配電網三相不平衡危害分析及優化措施

陸柏羽 章 忠 田 權

（國網泰順縣供電公司，浙江溫州325500）

0 引言

隨著社會發展和經濟水平提高，電能的作用日益重要，無論是企業生產還是居民生活都離不開電能。居民負荷的增加和電力電子技術的發展，使電力負荷的構成出現了新的變化。非線性負荷、沖擊性負荷及單相負荷的接入，進一步加劇了配電網三相不平衡等電能質量問題，并對電網的安全穩定運行造成威脅。近年來，對于配電網三相不平衡進行研究和優化，逐漸成為配電網優化的重要課題之一[1]。

1 配電網三相不平衡現狀

配電網三相不平衡分為正常性不平衡和事故性不平衡[2]，本文主要對正常性不平衡進行分析研究。

我國配電網供電方式主要為三相四線制，配電變壓器接線多采用Y/yn0型。理想供電方式下，三相負荷均衡分配，變壓器對稱運行，但實際上配電網中存在大量的沖擊性、非線性負荷，這些負荷會向系統注入大量諧波，引起閃變、電壓波動和三相不平衡等。低壓配電網中居民多為單相負荷，具有網絡復雜、負荷性質多樣（感性、容性、阻性）、同時性差、變化大等特點，這些負荷很難均衡分配以保持三相平衡。故配電網實際運行中很難達到絕對的平衡，大多數情況下處于三相不平衡運行狀態。

2 配電網三相不平衡運行的危害

配電網絡理想狀態下三相電壓、電流具有相同的幅值，且相位差均為120°。實際運行中總是存在不同程度的指標偏離，國家標準允許存在一定的偏差。三相不平衡是指三相電壓或電流中含有負序、零序分量，導致三相電壓或電流的波形不再是標準正弦波，相位差也不是120°，零線上出現零序電流等。根據相關規定，配電變壓器低壓三相負荷不平衡率應≤15%[3]，中性線電流允許值為額定電流的25%[4]。三相不平衡將影響電能質量，嚴重時甚至會危及人身、設備安全。三相不平衡危害主要體現在以下幾方面：

（1）造成配電變壓器和線路損壞。

當三相不平衡時，若負載達到變壓器額定容量，負載最重一相將超過該相額定容量，則變壓器將超負荷運行，造成變壓器溫度升高、絕緣加速老化等，嚴重超負荷運行甚至會燒毀變壓器；三相不平衡時，中性線上將出現零序電流，一方面電流過大超出承載能力會燒毀中性線，另一方面零序電流在變壓器低壓側會產生零序磁通，該磁通無法耦合到高壓側，只有通過變壓器外殼、鐵芯、夾件等以熱能形式散掉，從而導致變壓器發熱及絕緣油升溫等，將影響變壓器壽命，給安全運行帶來隱患。

當三相不平衡運行時，零線（中性線）上將流過零序電流，正常設計零線線徑小于相線線徑。當電流過大時，零線會嚴重發熱，引起火災甚至被燒斷，同時一些用電設備電壓可能由相電壓變成線電壓，造成設備因過壓損壞。

（2）降低配電網容量利用率，增加線損。

三相不平衡運行時，當負載最重一相達到額定容量時，該變壓器就屬于滿負荷運行，但其余兩相未達到額定容量，這就造成了配電網容量利用率降低。

三相不平衡運行時，由于存在零序、負序電流，變壓器銅耗、鐵耗將增加，零線因存在阻抗，會使零線上損耗增加，且損耗與零序電流平方成正比。

（3）損壞配電、用電設備，引起保護元件誤動作，影響用戶安全用電，增加用戶投訴量。

三相不平衡運行時，單相過載等不僅會造成變壓器過載、損壞，還會造成線路開關跳閘、線路燒毀等；有些保護采用電壓、電流的負序、零序分量作為啟動條件，而三相不平衡運行產生的負序、零序分量可能會使該保護誤動作；另外，旋轉電機因負序、零序電壓分量存在，不僅出力會減少，還會出現發熱、振動等現象；零序電流會使零線上產生壓降，該電壓疊加至三相端電壓上，將造成三相電壓不對稱，使中性點發生漂移，重載相電壓會降低更多，而輕載相電壓會抬升，電壓升高不僅會造成配電線路及設備絕緣擊穿，還影響用戶的安全用電。

三相不平衡造成的電能質量降低、設備損壞、非正常停電、用電安全等問題，還會使用戶對供電部門服務不滿，增加用戶投訴量。

3 配電網三相不平衡優化措施

配電網三相不平衡優化措施主要包括管理和技術兩個方面。管理方面主要包括供電企業重視三相負荷平衡度，將三相不平衡納入經濟考核指標，建立健全規章制度，制定考核和獎懲標準，調動員工積極性等措施。技術方面主要采取以下措施：

3.1 加強負荷監測及負荷調整

負荷監測方法有：

（1）采用人工方法對配電網線路進行不定期監測；

（2）采用三相電流平衡分析儀進行監測；

（3）通過配網自動化及計量系統提取信息進行監測。

通過監測結果對配網中三相不平衡負荷進行優化調整，考慮負荷的同時性、多樣性，按照從末級向上級的順序調整，保證從線路末端、分開關至配電變壓器出口都達到負荷的平衡，且盡量減小配電線路供電半徑。

3.2 通過加裝跨接電容器進行補償

在相線之間跨接三角形接線方式電容器和相線與地線之間跨接星形接線方式電容器，通過控制各個電容器的投切，利用負荷中的感性負載，實現無功補償的同時，對有功電流進行相間轉移，進而達到平衡三相負荷的目的[5]。

3.3 加裝三相不平衡自動調整裝置

三相不平衡自動調整裝置有以下幾種：在負荷末端加裝自動換相裝置，通過監測各負荷電流及變壓器出線端電流、電壓，由集中控制器進行分析、判斷，下達換相指令，進行自動換相，使三相負荷達到新的平衡；在三相線路中加裝由電抗器、電容器和電力電子器件組成的全電力電子自動調整裝置，通過監測線路中三相電流、電壓參數，由控制器進行分析、判斷，然后發送指令給裝置內部的IGBT裝置，控制各相電容、電抗器的通斷，進而起到無功補償和有功電流轉移的作用，使三相線路達到新的平衡。

4 總結與展望

通過分析三相負荷不平衡的危害，本文提出了優化措施，得到了如下結論：對于三相不平衡優化，需采取管理與技術相結合的措施。在技術方面，措施一具有測量設備操作簡單、投資低的優點，但需要專業人員進行計算、優化方案，且需停電進行人工換相，安全性相對較差；措施二具有自動進行無功補償和調整負荷不平衡能力，投資適中，但限于配電網架構特點，有功電流轉移能力有限；措施三可全容量自動調整三相不平衡負荷，且具有無功補償能力，但其設備安裝復雜、投資大。

在實際應用中，需根據各配電網的特點和重要性，經過經濟、技術比較后，選擇合適的優化措施。隨著電力電子技術的發展，相信在不久的將來，措施三中的技術會越來越成熟，且隨著設備的大量應用其成本也會越來越低。

［參考文獻］

[1]呂行.低壓三相不平衡調補裝置的研究和設計[D].大連：大連理工大學，2014.

[2]何偉剛.淺析低壓臺區三相不平衡原因及對策[J].科技視界，2017（9）：105.

[3]電能質量 三相電壓不平衡：GB/T15543—2008[S].

[4]配電變壓器運行規程：DL/T1102—2009[S].

[5]林志雄，陳巖，蔡金錠，等.低壓配電網三相不平衡運行的影響及治理措施[J].電力科學與技術學報，2009，24（3）：63-67.