配電變壓器三相負載不平衡對配網(wǎng)運行的影響探究

作者/王雪、牛海濤，國網(wǎng)山東省電力公司菏澤市定陶區(qū)供電公司

配電變壓器三相負載不平衡對配網(wǎng)運行的影響探究

作者/王雪、牛海濤，國網(wǎng)山東省電力公司菏澤市定陶區(qū)供電公司

配電網(wǎng)的穩(wěn)定是保障用戶用電的基礎(chǔ)，但是隨著電力行業(yè)的發(fā)展、用電戶數(shù)的增加，配電變壓器三相負載不平衡的現(xiàn)象也隨之增加，尤其是在用電高峰期三相負載不平衡問題突出，導(dǎo)致配網(wǎng)輸電損耗增加、電壓下降等問題，嚴重時還會引發(fā)電力安全事故，造成巨大的損失。本文首先簡要介紹配電變壓器三相負載不平衡的類型，然后從原因、危害等方面探究配電變壓器三相負載不平衡對配網(wǎng)運行產(chǎn)生的影響，最后提出改善的措施。

配電變壓器；三相負載不平衡；配網(wǎng)運行

引言

隨著社會的發(fā)展，電力資源已成為人們衣食住行、工業(yè)發(fā)展必不可少的重要能源，電力系統(tǒng)規(guī)模迅速擴大，用戶對電力資源的需求日愈增大、質(zhì)量要求也越來越高[1]。為了適應(yīng)社會發(fā)展需求，配電網(wǎng)也在不斷地改造提高供電的能力與質(zhì)量，但是用電負荷也有明顯的增加，在用電高峰期容易出現(xiàn)三相負載不平衡現(xiàn)象，極大地影響了配網(wǎng)輸電損耗與電能質(zhì)量，因此充分了解配電變壓器三相負載不平衡對配網(wǎng)運行的影響并研究改善措施具有必要性，以下主要對配電變壓器三相負載不平衡給配網(wǎng)運行帶來的影響進行探究分析，總結(jié)分析導(dǎo)致三相負載失衡的原因及其危害性，并討論改善的措施。

1.配電變壓器三相負載不平衡簡介

配電變壓器三相負載共包含三根相線，當(dāng)這三根相線處于平衡狀態(tài)時，三者的電流值則是接近的，這樣就形成了一個互相平衡的[2]。而三者不平衡的時候各相電流值會產(chǎn)生明顯的差異，其中電流值高的相線則很容易出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，嚴重時會引起火災(zāi)。三相負載不平衡會導(dǎo)致中性線的電流過大，同時中性點產(chǎn)生位移，流經(jīng)中性線的電流過多，多余的則會流至零線，此時三相負載不平衡就會導(dǎo)致零線電流增加，如圖1所示。

圖1 三相負載不平衡電流向量示意圖

配電變壓器三相負載不平衡主要有三種情況，一是三相負載失衡且負載量不對稱（過小或過大），導(dǎo)致比例不平衡現(xiàn)象，且初始幾天內(nèi)負載相差比例相對值較小，負載平衡功力也相對較小，用電一方出現(xiàn)單相用電，只是三相負載分配比例有所不同。二是在白天時段，供電系統(tǒng)三相負載動力處于基本平衡的一個狀態(tài)，到晚間用電高峰時段才發(fā)生不平衡，這種情況主要是居民生活用電習(xí)慣導(dǎo)致的，日間以生產(chǎn)用電為主，三相電壓保持相對平衡，而晚間用電時段較為集中，用電量在短時間內(nèi)大幅度增加，因此容易導(dǎo)致單向用電分配不均，進而出現(xiàn)三相負載不平衡的問題。三是季節(jié)性用電量變化而產(chǎn)生的三相負載不平衡現(xiàn)象，例如夏季、冬季的空調(diào)用電、工廠生產(chǎn)旺季與淡季用電量差異等而導(dǎo)致不同季節(jié)中單相用電與三相用電額比例變化較大，三相負載中單相負荷的分批不均勻，因此而導(dǎo)致的三相負載不平衡現(xiàn)象。

2.配電變壓器三相負載不平衡原因

造成配電變壓器三相負荷不平衡的原因主要有以下幾點：（1）線路故障影響，例如低壓線四線斷線、變壓器缺相運行等故障均會導(dǎo)致三相負載失衡；（2）單相用電設(shè)備自身因素、臨時用電和季節(jié)性用電電量變化較大等；（3）配網(wǎng)格局不合理，包括改造投入不足、配網(wǎng)通道受限、樹線矛盾等；（4）抄表人員失誤，在拆分臺區(qū)時用戶分割不均勻，電力供應(yīng)不足而導(dǎo)致三相負載失衡；（5）工作人員的責(zé)任意識不足，數(shù)據(jù)測量工作不夠嚴謹而出現(xiàn)較大的偏差，負荷搭載分配不合理，搭接過于隨意而導(dǎo)致三相負載不平衡。

3.配電變壓器三相負載不平衡對配電網(wǎng)運行的危害

■3.1 導(dǎo)致電動機設(shè)備效率降低

三相負載不平衡時會出現(xiàn)零序、負序與正序三個不同的電壓分量，當(dāng)電動機設(shè)備受到這類不平衡電壓時，正負序兩種電壓生成相反的旋轉(zhuǎn)磁場，可相互制動彼此。但是因為正序磁場強度比較強，因此電動機仍然按照正序磁場的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動，這時電動機的運行就會受負序磁場的干擾而輸出功率減少，電動機的效率也會隨之下降。同時電動機隨著運行時間增加其無功損耗與溫升也會因不平衡的影響而不斷增加，極易發(fā)生故障而導(dǎo)致安全事故。

■3.2 增加線路電能的損耗

■3.3 導(dǎo)致配電變壓器出力減少

配電變壓器繞組結(jié)構(gòu)是依據(jù)負載平衡狀態(tài)下的運行情況而設(shè)計的，因此繞組性能與各相容量基本一致[4]。而各相額定容量會對配電變壓器最大允許出力形成限制，當(dāng)三相負載失衡時就會導(dǎo)致變壓器出力減少，失衡狀態(tài)越嚴重其受影響程度也越大。三相負載不平衡狀態(tài)下，三相負載中最大一相的輸出會低于額定容量，各相輸出容量的總和為變壓器輸出容量，假設(shè)某配電變壓器額定容量是100kVA，二次側(cè)三相電流分別為72A、72A、144A，三相負載失衡時各相輸出容量總額和=變壓器最大輸出容量=63.4kVA，比額定容量減少了36.6%。

■3.4 配電變壓器出現(xiàn)零序電流

在三相負載不平衡狀態(tài)下，配變變壓器運行過程中就會產(chǎn)生零序電流，不平衡狀態(tài)越嚴重，零序電流量越大。在配電變壓器運行中，若是產(chǎn)生零序電流則會導(dǎo)致鐵心中發(fā)生零序磁通，并且會經(jīng)過鋼構(gòu)件與油箱壁，零序電流流經(jīng)鋼構(gòu)件時會因為鋼構(gòu)件導(dǎo)磁率較低而造成渦流損耗與磁滯，鋼構(gòu)件就會出現(xiàn)局部發(fā)熱、溫度升高的現(xiàn)象。鋼構(gòu)件的溫度升高會促進變壓器繞組絕緣部件的老化，進而縮短變壓器正常使用壽命，而且零序電流還會增加變壓器損耗。

■3.5 增加配變變壓器電能損耗

在配網(wǎng)中，三相負載不平衡時，三相繞組的總損耗為，各相電流分別為則而三相負載平衡狀態(tài)下銅損耗為以某配電網(wǎng)為例，當(dāng)三相負載不平衡時，三相電零序電阻根據(jù)上述式子作差可得出三相不平衡狀態(tài)銅損耗為0.033kW，按照公式計算鐵損為0.8kW，則鐵損與銅損總和為0.833kW，說明三相負載不平衡會導(dǎo)致配電變壓器嚴重損耗。

■3.6 影響配網(wǎng)用戶日常用電

選取的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以包含因果關(guān)系的適當(dāng)信息接受訓(xùn)練。因此，第一步要取得受損的與完好的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)資料，這可通過結(jié)構(gòu)反應(yīng)的實測、模型試驗或數(shù)值模擬實現(xiàn)。

三相負載不平衡時其中一相或兩相會出現(xiàn)不平衡，進而導(dǎo)致線路電壓升高，降低電能質(zhì)量，因此會對配網(wǎng)用戶日常用電帶來影響。三相負載不平衡還可能損壞變壓器，燒斷線路，導(dǎo)致電網(wǎng)局部或者大面積停電，不僅會給用戶用電帶來不便，還會帶來不同程度的經(jīng)濟損失。比如變壓器損壞導(dǎo)致停電，該配電變壓器供電區(qū)域內(nèi)的電廠、企業(yè)將無法正常運行，會帶來極大的損失。

4.改善配電變壓器三相負載不平衡的措施

■4.1 加強配電網(wǎng)日常管理

配電網(wǎng)管理部門需要加強日常檢測維護管理，安裝性能優(yōu)良的配網(wǎng)檢測設(shè)備，定期進行測量并加強三相失衡的監(jiān)測，以在第一時間發(fā)現(xiàn)問題。合理選擇中性線截面，截面應(yīng)與相線截面保持一致，避免中性線截面過小而導(dǎo)致三相失衡，同時中性線上不可安裝刀閘、熔斷器等設(shè)施。組織專門人員定期進行檢查，需注意實際情況同圖紙是否相一致以及有無遺漏情況等，若是發(fā)現(xiàn)情況不符或者遺漏現(xiàn)象應(yīng)立即依照實際負荷變化情況作相應(yīng)的更新調(diào)整。每個月定期測試負荷情況，防止發(fā)生三相負載失衡情況，可根據(jù)實際情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整測試的頻率，增加測試次數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)新增負荷或者負荷變化異常時需立即測量查明原因，并作相應(yīng)處理。

除了定期檢查測試之外，還需要加強監(jiān)督控制，實時掌握臺區(qū)的負荷情況，工作人員應(yīng)及時地補充更新臺區(qū)的基本資料，包括轉(zhuǎn)接資料、用戶更新資料、新裝用戶圖紙資料和負荷調(diào)整數(shù)據(jù)等，并做好核實工作。同時根據(jù)臺區(qū)供電情況不斷完善配網(wǎng)運行管理的制度，強化供電與用電的監(jiān)督管理，以保持變壓器負荷的平衡。加強計量測量管理工作，嚴格抄表、核對以及收費各項工作流程，實施線損目標(biāo)管理以降低電能損耗，定期進行三相負載不平衡與饋線電流平衡狀況進行檢查與調(diào)整。

■4.2 合理選擇無功補償方式

無功補償?shù)闹饕饔檬菫榱吮３峙潆娋W(wǎng)的穩(wěn)定，降低電能損耗，提升供電質(zhì)量，加強配電設(shè)備的輸出能力、負載功率，降低電能損耗，提升供電質(zhì)量。在發(fā)生三相負載不平衡時，可以采取合適的無功補償方式以達到減小不平衡率，平衡三相負載的效果。無功補償遵循便于調(diào)整電壓與分級就地平衡的原則，并且注意不同補償形式的相結(jié)合。例如降損與調(diào)壓結(jié)合并以降損為主，分散補償與集中補償結(jié)合并以分散補償方式為主，低壓補償與高壓補償相結(jié)合并以低壓補償為主，通過無功補償有效控制運行線路的電壓、負荷功率因素，減低損耗。

■4.3 平衡配電變壓器三相負載

對配電變壓器出線與分支部位進行定期的測量，使用鉗形電流表測量各相與中線電流，一旦發(fā)現(xiàn)電流測量值超出有關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，則立即進行三相電荷的調(diào)整，包括負荷類別、用戶數(shù)量以及漏電情況，并做好總結(jié)分析，調(diào)整后再平均安裝到各相，確保三相平衡。

對于低壓臺區(qū)用戶，若是單相負荷過于密集則調(diào)整為三相四線供電模式，保持單相供電與三相四線供電方式的分配比例在合理范圍，保障正常供電。同低壓末端負荷一樣，主干線出線端也同樣按照標(biāo)準(zhǔn)保持平衡，測量低壓側(cè)電流時要注意將不平衡度控制在10.00%以內(nèi)，分值首端與低壓側(cè)干線電流的不平衡度則需控制在20.00%以內(nèi)。針對不對稱負荷，可將其分散連接到不同供電點，避免集中連接導(dǎo)致不平衡度超標(biāo)而引起三相負載不平衡。還可以采用交叉換相的方式合理分配不對稱負荷到各相，最大限度地保持各相負荷的平衡，同時盡量將負荷接入點短路容量加到最大，通過提高供電電壓級別與變更網(wǎng)絡(luò)增強電力系統(tǒng)對不平衡負荷的承受能力。

將三相不平衡負荷調(diào)整到四平衡，即變壓器低壓出口測平衡、各支路平衡、計量點平衡與主干線平衡四個方面，可以結(jié)合用戶的平均用電量數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的調(diào)整，用電量在同個梯度的歸位一類并均勻分配到各相，達到平衡三相的作用。最直接的方法是裝設(shè)三相斷電保護器，又叫做三相不平衡保護器，其作用原理是，在供電過程中如果無電流通過，保護器會自動將電源切斷，達到減少三相負荷失衡發(fā)生率的作用。

■4.4 SVG/APF技術(shù)

SVG與APF是新型的三相平衡技術(shù)，分別是精致無功器和盛弘有源濾波器，三相負載不平衡主要是由于電力系統(tǒng)功率因素下降而引起的，當(dāng)出現(xiàn)三相負載不平衡時，可以采用這種新型技術(shù)進行平衡，該項技術(shù)不僅可以實現(xiàn)平衡三相負載的作用，還具有無功補償功能。

首先，采用CT進行電流的電測并將電路信息記錄下來，然后將記錄的信息傳輸?shù)紻SP數(shù)字控制處理中，經(jīng)過處理分析后再根據(jù)分析結(jié)果對三相不平衡負荷進行相應(yīng)的調(diào)整與轉(zhuǎn)移分配，主要通過調(diào)整內(nèi)部儲存內(nèi)能、電路功率實現(xiàn)三相的均衡分配。例如A、B、C三相電流分別15A、10A和5A，這種情形就稱為三相負載不平衡，平衡狀態(tài)下三相電流均為10A。

靜止無功器運行時，首先經(jīng)CT收集相關(guān)的電流信息并傳輸至內(nèi)部控制處理器，經(jīng)過相應(yīng)的處理分析后判斷各項電流的平衡狀況，同時還會根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果計算出具體的應(yīng)調(diào)節(jié)電流值。當(dāng)計算出平衡三相的電流之后，控制器會以IGBT為調(diào)整工具，將其他相多余的電流值轉(zhuǎn)移到電流值少的一相，最后再經(jīng)SVG調(diào)節(jié)各項使其達到平衡。

這一系列的操作實際上是瞬時完成的，在極短的時間內(nèi)快速分析計算并完成電流值的調(diào)整轉(zhuǎn)移，在三相電流值分配不平衡的時候采取補償?shù)姆绞綄㈦娏髦党銎骄档娜我庖幌喾殖鰜硪徊糠蛛娏鲀Υ娴絊VG母線電容中，然后在對電流值少的一相作補償調(diào)整。

5.結(jié)語

總之，配電變壓器三相負載的平衡關(guān)系到配網(wǎng)線路及設(shè)備運行的安全，但是由于多種原因配電網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)三相負載不平衡的現(xiàn)象，不僅影響線路運行的正常，給用戶帶來不便，還會降低供電的質(zhì)量、增加損耗甚至?xí)斐砂踩鹿识斐刹煌潭鹊膿p失，具有較大的危害性。對此，相關(guān)工作人員應(yīng)加強日常的檢測、維護等管理工作，提升責(zé)任意識，積極采取措施改善三相負載不平衡的現(xiàn)象。

＊ [1] 丁小瑞.三相負載不平衡的危害分析[J].大科技，2016（09）：102—103.

＊ [2] 孫蒙.淺析電力系統(tǒng)三相不平衡的危害與解決措施[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2015（06）：16—18.

＊ [3] 羅其鋒，王玲，于樹海.配網(wǎng)三相不平衡運行的無功補償方法研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（11）：24—26.

＊ [4] 譚家祺.配變?nèi)嘭撦d不平衡運行的危害及對策[J].電子世界，2016（19）：131.