一種基于IGBT智能型三相不平衡治理裝置應用于配電變壓器治理的分析與總結

云南電網有限責任公司紅河供電局 李 虹

配電網直接面向用戶，是保證供電質量、提高電網運行效率、創(chuàng)新用戶服務的關鍵環(huán)節(jié)。近年來各電網公司不斷加大配電網投入，據統(tǒng)計南方電網公司配電線路及設備資產原值已占其資產原值28%，其中配電變壓器數量達60余萬臺。配電變壓器的運行工況很大程度上影響配網安全及用戶用電質量，三相負荷不平衡(下稱三相不平衡)是配電變壓器運行中面臨的一個普遍性問題，且通過管理手段較難解決，而配變三相不平衡造成設備損壞、損耗增加、用戶電壓質量低等諸多問題，各供電單位每年配電變壓器負荷調整需付出大量人力物力。文獻[1]分析和總結農村配電變壓器三相負荷不平衡原因及常用措施；文獻[2]以降低配電網的總體三相不平衡度為優(yōu)化目標，利用圖論代數連通度理論對輻射狀網絡拓撲約束條件進行快速求解，該方法難以解決局部配電變壓器三相不平衡問題；文獻[3]提出了基于dq 變換的補償算法，但未給出工程應用效果。

1 配電變壓器三相不平衡現(xiàn)狀及問題

配電變壓器三相不平衡嚴重性：作者對云南電網某地區(qū)的配電變壓器三相不平衡度情況開展調查統(tǒng)計如下：公用配電變壓器三相不平衡度超過80%配電變壓器數量占公用配變總數的8%；而三相不平衡度分布在50%～80%的配電變壓器占比達15%，不平衡度在30%～50%的配電變壓器最多，具體為32%；不平衡度在15～30%的配電變壓器占公用配變總數的30%，而不平衡度在15%以下只有15%。據南方電網《中低壓配電運行標準》規(guī)定，配變變壓器的三相負荷應力求平衡，不平衡度不應大于15%。只帶少量單相負荷的三相變壓器中性線電流不應超過額定電流的25%，不符合上述規(guī)定時，應及時調整負荷。調查地區(qū)配電網公用配電變壓器有80%左右不滿足不平衡度要求，因此配電變壓器三相不平衡度問題是普遍且嚴重的。本文計算配變變壓器三相負荷不平衡度公式為：（最大相電流—最小相電流）/最大相電流×100%。

配電變壓器三相不平衡的主要危害：發(fā)生三相不平衡時，因存在負序或零序分量，對各種電氣設備產生不同的負面影響，其對幾種典型電氣設備危害總結如下：感應電動機。在不平衡電壓作用下，負序電流產生制動轉矩，使感應電動機的最大轉矩和輸出功率下降，引起電動機振動。負序電流使電動機定子、轉子的銅耗增加，電動機過熱并導致絕緣老化程序加快，運行壽命降低；變壓器。其負載不平衡時，如最大相電流為額定電流、變壓器容量不能充分利用。如變壓器運行于額定容量，造成局部過熱。另外由于磁路不平衡、大量的漏磁通經箱壁使其發(fā)熱。相關研究表明，變壓器在額定負荷下，電流不平衡度10%其絕緣壽命約縮短16%；線路三相負荷不平衡，負序電流會產生附加損耗，同時使輸、配電線路電壓損失增加，降低電能質量，影響用戶的電器使用。

配電變壓器三相不平衡治理存在的困難：除相關報道外，通過查清某地區(qū)用戶所接相別、分析負荷規(guī)律后發(fā)現(xiàn)，因負荷隨機性引發(fā)配電變壓器三相不平衡度問題呈現(xiàn)隨機，其造成人工調整極其困難，是治理配電變壓器三相不平衡問題的關鍵難點。圖1是某地區(qū)某臺區(qū)日電流變化趨勢曲線圖，橫坐標時間、縱坐標是電流，可明顯看出該配電變壓器三相負荷具有很強隨機性，負荷最大相交替出現(xiàn)，零序電流較大。下午17點～早上5點最大負荷主要是在C 相，早上5點～下午14點最大負荷主要出現(xiàn)在A 相，其間短時出現(xiàn)在B 相。此配電變壓器在不同時段最大負荷出現(xiàn)的相別不一致且三相負荷呈不規(guī)律變化，不同時間段配變不平衡度差異較大。

圖1 某配電變壓器日負荷曲線圖

2 治理措施

現(xiàn)有的配電變壓器三相不平衡度問題治理措施和方法較多，下面對其中常見5中方法進行闡述和分析。

調整負荷。即將負荷重的相所帶部分用戶轉移至負荷輕的相上。措施耗費較多的人力物力，加之用戶負荷動態(tài)變化，因此實際操作效果不佳；均分負荷。配網中常使用平均負荷法來解決三相系統(tǒng)對單相負荷供電。適用于單相供電的用戶，可根據用戶的供電功率分相分配，使總的不平衡度減小；加裝電力變流器。其利用三相輸入單相輸出的電力電子變流器對功率較大的或者是很大的單相負荷提供高質量電能。三相電流必然平衡，當采用PWM 整流電路時還可實現(xiàn)對輸入功率因數的調整及對諧波的抑制。但是使用的開關器件較多，控制也比較復雜，需要改變目前配電網的拓撲結構，難以推廣；平衡變壓器。平衡變壓器是三相變兩相變壓器的總稱，其原邊接三相電網系統(tǒng)，副邊輸出為兩個相互正交的電壓，可以看作兩個單相電壓。當兩相所接單相負載相等時，在三相側的電流是平衡且對稱的；當兩相所接單相負載不相等時三相側的電流仍是平衡的，不會產生零序電流。簡單可靠但應用局限大，僅適用于變化不大的線性負荷且不具備抑制諧波的能力，不能滿足用戶對供電靈活性的要求。

基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，是電力電子器件技術發(fā)展水平中的第三代產品，器件驅動功率小和開關速度快，飽和壓降低而容量大。根據對稱分量法，任何三相不平衡的電流、電壓和阻抗都可以分解成三組分別對稱的相量，即正序分量、負序分量、零序分量，該裝置對各相電流進行序分量計算，然后補償電流中的負序分量與零序分量，即從而實現(xiàn)三相功率平衡。其工作過程主要為：實時檢測系統(tǒng)電流，判斷系統(tǒng)是否處于不平衡狀態(tài)，同時計算出達到平衡狀態(tài)時各相所需轉換的電流值，基于該結果將信號發(fā)送給內部IGBT 并驅動其動作，其將負荷最大相的交流電整流為直流電并儲存在裝置內部的母線電容中，然后對直流電進行逆變，最后釋放到系統(tǒng)負荷小的相。在不改變負載總功率的前提下，對三相負載功率消耗進行重新分配，使單相、兩相功率消耗或者三相功率消耗不平衡，向三相功率消耗均勻分配，實現(xiàn)配電變壓器三相負荷平衡。

該治理裝置優(yōu)點包括：響應速度快，全響應時間≦10ms；實時動作，該治理裝置實時采集電流，時刻跟蹤系統(tǒng)電流的變化，動態(tài)及時調整，可適應負載實時變化；保證系統(tǒng)安全，IGBT 特性決定了其不會與電網阻抗發(fā)生諧振或引起諧波放大的情況，也不存在過補償及無功反送的情況；諧波治理，基于IGBT 技術的治理裝置可對多種諧波進行動態(tài)補償。

綜上，配變三相負荷不平衡治理技術措施較多，但前四種都具有極限性，使用效果不理想。而基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置既能治理三相不平衡問題，又可提高功率因數和電能質量，可認為是當前最佳治理技術措施之一。

3 工程應用

工程應用于云南電網公司某供電局，所使用的基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置采用模塊化結構設計，容量配置靈活，可根據補償容量選擇相應的補償模塊數量，其單個模塊容量為25kVA。實施前，根據配電變壓器負荷情況計算出需安裝的智能型無功補償裝置容量，按比略高于計算值選擇安裝容量。基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置并聯(lián)在線路中，根據負載三相功率情況對基波功率重新分配達到三相平衡。

應用案例1：選擇該地區(qū)的安寧街公變開展應用，治理前該配電變壓器額定容量315kVA，低壓側額定電流455A，基于歷史數據統(tǒng)計最大不平衡度為60.4%，對應的A 相電流為89A、B 相29.9A、C 相35.6A。在該公變安裝一臺50MVA的治理裝置后，以投運當天即2020年6月5日為例，在12點30分投入治理裝置，裝置投運后，配變變壓器由投運前的三相負荷不平衡迅速到整到平衡，零序電流及不平衡度快速下降。治理裝置投運前配電變壓器三相不平衡，最大零序電流60.4A、最大不平衡度66.7%。投運后配電變壓器三相電流基本平衡，零序電流最大零序電流4.8A，最大不平衡度6.4%。

應用案例2：該配電變壓器額定容量315kVA，低壓側額定電流455A，歷史最大負荷A 相71.8A、B 相172A、C 相83.1A，不平衡度58.3。安裝了一臺75MVA 的三相不平衡治理裝置。從圖2、圖3可看出，裝置投運后，配變變壓器由投運前的三相負荷不平衡迅速到整到平衡，零序電流及不平衡度快速下降。治理裝置投運前配電變壓器三相不平衡，最大零序電流48.9A，最大不平衡度66.8%。投運后，配電變壓器三相電流基本平衡，零序電流最大零序電流10.5A，不平衡度6.3%。

圖2 治理裝置投入前后電流趨勢圖

圖3 治理裝置投入前后不平衡度變化趨勢圖

應用案例3：該配電變壓器額定容量630kVA，低壓側額定電流909A，歷史最大負荷A 相481A、B 相348A、C 相364A，不平衡率27.7%。安裝了一臺100MVA 的三相不平衡治理裝置。裝置投運后，配變變壓器由投運前的三相負荷不平衡迅速到整到平衡，零序電流及不平衡度快速下降。治理裝置投運前配電變壓器三相不平衡，最大零序電流171.4A，最大不平衡度47.7%。投運后，配電變壓器三相電流基本平衡，最大零序電流21A，不平衡度3.6%。

4 結語

基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置治理效果明顯。治理裝置投運后，三臺配電變壓器三相電流迅速調整至平衡，配變三相不平衡度分別由66.7%、66.8%、47.7%下降到了6.4%、6.3%、3.6%，全部下降至15%以下，達到規(guī)程要求，保障了電網和設備的安全、經濟性。但應用中發(fā)現(xiàn)基于IGBT智能型三相不平衡治理裝置運行中噪音偏大，安裝時應避免離居民用戶過近，下一步應對該裝置進行優(yōu)化、減少噪音。同時，為減少硬件成本，生產實際中應按先管理、后工程的方法，首先從配網負荷接入和運行調整上來減少配變負荷不平衡，對于負荷隨機性強、不易平衡的配電變壓器宜安裝治理裝置實施工程治理。