段，大型用电负荷不工作的情况下供电电压变得较高。用电设备在高于额定电压状态运行时，将导致用电设备电能损耗增加，寿命降低。对于带有绕组和铁芯的供电设备，如变压器、电动机、交流接触器、镇流器、电磁铁等设备，由于铁芯损耗与电压平方成正比，电压升高，铁芯损耗将增大。长期运行将引起绕组温升增高，绝缘老化，降低设备寿命 [6]。
铁芯损耗与电压的关系：
PFe =KfB2(磁滞损耗)+Kf2B2 (涡流损耗)≈Kf1.3B2，(1)
式(1)中：PFe——铁芯损耗;K——常数;f——磁通变化率;B——磁通密度。
因为，铁芯损耗PFe与磁通密度平方B2成正比，而磁通密度B与电压V成正比，所以，铁芯损耗PFe与电压平方V2成正比。
配电系统节电器具有自耦变压器的特性，根据现场用电情况，对三相电压进行调压，使电压稳定在380 V左右，它的变比k接近1，其中变比k接近1的原因是从两个方面考虑：a) 基本保证节电器输出电压达到设备额定电压，以保证设备正常出力;b) 通过自耦变压器使输出电压适当降低，从而使系统线损、零序电流降低，在一定程度上节约了电能 [2,7,8]。
3 结语
以 “z”型接法的自耦变压器为核心的配电系统节电器保持了各相之间的电压、电流、磁通量及相位的相互影响、相互调节，实现了三相电压平衡的优化、谐波抑制、稳定电压的功能。在大型工业用电场合得到最大程度的电能优化与节约，据统计节电率达到10%以上，其应用前景非常可观。
