作者/王雪、牛海濤，國(guó)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(fù)載不平衡對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行的影響探究

作者/王雪、牛海濤，國(guó)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(hù)用電的基礎(chǔ)，但是隨著電力行業(yè)的發(fā)展、用電戶(hù)數(shù)的增加，配電變壓器三相負(fù)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(fù)載不平衡問(wèn)題突出，導(dǎo)致配網(wǎng)輸電損耗增加、電壓下降等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)電力安全事故，造成巨大的損失。本文首先簡(jiǎn)要介紹配電變壓器三相負(fù)載不平衡的類(lèi)型，然后從原因、危害等方面探究配電變壓器三相負(fù)載不平衡對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響，最后提出改善的措施。

配電變壓器；三相負(fù)載不平衡；配網(wǎng)運(yùn)行

引言

隨著社會(huì)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(kuò)大，用戶(hù)對(duì)電力資源的需求日愈增大、質(zhì)量要求也越來(lái)越高[1]。為了適應(yīng)社會(huì)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(fù)荷也有明顯的增加，在用電高峰期容易出現(xiàn)三相負(fù)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(fù)載不平衡對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行的影響并研究改善措施具有必要性，以下主要對(duì)配電變壓器三相負(fù)載不平衡給配網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的影響進(jìn)行探究分析，總結(jié)分析導(dǎo)致三相負(fù)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(fù)載不平衡簡(jiǎn)介

配電變壓器三相負(fù)載共包含三根相線(xiàn)，當(dāng)這三根相線(xiàn)處于平衡狀態(tài)時(shí)，三者的電流值則是接近的，這樣就形成了一個(gè)互相平衡的[2]。而三者不平衡的時(shí)候各相電流值會(huì)產(chǎn)生明顯的差異，其中電流值高的相線(xiàn)則很容易出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起火災(zāi)。三相負(fù)載不平衡會(huì)導(dǎo)致中性線(xiàn)的電流過(guò)大，同時(shí)中性點(diǎn)產(chǎn)生位移，流經(jīng)中性線(xiàn)的電流過(guò)多，多余的則會(huì)流至零線(xiàn)，此時(shí)三相負(fù)載不平衡就會(huì)導(dǎo)致零線(xiàn)電流增加，如圖1所示。

圖1 三相負(fù)載不平衡電流向量示意圖

配電變壓器三相負(fù)載不平衡主要有三種情況，一是三相負(fù)載失衡且負(fù)載量不對(duì)稱(chēng)（過(guò)小或過(guò)大），導(dǎo)致比例不平衡現(xiàn)象，且初始幾天內(nèi)負(fù)載相差比例相對(duì)值較小，負(fù)載平衡功力也相對(duì)較小，用電一方出現(xiàn)單相用電，只是三相負(fù)載分配比例有所不同。二是在白天時(shí)段，供電系統(tǒng)三相負(fù)載動(dòng)力處于基本平衡的一個(gè)狀態(tài)，到晚間用電高峰時(shí)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(duì)平衡，而晚間用電時(shí)段較為集中，用電量在短時(shí)間內(nèi)大幅度增加，因此容易導(dǎo)致單向用電分配不均，進(jìn)而出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡的問(wèn)題。三是季節(jié)性用電量變化而產(chǎn)生的三相負(fù)載不平衡現(xiàn)象，例如夏季、冬季的空調(diào)用電、工廠(chǎng)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(fù)載中單相負(fù)荷的分批不均勻，因此而導(dǎo)致的三相負(fù)載不平衡現(xiàn)象。

2.配電變壓器三相負(fù)載不平衡原因

造成配電變壓器三相負(fù)荷不平衡的原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）線(xiàn)路故障影響，例如低壓線(xiàn)四線(xiàn)斷線(xiàn)、變壓器缺相運(yùn)行等故障均會(huì)導(dǎo)致三相負(fù)載失衡；（2）單相用電設(shè)備自身因素、臨時(shí)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(shù)線(xiàn)矛盾等；（4）抄表人員失誤，在拆分臺(tái)區(qū)時(shí)用戶(hù)分割不均勻，電力供應(yīng)不足而導(dǎo)致三相負(fù)載失衡；（5）工作人員的責(zé)任意識(shí)不足，數(shù)據(jù)測(cè)量工作不夠嚴(yán)謹(jǐn)而出現(xiàn)較大的偏差，負(fù)荷搭載分配不合理，搭接過(guò)于隨意而導(dǎo)致三相負(fù)載不平衡。

3.配電變壓器三相負(fù)載不平衡對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的危害

■3.1 導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)設(shè)備效率降低

三相負(fù)載不平衡時(shí)會(huì)出現(xiàn)零序、負(fù)序與正序三個(gè)不同的電壓分量，當(dāng)電動(dòng)機(jī)設(shè)備受到這類(lèi)不平衡電壓時(shí)，正負(fù)序兩種電壓生成相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可相互制動(dòng)彼此。但是因?yàn)檎虼艌?chǎng)強(qiáng)度比較強(qiáng)，因此電動(dòng)機(jī)仍然按照正序磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行就會(huì)受負(fù)序磁場(chǎng)的干擾而輸出功率減少，電動(dòng)機(jī)的效率也會(huì)隨之下降。同時(shí)電動(dòng)機(jī)隨著運(yùn)行時(shí)間增加其無(wú)功損耗與溫升也會(huì)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(xiàn)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(fù)載平衡狀態(tài)下的運(yùn)行情況而設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)配電變壓器最大允許出力形成限制，當(dāng)三相負(fù)載失衡時(shí)就會(huì)導(dǎo)致變壓器出力減少，失衡狀態(tài)越嚴(yán)重其受影響程度也越大。三相負(fù)載不平衡狀態(tài)下，三相負(fù)載中最大一相的輸出會(huì)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(fù)載失衡時(shí)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(fù)載不平衡狀態(tài)下，配變變壓器運(yùn)行過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生零序電流，不平衡狀態(tài)越嚴(yán)重，零序電流量越大。在配電變壓器運(yùn)行中，若是產(chǎn)生零序電流則會(huì)導(dǎo)致鐵心中發(fā)生零序磁通，并且會(huì)經(jīng)過(guò)鋼構(gòu)件與油箱壁，零序電流流經(jīng)鋼構(gòu)件時(shí)會(huì)因?yàn)殇摌?gòu)件導(dǎo)磁率較低而造成渦流損耗與磁滯，鋼構(gòu)件就會(huì)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(huì)促進(jìn)變壓器繞組絕緣部件的老化，進(jìn)而縮短變壓器正常使用壽命，而且零序電流還會(huì)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(fù)載不平衡時(shí)，三相繞組的總損耗為，各相電流分別為則而三相負(fù)載平衡狀態(tài)下銅損耗為以某配電網(wǎng)為例，當(dāng)三相負(fù)載不平衡時(shí)，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(jì)算鐵損為0.8kW，則鐵損與銅損總和為0.833kW，說(shuō)明三相負(fù)載不平衡會(huì)導(dǎo)致配電變壓器嚴(yán)重?fù)p耗。

■3.6 影響配網(wǎng)用戶(hù)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(guò)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的實(shí)測(cè)、模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)。

三相負(fù)載不平衡時(shí)其中一相或兩相會(huì)出現(xiàn)不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致線(xiàn)路電壓升高，降低電能質(zhì)量，因此會(huì)對(duì)配網(wǎng)用戶(hù)日常用電帶來(lái)影響。三相負(fù)載不平衡還可能損壞變壓器，燒斷線(xiàn)路，導(dǎo)致電網(wǎng)局部或者大面積停電，不僅會(huì)給用戶(hù)用電帶來(lái)不便，還會(huì)帶來(lái)不同程度的經(jīng)濟(jì)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(chǎng)、企業(yè)將無(wú)法正常運(yùn)行，會(huì)帶來(lái)極大的損失。

4.改善配電變壓器三相負(fù)載不平衡的措施

■4.1 加強(qiáng)配電網(wǎng)日常管理

配電網(wǎng)管理部門(mén)需要加強(qiáng)日常檢測(cè)維護(hù)管理，安裝性能優(yōu)良的配網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備，定期進(jìn)行測(cè)量并加強(qiáng)三相失衡的監(jiān)測(cè)，以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。合理選擇中性線(xiàn)截面，截面應(yīng)與相線(xiàn)截面保持一致，避免中性線(xiàn)截面過(guò)小而導(dǎo)致三相失衡，同時(shí)中性線(xiàn)上不可安裝刀閘、熔斷器等設(shè)施。組織專(zhuān)門(mén)人員定期進(jìn)行檢查，需注意實(shí)際情況同圖紙是否相一致以及有無(wú)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(shí)際負(fù)荷變化情況作相應(yīng)的更新調(diào)整。每個(gè)月定期測(cè)試負(fù)荷情況，防止發(fā)生三相負(fù)載失衡情況，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整測(cè)試的頻率，增加測(cè)試次數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)新增負(fù)荷或者負(fù)荷變化異常時(shí)需立即測(cè)量查明原因，并作相應(yīng)處理。

除了定期檢查測(cè)試之外，還需要加強(qiáng)監(jiān)督控制，實(shí)時(shí)掌握臺(tái)區(qū)的負(fù)荷情況，工作人員應(yīng)及時(shí)地補(bǔ)充更新臺(tái)區(qū)的基本資料，包括轉(zhuǎn)接資料、用戶(hù)更新資料、新裝用戶(hù)圖紙資料和負(fù)荷調(diào)整數(shù)據(jù)等，并做好核實(shí)工作。同時(shí)根據(jù)臺(tái)區(qū)供電情況不斷完善配網(wǎng)運(yùn)行管理的制度，強(qiáng)化供電與用電的監(jiān)督管理，以保持變壓器負(fù)荷的平衡。加強(qiáng)計(jì)量測(cè)量管理工作，嚴(yán)格抄表、核對(duì)以及收費(fèi)各項(xiàng)工作流程，實(shí)施線(xiàn)損目標(biāo)管理以降低電能損耗，定期進(jìn)行三相負(fù)載不平衡與饋線(xiàn)電流平衡狀況進(jìn)行檢查與調(diào)整。

■4.2 合理選擇無(wú)功補(bǔ)償方式

無(wú)功補(bǔ)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(qiáng)配電設(shè)備的輸出能力、負(fù)載功率，降低電能損耗，提升供電質(zhì)量。在發(fā)生三相負(fù)載不平衡時(shí)，可以采取合適的無(wú)功補(bǔ)償方式以達(dá)到減小不平衡率，平衡三相負(fù)載的效果。無(wú)功補(bǔ)償遵循便于調(diào)整電壓與分級(jí)就地平衡的原則，并且注意不同補(bǔ)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(bǔ)償與集中補(bǔ)償結(jié)合并以分散補(bǔ)償方式為主，低壓補(bǔ)償與高壓補(bǔ)償相結(jié)合并以低壓補(bǔ)償為主，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償有效控制運(yùn)行線(xiàn)路的電壓、負(fù)荷功率因素，減低損耗。

■4.3 平衡配電變壓器三相負(fù)載

對(duì)配電變壓器出線(xiàn)與分支部位進(jìn)行定期的測(cè)量，使用鉗形電流表測(cè)量各相與中線(xiàn)電流，一旦發(fā)現(xiàn)電流測(cè)量值超出有關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，則立即進(jìn)行三相電荷的調(diào)整，包括負(fù)荷類(lèi)別、用戶(hù)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(duì)于低壓臺(tái)區(qū)用戶(hù)，若是單相負(fù)荷過(guò)于密集則調(diào)整為三相四線(xiàn)供電模式，保持單相供電與三相四線(xiàn)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(fù)荷一樣，主干線(xiàn)出線(xiàn)端也同樣按照標(biāo)準(zhǔn)保持平衡，測(cè)量低壓側(cè)電流時(shí)要注意將不平衡度控制在10.00%以?xún)?nèi)，分值首端與低壓側(cè)干線(xiàn)電流的不平衡度則需控制在20.00%以?xún)?nèi)。針對(duì)不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷，可將其分散連接到不同供電點(diǎn)，避免集中連接導(dǎo)致不平衡度超標(biāo)而引起三相負(fù)載不平衡。還可以采用交叉換相的方式合理分配不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷到各相，最大限度地保持各相負(fù)荷的平衡，同時(shí)盡量將負(fù)荷接入點(diǎn)短路容量加到最大，通過(guò)提高供電電壓級(jí)別與變更網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)電力系統(tǒng)對(duì)不平衡負(fù)荷的承受能力。

將三相不平衡負(fù)荷調(diào)整到四平衡，即變壓器低壓出口測(cè)平衡、各支路平衡、計(jì)量點(diǎn)平衡與主干線(xiàn)平衡四個(gè)方面，可以結(jié)合用戶(hù)的平均用電量數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，用電量在同個(gè)梯度的歸位一類(lèi)并均勻分配到各相，達(dá)到平衡三相的作用。最直接的方法是裝設(shè)三相斷電保護(hù)器，又叫做三相不平衡保護(hù)器，其作用原理是，在供電過(guò)程中如果無(wú)電流通過(guò)，保護(hù)器會(huì)自動(dòng)將電源切斷，達(dá)到減少三相負(fù)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(wú)功器和盛弘有源濾波器，三相負(fù)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(fù)載不平衡時(shí)，可以采用這種新型技術(shù)進(jìn)行平衡，該項(xiàng)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)平衡三相負(fù)載的作用，還具有無(wú)功補(bǔ)償功能。

首先，采用CT進(jìn)行電流的電測(cè)并將電路信息記錄下來(lái)，然后將記錄的信息傳輸?shù)紻SP數(shù)字控制處理中，經(jīng)過(guò)處理分析后再根據(jù)分析結(jié)果對(duì)三相不平衡負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整與轉(zhuǎn)移分配，主要通過(guò)調(diào)整內(nèi)部?jī)?chǔ)存內(nèi)能、電路功率實(shí)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(chēng)為三相負(fù)載不平衡，平衡狀態(tài)下三相電流均為10A。

靜止無(wú)功器運(yùn)行時(shí)，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(guò)相應(yīng)的處理分析后判斷各項(xiàng)電流的平衡狀況，同時(shí)還會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果計(jì)算出具體的應(yīng)調(diào)節(jié)電流值。當(dāng)計(jì)算出平衡三相的電流之后，控制器會(huì)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(xiàng)使其達(dá)到平衡。

這一系列的操作實(shí)際上是瞬時(shí)完成的，在極短的時(shí)間內(nèi)快速分析計(jì)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(shí)候采取補(bǔ)償?shù)姆绞綄㈦娏髦党銎骄档娜我庖幌喾殖鰜?lái)一部分電流儲(chǔ)存到SVG母線(xiàn)電容中，然后在對(duì)電流值少的一相作補(bǔ)償調(diào)整。

5.結(jié)語(yǔ)

總之，配電變壓器三相負(fù)載的平衡關(guān)系到配網(wǎng)線(xiàn)路及設(shè)備運(yùn)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(fù)載不平衡的現(xiàn)象，不僅影響線(xiàn)路運(yùn)行的正常，給用戶(hù)帶來(lái)不便，還會(huì)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(duì)此，相關(guān)工作人員應(yīng)加強(qiáng)日常的檢測(cè)、維護(hù)等管理工作，提升責(zé)任意識(shí)，積極采取措施改善三相負(fù)載不平衡的現(xiàn)象。

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