三相負荷不平衡對配變出口電壓影響的仿真分析

唐澤洋，王 濤，蔡德福，曹 侃，忻俊慧，周鯤鵬

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

三相負荷不平衡對配變出口電壓影響的仿真分析

唐澤洋，王 濤，蔡德福，曹 侃，忻俊慧，周鯤鵬

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

為研究三相負荷不平衡對配變出口電壓的影響，通過建立ATP-EMTP仿真模型，研究了不同負荷參數下配變出口電壓。仿真結果表明：配變出口三相電壓同時受負荷有功和無功功率的影響，三相負荷不平衡時，會導致配變出口三相電壓不平衡，但配變出口三相電壓并不一定表現為負荷重的一相電壓低、負荷輕的一相電壓高，仿真和實測結果吻合。三相負荷不平衡時，理論上配變高壓側三相電壓存在6種大小關系。

三相負荷；不平衡；配變出口電壓；無功功率；ATP-EMTP仿真模型

0 引言

配變三相負荷不平衡時，一方面由于低壓側為三相四線制，中性線上會有不平衡電流流過，變壓器處于不對稱運行狀態，變壓器損耗增大，線路損耗也會增大[1-2]。已有一些研究者提出了三相負荷不平衡的若干治理措施，包括人工離線調整負荷[3]、安裝補償裝置[4]、基于快速選相的三相負荷平衡調節[5]、在線自動換相[6]、三相負荷不平衡實時在線治理[7-8]、安裝換相開關[9]等方法。另一面三相負荷不平衡會導致三相電壓不平衡，也有一些研究者開展了相關研究，尹繼明[10]從結構性、功能性和故障性因素方面研究了配變三相電壓不平衡，錢少鋒等[11]通過對稱分量法分析了不平衡負載對繞組接線形式為yyn0的變壓器的影響，周揚等[12]研究了三相負荷不平衡對低壓側電壓的影響，但其分析的是負荷側中性點的偏移，并未研究配變高壓側中性點的偏移，研究結論并未反映三相負荷不平衡對配變出口電壓的影響，且只考慮了三相有功功率，并未考慮無功功率對三相電壓的影響。因此，很多研究者認為三相負荷不平衡時，負荷重的一相電壓一定低，負荷輕的一相電壓高，但根據PMS配網運維管控模塊的數據顯示，某臺區三相有功功率中A相最大為28.5 kW，但A相出口電壓不是最低。為解釋這種現象，本文建立了ATP-EMTP仿真模型，研究了不同負荷參數下的配變出口電壓，并對三相負荷不平衡狀態下，配變出口三相電壓可能存在的大小關系進行了總結。

1 仿真模型介紹

如圖1所示，建立ATP-EMTP仿真模型研究三相不平衡負荷對配變出口電壓的影響，模型中包含電源、變壓器、負荷、低壓線路及中性線，忽略了電源至變壓器的線路，負荷采用集中負荷形式。

圖1 仿真模型Fig.1 Simulation model

1）電源參數

將10 kV線路外部電路等效為1個電源，電源的單相交流幅值為

2）變壓器參數

仿真模型中配電變壓器采用S11型變壓器，其中繞組的接線形式為yyn0接法，原邊和副邊的變比為10/0.4，10 kV配電線路額定電壓UN為10 kV，頻率 f為50 Hz，當變壓器容量 SN為100 kV·A，變壓器的短路阻抗百分數Us為4%時，可以計算出折算到高壓側的電抗為

折算到高壓側的繞組電感值為

變壓器勵磁電阻Rm取1 000 Ω，零序勵磁電阻R0取2 Ω，配變檔位設置為9.5 kV檔。

3）負荷參數

仿真模型中通過1個電阻RLoad和1個電感LLoad并聯來模擬負荷，負荷電壓ULoad為220 V，以負荷的有功功率P=10 kW、負荷的無功功率Q=4.8 kVar為例，計算公式如下

4）線路參數

低壓線路和中性線導線型號為LGJ-150，長度為0.5 km，單位長度的電阻為0.21 Ω/km，單位長度的電抗為0.39 Ω/km。

2 仿真結果分析

2.1 負荷影響

為研究負荷對配變出口電壓的影響，如表1所示采用了5組負荷參數進行仿真。其中參數組1的三相有功和無功功率均相同；參數組2的三相有功功率相同，無功功率不同；參數組3～4的三相有功和無功功率均不同；參數組5的無功功率相同，有功功率不同。

表1 仿真模型中的負荷參數Table 1 Load parameters in simulation model

當變壓器繞組接線形式為yyn0時，不同負荷參數下的仿真結果如表2所示。從仿真結果可以看出，參數組1中三相負荷的有功和無功功率均相同，配變出口電壓對稱，三相電壓均為218.2 V，此時配變高壓側中性點不偏移；參數組2中三相負荷有功功率相同，無功功率不同，配變出口電壓不對稱，其中B相電壓最低為218.7 V，C相電壓最高為241.7 V，配變高壓側中性點電壓為283.9 V，滯后電源A相電壓45.7°，對比參數1、2和5的仿真結果可知，配變出口電壓不僅受負荷有功功率影響，也受負荷無功功率影響。

對比參數組3和4，可看出兩組參數的有功功率相同，B相有功功率最大為28.5 kW，A相有功功率最小為10.4 kW；兩組參數無功功率不同。對比兩組參數的仿真結果，參數組3配變出口電壓B相電壓最低為213.4 V，A相電壓最高為258.6 V，配變高壓側中性點電壓為537.1 V，滯后電源A相電壓163.4°；參數組4配變出口電壓A相電壓最高為244.9 V，C相電壓最低為210.8 V，配變高壓側中性點電壓為189.6 V，滯后A相電壓191.5°。兩組參數的視在功率均是B相最大，A相最小，從以上分析可知，三相負荷不平衡時，對配變出口電壓而言，不一定是功率最大的一相電壓最低，功率最小的一相電壓最高。

表2 不同負荷參數下的仿真結果Tab.2 Simulation results under different load parameters

從參數組4的仿真結果可以看出配變出口電壓C相電壓最低為210.8 V，A相電壓最高為244.9 V，配變高壓側中性點電壓為189.6 V，滯后A相電壓191.5°。如表3所示，對比參數組4仿真結果和和某臺區實測結果，仿真結果與實測結果吻合，可以很好地解釋有功功率最大但電壓不是最低的現象。

表3 仿真結果和實測數據的對比Tab.3 Comparison of simulation results and measured data

2.2 配變高壓側中性點偏移位置分析

根據參數組3～4仿真結果中的中性點電壓滯后A相電壓的角度，繪制配變高壓側中性點偏移后的位置，如圖2所示。

圖2 配變高壓側中性點偏移示意圖Fig.2 Schematic diagram of neutral point deviation of transformer’s high voltage side

根據上述分析，當三相負荷不平衡時，可以將配變高壓側中性點偏移的位置劃分為D1～D6這6個區間，每個區間內配變高壓側三相電壓的大小關系均不一樣，6個區間配變高壓側三相電壓大小關系如表4所示。

表4 不同區間配變出口三相電壓大小關系Tab.4 The relationship of transformer’s outlet three phase voltage in different intervals

2.3 繞組接線形式

當變壓器繞組接線形式為Dyn11接法時，不同負荷參數下的仿真結果如表5所示。可以看出當配變三相負荷不平衡時，配變出口三相電壓仍然不平衡，對比變壓器繞組接線形式為yyn0接法的仿真結果。對于參數組3，Dyn11接法時配變出口三相電壓差值最大為8.2 V，而yyn0接法時配變出口三相電壓差值最大為45.2 V，這表明當三相負荷不平衡時，Dyn11接法的變壓器更加有利于配變出口三相電壓的平衡。

表5 變壓器繞組接線形式為Dyn11和yyn0仿真結果對比Tab.5 Comparison of simulation results when transformer winding is Dyn11 and yyn0

3 結論

通過建立ATP-EMTP仿真模型，研究了負荷對配變出口電壓的影響，可以得到如下結論：

1）仿真結果表明，當配變繞組接線形式為yyn0時，三相負荷不平衡會造成配變出口三相電壓的不平衡，三相電壓的大小情況與三相負荷的有功和無功功率均有關，并不一定表現為負荷重的一相電壓低、負荷輕的一相電壓高。

2）對比仿真和實測結果，兩者結果吻合，可以很好的解釋實測中發現的某相有功功率最大，但電壓不是最低的現象。

3）三相負荷不平衡時，理論上配變高壓側中性點偏移位置有6種可能性，對應了6種配變高壓側三相電壓的大小關系。

4）配變繞組采用Dyn11接法時，有利于配變出口三相電壓的平衡。

（References）

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Simulation Analysis of the Impact of Unbalanced Three-phase Load on Distribution Transformer’s Outlet Voltage

TANG Zeyang,WANG Tao,CAI Defu,CAO Kan,XIN Junhui,ZHOU Kunpeng
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

In order to study the influence of unbalanced three-phase load on distribution transformer’s outlet voltage,the ATP-EMTP simulation model is built,and outlet voltage of distribution transformer under different load parameters is researched.The simulation results show that both active and reactive power have influence on distribution transformer’s outlet voltage simultaneously.The unbalanced three-phase load will cause outlet three-phase voltage unbalance of distribution transformer.The simulation results agree well with the measured results.It’s actually not the case that the heavier the load,the lower the phase voltage whlile the lighter the load,the higher the phase voltage.When the three-phase load is unbalanced,there are 6 kinds of relationship between the distribution transformer’s outlet three phase voltage.

three-phase load;unbalanced;distribution transformer’s outlet voltage;reactive power;ATP-EMTP simulation model

TM72

]B

1006-3986(2017)03-0014-05

10.19308/j.hep.2017.03.004

2017-02-01

唐澤洋（1987），男，湖北江陵人，博士，工程師。

國網湖北省電力公司科技項目（52153216001H）