智能配電臺區(qū)三相負荷不平衡治理方案

張征凱，章元德，史　亮，陸　巍，徐學均，徐艷軍

（1.國網安徽省電力公司電力科學研究院，合肥　230061；2.北京泰豪電力技術有限公司，北京　100176）

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智能配電臺區(qū)三相負荷不平衡治理方案

張征凱1，章元德1，史亮1，陸巍1，徐學均2，徐艷軍2

（1.國網安徽省電力公司電力科學研究院，合肥230061；2.北京泰豪電力技術有限公司，北京100176）

摘要：分析智能臺區(qū)三相負荷不平衡產生原因及造成的影響，提出了三相負荷不平衡治理方案，通過對智能臺區(qū)治理前后效果分析，驗證治理措施的可行性。

關鍵詞：智能臺區(qū)；三相負荷不平衡；治理措施；節(jié)能降損

1　三相負荷不平衡產生的原因及影響

本文根據安徽省無為縣供電公司提供的變壓器容量為315 kVA的網線廠配電臺區(qū)的統(tǒng)計數據得出。

該臺區(qū)在暑期農忙季節(jié)（7—8月份）、農民工春節(jié)返鄉(xiāng)期間（1—2月）的19：00～21：00時間段，三相負荷不平衡度達40%～70%，最高值甚至達100%以上。按照《配電網運行規(guī)程》的規(guī)定：變壓器的三相負荷應力求平衡，其不平衡度不應大于20%，否則需要調整負荷。造成三相負荷不平衡嚴重的原因，是由于低壓配電網中負荷分配不均、用電負荷不同時性、用電負荷增長不平衡性以及負荷接入時的隨意性等，導致該臺區(qū)三相負荷不平衡問題嚴重且普遍存在，通過人工手段難以治理。

當前三相負荷不平衡造成的主要影響有：

（1）三相負荷不平衡造成配電變壓器損耗增加。當配電變壓器鐵心柱中的磁通密度增加到1. 65T時，油箱壁中的損耗將達到鐵心中損耗的50%以上［1］。

設，變壓器的額定功率為S，高壓額定電壓U1，低壓額定電壓U2，負載損耗ΔPk。三相負荷均衡時配電變壓器低壓側的負荷電流為Iph，三相負荷電流為Ia、Ib、Ic。

配電變壓器低壓側的額定電流Ie計算公式為

三相負荷不平衡度δ%的計算公式

δ%=(I-Iav)max/Iav×100%（2）

式中：Iav=(Ia+Ib+Ic)/3。

三相負荷不平衡比平衡時變壓器的有功損耗增加量為

（2）三相負荷不平衡影響設備的運行出力。當配電臺區(qū)變壓器處在三相負荷不平衡的狀態(tài)下運行時，會造成配電變壓器其輸出的容量無法達到額定容量值，而且其備用容量亦相應減少，導致配電變壓器的過載能力降低［2］。

（3）三相負荷不平衡易造成低電壓或過電壓。配電臺區(qū)設計初始是按照三相負荷平衡設計的，但在實際運行過程中，特別是農村地區(qū)或城鄉(xiāng)結合部地區(qū)經常會發(fā)生三相負荷不平衡的情況，造成配電變壓器重負荷側電壓降低，而負荷輕側電壓升高。三相負荷不平衡造成的低電壓會導致單相家用電器不能正常使用，而過電壓會損壞用戶設備［3］。

（4）三相負荷不平衡會造成線損增加。三相負荷不平衡時，造成變壓器進出線的各相電流的不平衡，各相電流的不平衡造成中性線有電流通過，不僅增加相線損耗，而且也形成中性線損耗，導致整條線路的損耗增加。

2　三相負荷不平衡治理概述

2.1治理原理

為解決配電臺區(qū)三相負荷不平衡問題，本文在研究當前配電臺區(qū)三相負荷產生的原因及造成的不良結果的基礎上，設計一套用于治理配電臺區(qū)三相負荷不平衡的方案。

三相負荷不平衡治理的核心是臺區(qū)控制器，實施主體是智能換相開關（以下簡稱“換相開關”）。臺區(qū)控制器是三相負荷不平衡治理的核心執(zhí)行裝置，負責收集配電變壓器低壓側的三相電流數據，進行分析計算，形成最優(yōu)“不平衡調節(jié)策略”，并將遙控命令下發(fā)到換相開關，進行負荷調節(jié)。

臺區(qū)控制器與換相開關之間采取適宜于近距離傳輸的無線組網通信技術ZigBee技術，因其具有距離近、成本低、功耗低、復雜度低、自組網以及安全性高、可靠性高等特點，被廣泛適用于近距離高安全的產品或場合中。

換相開關的配置原則如下：

（1）換相開關配置數量原則。換相開關涵蓋的戶表數（含單相用電的商鋪）須占配電臺區(qū)總戶表數的1/3左右（為負荷較重的1/3用戶）。

本文選擇的網線廠臺區(qū)的總戶表數Tn為210戶，選擇的換相開關額定電流Ie1為250 A，戶表額定電流Ie2為40 A。換相開關涵蓋的戶表數Sn=Tn/3= 70；一臺換相開關可攜帶的戶表數Sn1=Ie1/Ie2=250 A/ 40 A≈6，則換相開關安裝數量S=Sn/Sn1=70/6≈11。

（2）換相開關安裝位置原則?，F場測量實際負荷，換相開關須安裝在負荷大的三相四線制的電纜分支箱或戶表箱位置。

三相負荷不平衡治理示意圖如圖1所示。

圖1　三相負荷不平衡治理示意圖

換相開關安裝示意圖如圖2所示。

圖2　換相開關安裝示意圖（戶表箱）

2.2三相負荷不平衡治理策略分析

三相負荷不平衡調節(jié)的“策略”設置在臺區(qū)控制器中。其中，定值的設置項包括換相開關個數及地址設定、不平衡度調節(jié)值、不平衡度調節(jié)最低值、不平衡調節(jié)時間和不平衡調節(jié)延時時間。

三相負荷不平衡治理原則要求是：當變壓器三相負荷不平衡度達到25%及以上，且連續(xù)監(jiān)測時間達到15 min時，開始治理，且治理間隔要求在30 min及以上。

三相負荷不平衡治理執(zhí)行過程如下：首先，通過三相不平衡治理裝置采集出線漏保開關負荷數據、用戶用電負荷數據以及換相開關的電流、相位等數據；然后，經過三相不平衡治理裝置的控制分析模塊，對采集到的負荷數據進行分析計算，計算得出各出線的不平衡度數值；最后，當發(fā)現不平衡度數值大于設定的限值，且不平衡度維持時間超過設定的調整時間時，給出最優(yōu)的調整方案，自動完成各出線三相負荷再分配，使各出線三相負荷處于基本平衡的狀態(tài)，以此達到低壓線路的三相負荷平衡狀態(tài)。

三相負荷不平衡治理策略流程圖如圖3所示。

定值設置：

β——變壓器負載率；β1，β2——變壓器負載率閥值；βpj——一段時間內β的平均值；εI——低壓總出線不平衡度；εI1、εI2、εI3、εI4、εI5——出線1、2、3、4、5不平衡度；εImax——不平衡上限值；εImin——不平衡下限值；T——判別延遲時，其中T4和T5可寫死；qxgj——缺相告警；jdgj——接地告警；εIpj——一段時間內εI的平均值。

圖3　三相負荷不平衡治理策略流程圖

3　治理效果分析

本文選擇以安徽省無為縣供電公司的變壓器容量為315 kVA的網線廠配電臺區(qū)為例對治理效果進行說明。該臺區(qū)采用LGJ-90架空導線，長度為500 m，中性線電阻R0為相線電阻R的2倍，且治理前后的負荷情況保持一致。從節(jié)能降損方面對三相負荷不平衡治理效果進行分析和闡述。

3.1節(jié)能降損效益案例分析

治理前三相負荷電流：Ia1=66.6，Ib1=80.7， Ic1=122.8，I01=50.64；治理前不平衡度為36.39%。治理后三相負荷電流：Ia2=71.3，Ib2=75.2，Ic2= 82.9，I02= 10.22；治理后不平衡度為8.41%。治理后與治理前的不平衡度相比，下降了27.98個百分點。

變壓器容量S =315 kVA，U1=10 000 V，U2= 400 V，ΔPk=3.65。

節(jié)能降損效果分析如下：

（1）線損分析

導線電阻的計算公式為

R=ρL/S（4）

式中：R為導線電阻值；ρ為電阻率；L為長度；S為截面積。

線損值計算公式為

式中：ΔP為線損值；Ia、Ib、Ic分別為A、B、C三相電流值；R為相線電阻值；I0為中性線電流；R0為中性線電阻。

（2）變損分析

變壓器有功損耗計算公式為

ΔP=P0+KTβ2PK（6）

變壓器無功損耗計算公式為

ΔQ=Q0+KTβ2QK（7）

變壓器綜合損耗計算公式為

ΔPZ=ΔP+KQΔQ（8）

SN≈I0%SN，QK≈UK%SN（9）

式中：Q0為空載無功損耗，kvar；P0為空載損耗，kW；PK為額定負載損耗，kW；SN為變壓器額定容量，kVA；I0%為變壓器空載電流百分比；UK%為短路電壓百分比；β為平均負載系數；KT為負載波動損耗系數；QK為額定負載漏磁功率，kvar；KQ為無功經濟當量，kW/kvar。

式（9）計算時各參數的選擇條件：取KT=1.05；對城市電網和工業(yè)企業(yè)電網的6～10 kV降壓變壓器取系統(tǒng)最小負荷時，其無功當量KQ=0.1 kW/kvar；變壓器平均負載系數：對于農用變壓器可取β=20%；對于工業(yè)企業(yè)，實行三班制，可取β=75%；變壓器運行小時數T =8 760 h，最大負載損耗小時數：t = 5 500 h。

本文中提到的變壓器型號為S11-M-315/10，變壓器的額定容量SN為315 kVA，變壓器空載損耗P0為0. 48 kW，額定負載損耗PK為3.65 kW，I0%為1.1，UK%為4，KQ取值為0.1 kW/kvar，β取值為20%。變壓器有功損耗ΔP =0.633 3 kW，變壓器無功損耗ΔQ =3.994 2 kW，變壓器綜合損耗ΔPZ=ΔP+ KQΔQ= 1.033 kW。

（3）節(jié)能計算

全年節(jié)約電能為W=(ΔPZ+ΔPt)×T=15 922.5kWh，節(jié)約電量折合人民幣ΔM =8 598. 15元。

3.2管理效益分析

通過三相負荷不平衡度治理，一方面使員工提高了由三相負荷不平衡治理對電能質量影響的意識，另一方面也促進供電公司修改和完善了相關的管理制度、規(guī)定及流程，進一步提高規(guī)范化管理水平。

3.3社會效益分析

通過實施三相負荷不平衡治理，無為縣供電公司配電臺區(qū)的電能質量有了較為明顯的改善，同時解決了原先由三相負荷不平衡嚴重造成的低電壓而使家用電器無法正常使用的問題，進而提高了居民對生產、生活用電的滿意度。

4　結論

本文首先分析了三相負荷不平衡產生的背景以及三相負荷不平衡產生的主要影響，進而從技術角度提出了治理三相負荷不平衡的方案以及治理策略，通過分析智能臺區(qū)三相負荷不平衡治理前后的效果，得出本文設計的方案在節(jié)能降耗和提升電壓方面都有較好的效果。

參考文獻：

［1］覃蕓，張思寒.電網經濟運行分析及措施［J］.黑龍江電力，2009（5）：334-337.

［2］黃紹平.負荷不平衡對配電變壓器的危害和相應的配電設計方法［J］.變壓器，1996（5）：30-32.

［3］楊云龍，王鳳清.配電變壓器三相不平衡運行帶來的附加損耗、電壓偏差及補償方法［J］.電網技術，2004（8）：73-76.

［4］郭峰，姚莉娜，劉恒，等.引入三相不平衡度的低壓電網理論線損計算［J］.電力自動化設備，2007（11）：51-54.

The governance scheme of three-phase unba1anced 1oad management for inte11igent distribution transformer

ZHANG Zheng-kai1，ZHANG Yuan-de1，SHI Liang1，LU Wei1，XU Xue-jun2，XU Yan-jun2
（1. State Grid Anhui E1ectric Power Company，Hefei 230061，China；2. Beijing Te11how E1ectric Company，Beijing 100176，China）

Abstract：This paper ana1yzes the cause and inf1ection of the three-phase unba1anced，then it proposes the governance program of three-phase unba1anced，by the treatment effect of inte11igent ana1ysis，to va1idate of contro1 measures.

Key Words：inte11igent station area；three-phase unba1ance；contro1 measures；energy-saving and comsumptions reduction

收稿日期：2015-06-12；修回日期：2015-11-05

中圖分類號：TM714.1；TM727.1

文獻標志碼：C