提高變壓器的三相不平衡損耗精確度的方法

何兆磊 ，古連蒙，王 景，何 傲

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，云南 昆明 650011；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山電力股份有限公司，云南 文山 663000）

1 三相不平衡對配電變壓器損耗影響分析

1.1 增加配電變壓器的損耗

對于整個(gè)電力系統(tǒng)來說，配電變壓器是其中主要的設(shè)備之一，若其長期處于三相負(fù)載不平衡的狀態(tài)下，易導(dǎo)致低壓側(cè)形成零序電流，這樣不僅會(huì)增強(qiáng)配電變壓器的損耗，還可能縮短其使用周期，為電力企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，變壓器形成的無序電流往往會(huì)因三相不平衡的變化而出現(xiàn)波動(dòng)。

1.2 降低配電變壓器的出力

考慮到配電變壓器所有線圈的結(jié)構(gòu)性能都一致，雖然允許最大出力，但其數(shù)值不能超出額定容量，一旦超出的額定容量，會(huì)引發(fā)三相不平衡問題，致使輸出容量無法滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重拉低設(shè)備的過載能力，情況嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致配電變壓器被損壞，造成不必要的維修費(fèi)用。此外，若是配電變壓器長期處于過載狀態(tài)，將導(dǎo)致變壓器內(nèi)部溫度升高，對配電變壓器有著極大

的損害。基于此，須結(jié)合實(shí)際情況認(rèn)真分析，充分保護(hù)好配電變壓器，最大程度上提升其使用效率。

1.3 增加線路的電能損耗

對于三相四線制供電網(wǎng)絡(luò)來說，在電流穿過線路導(dǎo)線時(shí)，考慮到負(fù)載不平衡的影響，會(huì)造成電能損耗，不僅拉低了工作人員的正常工作效率，還有可能加大對電網(wǎng)線路的磨損，干擾整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行。考慮到電能和電流的平方一直成正比關(guān)系，一旦低壓電網(wǎng)按照三相四線制向外供電，會(huì)造成負(fù)載的影響，引發(fā)三相不平衡問題，損壞相線，給電力企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.4 輸出的電壓不平衡

所有使用的配電變壓器都是按照三相負(fù)載對稱的模式設(shè)計(jì)的，在這種設(shè)計(jì)模式下，每相線圈的具體電阻、漏抗數(shù)值大體相等，若三相負(fù)載對稱，此時(shí)穿過的電流也基本一致，因而輸出的電壓量也完全對稱。但若是系統(tǒng)中存在三相不平衡的問題，就會(huì)形成勵(lì)磁電流，導(dǎo)致電壓出現(xiàn)偏移，輸出的電壓不對稱，磨損配電變壓器。

2 三相不平衡時(shí)配電變壓器增加損耗的 計(jì)算方法

在三相不平衡狀態(tài)下，變壓器存在不同程度的損耗，此處將其視為總損耗p’f，相比于變壓器正常運(yùn)行狀態(tài)下的總損耗pf.而言，三相不平衡時(shí)存在增加的損耗，即：

從來源途徑的角度來看，增加的損耗體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是附加銅耗，指的是繞組直流電阻損耗的增加量；二是零序損耗，即漏磁通在壓板、夾件等結(jié)構(gòu)處的渦流損耗，而漏磁通的出現(xiàn)則與時(shí)序電流有關(guān)[1]。

2.1 變壓器的聯(lián)結(jié)方式

2.1.1 YynO聯(lián)結(jié)方式

引入對稱分量法，用于分解不對稱的三相電流，經(jīng)此途徑后產(chǎn)生正序、負(fù)序和零序三部分分量，對于前兩者，各自的等效電路、正序及負(fù)序阻抗均保持一致，損耗計(jì)算與三相對稱穩(wěn)態(tài)相同。對于零序分量，由于變壓器一次繞組采用的是Y接線方式，無中性線，因此在對應(yīng)的等效電路中，零序電流無通路；進(jìn)一步分析二次側(cè)，該部分采用的是yn接線的形式，有中性線，意味著此時(shí)的零序電流有通路。根據(jù)該思路，確定零序等值電路示意圖，具體如圖1所示。

圖1 零序等值電路

圖中，Z0,Z'0分別是一、二次側(cè)的零序阻抗；Z1是一次繞組漏阻抗；Zm0是零序勵(lì)磁阻抗；Z'2是折算至一次側(cè)的二次繞組等效漏阻抗。

2.1.2 Dynll聯(lián)結(jié)方式

Dynll聯(lián)結(jié)方式的零序等值電路圖，如圖2所示。通過與前述的YynO聯(lián)結(jié)方式對比發(fā)現(xiàn)，在正序和負(fù)序分量的分析中，兩者的思路基本一致。對于零序分量，此時(shí)零序電流在一次繞組中形成環(huán)路，一次側(cè)繞組內(nèi)部呈閉合的狀態(tài)，但相比之下外部則類似于開路的狀態(tài)，結(jié)合圖2分析可知，一次側(cè)零序阻抗Z0有向無窮大方向發(fā)展的變化趨勢，對于二次側(cè)繞組，此部分采用的是yn接線的方式，對應(yīng)于零序電流而言，有通路。

圖 2 零序等值電路

零序電流在一、二次側(cè)繞組內(nèi)形成回路，對二次側(cè)零序電流而言，雖然存在勵(lì)磁電流，但相對較小，因此無明顯的漏磁通，在夾板、壓板等結(jié)構(gòu)件上產(chǎn)生的渦流損耗甚微。因此，同為三相不平衡的變壓器運(yùn)行狀態(tài)，相比于YynO聯(lián)結(jié)方式，Dynll聯(lián)結(jié)方式的零序損耗明顯更小，由此也說明在Dynll聯(lián)結(jié)方式下，有利于提升變壓器帶三相不平衡負(fù)載的能力，從而保證變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 仿真分析及試驗(yàn)研究

2.2.1 負(fù)荷不同引起的三相不平衡

動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)三相負(fù)荷，由此營造不同的平衡度，采用此方式組織變壓器溫升試驗(yàn)。對此，整合仿真結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，以便對比分析變壓器的各類不平衡度所對應(yīng)的損耗情況。

研究表明，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有高度的趨同性，意味著損耗計(jì)算模型的可行性較高。根據(jù)數(shù)據(jù)變化特點(diǎn)可知，在不平衡度增加之下，變壓器損耗有加大的變化趨勢。由此，引入MATLAB軟件，在該平臺(tái)上做進(jìn)一步的函數(shù)擬合操作，從而確定損耗曲線的函數(shù)，具體如下：

根據(jù)公式（1）得知，不平衡度的增加會(huì)帶來變壓器損耗的增加，兩者呈二次函數(shù)增加的規(guī)律。式中，二次項(xiàng)與一次項(xiàng)之和指的是變壓器增加的損耗值（建立在負(fù)載率為0.6且發(fā)生三相不平衡狀況的前提下）。

2.2.2 功率因數(shù)不同引起的三相不平衡

調(diào)節(jié)三相負(fù)載性質(zhì)，由此改變變壓器的不平衡度，此處考慮的是15%、25%兩項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行溫升試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 三相不平衡時(shí)變壓器仿真和試驗(yàn)損耗值

在確定具體的不平衡度后，將其代入公式（1），此時(shí)計(jì)算所得的損耗值與試驗(yàn)值和仿真結(jié)果高度趨同，意味著就不平衡損耗方面而言，功率因素差異、負(fù)載差異各自引起的該損耗的變化具有一致性。

各不平衡度對應(yīng)的損耗情況，如圖3所示。

圖3 各不平衡度下?lián)p耗的堆積柱狀圖

分析發(fā)現(xiàn)，在不平衡度增加的變化條件下，對應(yīng)的零序損耗也有加大的變化，并且在某個(gè)節(jié)點(diǎn)將超過負(fù)載損耗和空載損耗，此時(shí)各自的占比發(fā)生改變，即零序損耗成為主要的損耗形式。

零序電阻隨零序電流變化的曲線，如圖4所示。

圖4 零序電阻與中性線電流的關(guān)系曲線

分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)零序電流增加時(shí)，零序電阻隨之發(fā)生改變，并且該值趨向于某特定的值，意味著在不平衡度增加時(shí)，對應(yīng)的零序損耗也有加大的變化，且該類損耗的占比提高，最終大于負(fù)載損耗和空載損耗。究其原因，隨著零序電流的加大，對應(yīng)零序磁通開始增加并且隨著變化的持續(xù)發(fā)生而趨于飽和，最終零序勵(lì)磁阻抗達(dá)到某特定的值并保持相對穩(wěn)定的關(guān)系，而此時(shí)零序電阻也將趨近于某特定值。

為深入探討在不平衡度發(fā)生改變后，對應(yīng)變壓器帶負(fù)載能力的變化情況，生成了具體的損耗曲線，同時(shí)將其與不同負(fù)載率時(shí)的損耗曲線進(jìn)行整合，以便對比分析，具體如圖5所示。

圖5 不平衡度與負(fù)載率對損耗的影響曲線圖

分析發(fā)現(xiàn)，在相同負(fù)載率時(shí)，為了有效控制變壓器帶三相不平衡負(fù)載時(shí)的溫升，需要采取降負(fù)荷運(yùn)行的模式，以免溫度超出許可范圍。

3 防止配電變壓器三相不平衡的管理措施

3.1 加大對負(fù)載不平衡的管理力度

為了有效解決配電變壓器三相不平衡的問題，必須提升對負(fù)載不平衡的管理強(qiáng)度，按照標(biāo)準(zhǔn)每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次電流監(jiān)測。一旦在監(jiān)測時(shí)排查出電流異常，必須立即排查引發(fā)異常的主要原因，第一時(shí)間制定相應(yīng)的解決方案，盡可能避免因三相不平衡對配電變壓器帶來的磨損[2]。

3.2 加強(qiáng)對用戶的管理力度

為有效保障變壓器能夠一直處于負(fù)荷平衡的狀態(tài)，相關(guān)人員必須提升管理標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)禁用戶出現(xiàn)違規(guī)用電行為。正是因?yàn)橛脩粲秒娗闆r同樣會(huì)影響配電工作的情形，相關(guān)工作人員必須根據(jù)不同季節(jié)的用電特征制定對應(yīng)的方案，最大程度提升配電變壓器的工作效率，保障變壓器一直處于安全運(yùn)行狀態(tài)下。不僅如此，工作人員還應(yīng)掌握用戶用電狀況，根據(jù)具體用電需求制定電網(wǎng)年度運(yùn)行方式，確保三相負(fù)載平衡，保證用戶用電的安全。

3.3 加強(qiáng)無功補(bǔ)償

可以通過加強(qiáng)無功補(bǔ)償來維持三相負(fù)載的平衡，這樣不僅能控制零相電流，還能夠有效提升供電電壓的穩(wěn)定性，提升配電變壓器的使用效率。基于此，工作人員應(yīng)提前制定相應(yīng)的解決方案，做好補(bǔ)償，以此提升使用者的滿意度，推動(dòng)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.4 加強(qiáng)對線損的分相管理

還應(yīng)重視對線損的分相管理，借助配電變壓器，盡可能避免出現(xiàn)三相不平衡的問題，維系電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在進(jìn)行線損分相管理前必須保證三只單向電能表完全分開，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)所有用戶的用電情況，定期對線損分項(xiàng)報(bào)表展開分析，分析三相線路電流是否處于平衡狀態(tài)下，這不僅能夠提升工作人員的工作效率，還能夠長期維系電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文選取Dynll和YynO兩種聯(lián)結(jié)方式，經(jīng)過仿真分析后，生成各自變壓器三相不平衡時(shí)的損耗計(jì)算模型。結(jié)果顯示，由于三相不平衡的存在，變壓器損耗明顯增加，溫升幅度加大，隨之削弱變壓器的帶負(fù)載能力。對此應(yīng)予以高度的重視，以降負(fù)荷運(yùn)行等方法有效應(yīng)對三相不平衡問題。■