配電變壓器三相負載不平衡對配網運行的影響探究

作者/王雪、牛海濤，國網山東省電力公司菏澤市定陶區供電公司

配電變壓器三相負載不平衡對配網運行的影響探究

作者/王雪、牛海濤，國網山東省電力公司菏澤市定陶區供電公司

配電網的穩定是保障用戶用電的基礎，但是隨著電力行業的發展、用電戶數的增加，配電變壓器三相負載不平衡的現象也隨之增加，尤其是在用電高峰期三相負載不平衡問題突出，導致配網輸電損耗增加、電壓下降等問題，嚴重時還會引發電力安全事故，造成巨大的損失。本文首先簡要介紹配電變壓器三相負載不平衡的類型，然后從原因、危害等方面探究配電變壓器三相負載不平衡對配網運行產生的影響，最后提出改善的措施。

配電變壓器；三相負載不平衡；配網運行

引言

隨著社會的發展，電力資源已成為人們衣食住行、工業發展必不可少的重要能源，電力系統規模迅速擴大，用戶對電力資源的需求日愈增大、質量要求也越來越高[1]。為了適應社會發展需求，配電網也在不斷地改造提高供電的能力與質量，但是用電負荷也有明顯的增加，在用電高峰期容易出現三相負載不平衡現象，極大地影響了配網輸電損耗與電能質量，因此充分了解配電變壓器三相負載不平衡對配網運行的影響并研究改善措施具有必要性，以下主要對配電變壓器三相負載不平衡給配網運行帶來的影響進行探究分析，總結分析導致三相負載失衡的原因及其危害性，并討論改善的措施。

1.配電變壓器三相負載不平衡簡介

配電變壓器三相負載共包含三根相線，當這三根相線處于平衡狀態時，三者的電流值則是接近的，這樣就形成了一個互相平衡的[2]。而三者不平衡的時候各相電流值會產生明顯的差異，其中電流值高的相線則很容易出現發熱的現象，嚴重時會引起火災。三相負載不平衡會導致中性線的電流過大，同時中性點產生位移，流經中性線的電流過多，多余的則會流至零線，此時三相負載不平衡就會導致零線電流增加，如圖1所示。

圖1 三相負載不平衡電流向量示意圖

配電變壓器三相負載不平衡主要有三種情況，一是三相負載失衡且負載量不對稱（過小或過大），導致比例不平衡現象，且初始幾天內負載相差比例相對值較小，負載平衡功力也相對較小，用電一方出現單相用電，只是三相負載分配比例有所不同。二是在白天時段，供電系統三相負載動力處于基本平衡的一個狀態，到晚間用電高峰時段才發生不平衡，這種情況主要是居民生活用電習慣導致的，日間以生產用電為主，三相電壓保持相對平衡，而晚間用電時段較為集中，用電量在短時間內大幅度增加，因此容易導致單向用電分配不均，進而出現三相負載不平衡的問題。三是季節性用電量變化而產生的三相負載不平衡現象，例如夏季、冬季的空調用電、工廠生產旺季與淡季用電量差異等而導致不同季節中單相用電與三相用電額比例變化較大，三相負載中單相負荷的分批不均勻，因此而導致的三相負載不平衡現象。

2.配電變壓器三相負載不平衡原因

造成配電變壓器三相負荷不平衡的原因主要有以下幾點：（1）線路故障影響，例如低壓線四線斷線、變壓器缺相運行等故障均會導致三相負載失衡；（2）單相用電設備自身因素、臨時用電和季節性用電電量變化較大等；（3）配網格局不合理，包括改造投入不足、配網通道受限、樹線矛盾等；（4）抄表人員失誤，在拆分臺區時用戶分割不均勻，電力供應不足而導致三相負載失衡；（5）工作人員的責任意識不足，數據測量工作不夠嚴謹而出現較大的偏差，負荷搭載分配不合理，搭接過于隨意而導致三相負載不平衡。

3.配電變壓器三相負載不平衡對配電網運行的危害

■3.1 導致電動機設備效率降低

三相負載不平衡時會出現零序、負序與正序三個不同的電壓分量，當電動機設備受到這類不平衡電壓時，正負序兩種電壓生成相反的旋轉磁場，可相互制動彼此。但是因為正序磁場強度比較強，因此電動機仍然按照正序磁場的旋轉方向轉動，這時電動機的運行就會受負序磁場的干擾而輸出功率減少，電動機的效率也會隨之下降。同時電動機隨著運行時間增加其無功損耗與溫升也會因不平衡的影響而不斷增加，極易發生故障而導致安全事故。

■3.2 增加線路電能的損耗

■3.3 導致配電變壓器出力減少

配電變壓器繞組結構是依據負載平衡狀態下的運行情況而設計的，因此繞組性能與各相容量基本一致[4]。而各相額定容量會對配電變壓器最大允許出力形成限制，當三相負載失衡時就會導致變壓器出力減少，失衡狀態越嚴重其受影響程度也越大。三相負載不平衡狀態下，三相負載中最大一相的輸出會低于額定容量，各相輸出容量的總和為變壓器輸出容量，假設某配電變壓器額定容量是100kVA，二次側三相電流分別為72A、72A、144A，三相負載失衡時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 配電變壓器出現零序電流

在三相負載不平衡狀態下，配變變壓器運行過程中就會產生零序電流，不平衡狀態越嚴重，零序電流量越大。在配電變壓器運行中，若是產生零序電流則會導致鐵心中發生零序磁通，并且會經過鋼構件與油箱壁，零序電流流經鋼構件時會因為鋼構件導磁率較低而造成渦流損耗與磁滯，鋼構件就會出現局部發熱、溫度升高的現象。鋼構件的溫度升高會促進變壓器繞組絕緣部件的老化，進而縮短變壓器正常使用壽命，而且零序電流還會增加變壓器損耗。

■3.5 增加配變變壓器電能損耗

在配網中，三相負載不平衡時，三相繞組的總損耗為，各相電流分別為則而三相負載平衡狀態下銅損耗為以某配電網為例，當三相負載不平衡時，三相電零序電阻根據上述式子作差可得出三相不平衡狀態銅損耗為0.033kW，按照公式計算鐵損為0.8kW，則鐵損與銅損總和為0.833kW，說明三相負載不平衡會導致配電變壓器嚴重損耗。

■3.6 影響配網用戶日常用電

選取的神經網絡模型以包含因果關系的適當信息接受訓練。因此，第一步要取得受損的與完好的結構地震反應資料，這可通過結構反應的實測、模型試驗或數值模擬實現。

三相負載不平衡時其中一相或兩相會出現不平衡，進而導致線路電壓升高，降低電能質量，因此會對配網用戶日常用電帶來影響。三相負載不平衡還可能損壞變壓器，燒斷線路，導致電網局部或者大面積停電，不僅會給用戶用電帶來不便，還會帶來不同程度的經濟損失。比如變壓器損壞導致停電，該配電變壓器供電區域內的電廠、企業將無法正常運行，會帶來極大的損失。

4.改善配電變壓器三相負載不平衡的措施

■4.1 加強配電網日常管理

配電網管理部門需要加強日常檢測維護管理，安裝性能優良的配網檢測設備，定期進行測量并加強三相失衡的監測，以在第一時間發現問題。合理選擇中性線截面，截面應與相線截面保持一致，避免中性線截面過小而導致三相失衡，同時中性線上不可安裝刀閘、熔斷器等設施。組織專門人員定期進行檢查，需注意實際情況同圖紙是否相一致以及有無遺漏情況等，若是發現情況不符或者遺漏現象應立即依照實際負荷變化情況作相應的更新調整。每個月定期測試負荷情況，防止發生三相負載失衡情況，可根據實際情況適當地調整測試的頻率，增加測試次數，當發現新增負荷或者負荷變化異常時需立即測量查明原因，并作相應處理。

除了定期檢查測試之外，還需要加強監督控制，實時掌握臺區的負荷情況，工作人員應及時地補充更新臺區的基本資料，包括轉接資料、用戶更新資料、新裝用戶圖紙資料和負荷調整數據等，并做好核實工作。同時根據臺區供電情況不斷完善配網運行管理的制度，強化供電與用電的監督管理，以保持變壓器負荷的平衡。加強計量測量管理工作，嚴格抄表、核對以及收費各項工作流程，實施線損目標管理以降低電能損耗，定期進行三相負載不平衡與饋線電流平衡狀況進行檢查與調整。

■4.2 合理選擇無功補償方式

無功補償的主要作用是為了保持配電網的穩定，降低電能損耗，提升供電質量，加強配電設備的輸出能力、負載功率，降低電能損耗，提升供電質量。在發生三相負載不平衡時，可以采取合適的無功補償方式以達到減小不平衡率，平衡三相負載的效果。無功補償遵循便于調整電壓與分級就地平衡的原則，并且注意不同補償形式的相結合。例如降損與調壓結合并以降損為主，分散補償與集中補償結合并以分散補償方式為主，低壓補償與高壓補償相結合并以低壓補償為主，通過無功補償有效控制運行線路的電壓、負荷功率因素，減低損耗。

■4.3 平衡配電變壓器三相負載

對配電變壓器出線與分支部位進行定期的測量，使用鉗形電流表測量各相與中線電流，一旦發現電流測量值超出有關規定標準值，則立即進行三相電荷的調整，包括負荷類別、用戶數量以及漏電情況，并做好總結分析，調整后再平均安裝到各相，確保三相平衡。

對于低壓臺區用戶，若是單相負荷過于密集則調整為三相四線供電模式，保持單相供電與三相四線供電方式的分配比例在合理范圍，保障正常供電。同低壓末端負荷一樣，主干線出線端也同樣按照標準保持平衡，測量低壓側電流時要注意將不平衡度控制在10.00%以內，分值首端與低壓側干線電流的不平衡度則需控制在20.00%以內。針對不對稱負荷，可將其分散連接到不同供電點，避免集中連接導致不平衡度超標而引起三相負載不平衡。還可以采用交叉換相的方式合理分配不對稱負荷到各相，最大限度地保持各相負荷的平衡，同時盡量將負荷接入點短路容量加到最大，通過提高供電電壓級別與變更網絡增強電力系統對不平衡負荷的承受能力。

將三相不平衡負荷調整到四平衡，即變壓器低壓出口測平衡、各支路平衡、計量點平衡與主干線平衡四個方面，可以結合用戶的平均用電量數據進行相應的調整，用電量在同個梯度的歸位一類并均勻分配到各相，達到平衡三相的作用。最直接的方法是裝設三相斷電保護器，又叫做三相不平衡保護器，其作用原理是，在供電過程中如果無電流通過，保護器會自動將電源切斷，達到減少三相負荷失衡發生率的作用。

■4.4 SVG/APF技術

SVG與APF是新型的三相平衡技術，分別是精致無功器和盛弘有源濾波器，三相負載不平衡主要是由于電力系統功率因素下降而引起的，當出現三相負載不平衡時，可以采用這種新型技術進行平衡，該項技術不僅可以實現平衡三相負載的作用，還具有無功補償功能。

首先，采用CT進行電流的電測并將電路信息記錄下來，然后將記錄的信息傳輸到DSP數字控制處理中，經過處理分析后再根據分析結果對三相不平衡負荷進行相應的調整與轉移分配，主要通過調整內部儲存內能、電路功率實現三相的均衡分配。例如A、B、C三相電流分別15A、10A和5A，這種情形就稱為三相負載不平衡，平衡狀態下三相電流均為10A。

靜止無功器運行時，首先經CT收集相關的電流信息并傳輸至內部控制處理器，經過相應的處理分析后判斷各項電流的平衡狀況，同時還會根據數據分析結果計算出具體的應調節電流值。當計算出平衡三相的電流之后，控制器會以IGBT為調整工具，將其他相多余的電流值轉移到電流值少的一相，最后再經SVG調節各項使其達到平衡。

這一系列的操作實際上是瞬時完成的，在極短的時間內快速分析計算并完成電流值的調整轉移，在三相電流值分配不平衡的時候采取補償的方式將電流值超出平均值的任意一相分出來一部分電流儲存到SVG母線電容中，然后在對電流值少的一相作補償調整。

5.結語

總之，配電變壓器三相負載的平衡關系到配網線路及設備運行的安全，但是由于多種原因配電網經常出現三相負載不平衡的現象，不僅影響線路運行的正常，給用戶帶來不便，還會降低供電的質量、增加損耗甚至會造成安全事故而造成不同程度的損失，具有較大的危害性。對此，相關工作人員應加強日常的檢測、維護等管理工作，提升責任意識，積極采取措施改善三相負載不平衡的現象。

＊ [1] 丁小瑞.三相負載不平衡的危害分析[J].大科技，2016（09）：102—103.

＊ [2] 孫蒙.淺析電力系統三相不平衡的危害與解決措施[J].資源節約與環保，2015（06）：16—18.

＊ [3] 羅其鋒，王玲，于樹海.配網三相不平衡運行的無功補償方法研究[J].中國新技術新產品，2014（11）：24—26.

＊ [4] 譚家祺.配變三相負載不平衡運行的危害及對策[J].電子世界，2016（19）：131.