低壓配電網三相不平衡問題及對策

高永鍵

（廣東電網汕頭南澳供電局有限責任公司，廣東 汕頭 515900）

0 引 言

運行人員在對三相不平衡問題進行分析研究時，可以從其產生原因入手，順藤摸瓜找到問題的影響對象，然后歸納總結問題產生的具體危害，使有源不平衡補償裝置與典型硬件拓撲等有用武之地。因此，本文重點針對低壓配電網中存在的三相不平衡問題及對策進行分析。

1 低壓配電網三相不平衡概述

電力系統的低壓配電網中，三相電壓量大小相等，并按照順序排序。三相彼此之間構成2π/3角，這種情況被稱為三相平衡；反之，則被稱為三相不平衡系統。三相不平衡的產生原因可以分為正常性和事故性兩類。正常性不平衡主要是系統三相元件或者負載批次之間不對稱造成的。將三相電壓允許不平衡度作為衡量電能質量的指標，在一定程度上是根據正常性不平衡來確定的。

一般情況下，三相電壓不平衡是三相負荷之間彼此不平衡造成的。當不平衡的三相電壓加在三相電動機上時，會導致電動機產生負序電流、阻尼力矩，從而導致電動機轉子中的熱損失增加，造成電動機溫度升高，噪聲變大。尤其是當一相開路時，電動機會處于兩相運行的狀態。如果此時的負載不變，則會導致電動機被燒壞。

2 三相不平衡問題對低壓配電網的危害分析

2.1 對變壓器的危害

三相不平衡問題對變壓器的危害主要表現在以下兩方面。

第一，對出力方面的影響。變壓器主要應用對象為三相，其輸出容量等同于三相輸出容量值相加之后的和[1]，遠遠大于每一相輸出容量。變壓器應用時，三相電路需要處于平衡狀態，才會使變壓器的繞組結構處于正常運行狀態，相關的電氣特征參數才正常，且其在每相中的數值是一致的。當三相不平衡問題出現后，三相中的輸出容量必定不同，最大輸出容量數值也會降低，導致電氣特性參數出現差異。有了差異，必定有大小之分，這會對三相負載造成影響，進而影響變壓器的最大出力。該出力數值以負載最大相為參照。實驗證明，三相不平衡狀態下的變壓器利用率和過載能力都會下降。

第二，對損耗的影響。在三相不平衡狀態下，變壓器的運行效率會下降，運行時間內的損耗也會增加。這種狀態下的變壓器電壓會出現高低之分。高壓和低壓產生的電流也不相同，主要分為無零序電流和零序電流。零序電流在流通中會發生勵磁反應，會將變壓器作為電路構成范圍，將金屬構件、油箱壁等作為回路構成對象。因為變壓器內部構件設計不考慮勵磁問題和導磁設計，所以相關的金屬構件不具備這樣的導磁功能。當三相出現不平衡問題時，金屬構件產生的磁滯和渦流等會造成大量損耗，而損耗會使金屬構件溫度直接飆升，損耗量會持續增大。此外，當變壓器內部出現零序電流時，隨之產生的是零序電阻。因為此電阻數值很大，所以造成的損耗會隨之增加。

2.2 對線路損耗的危害

三相負荷不平衡不僅會對變壓器損耗造成影響，還會嚴重影響線路損耗。三相平衡和不平衡狀態下的電流形式不同，功率損耗也不同。配電網三相負荷不平衡時，電流主要為零序電流形式，數值為3I。線路損耗遠遠大于三相正常狀態下的數值，而且是三相平衡狀態下的6倍[2]。三相線路中，只有三相處于平衡狀態時，線路損耗才能降至最低。運行人員在分析線路損害時，一定要采取定量分析方式。這種方法涉及的計算內容可以成為分析三相不平衡問題時的參考依據。定量分析中，除了分析電路功率損耗，還要考慮三相電流條件不同時，電流不平衡導致的附加線損。這些條件主要包括：相角相等，有效值不等；相角不相等，有效值相等；相角不相等，有效值也不相同。附加損耗將低，線路損耗也會降低。通過計算三種條件下的附加損耗發現，這三種情況都會產生損耗。但是，在第三種條件中，相角和有效值皆不相同的狀態下，產生的附加損耗要遠遠大于其余兩種條件下產生的附加損耗。所以，在線路損耗降低解決對策中，運行人員要將附加損耗降至最低，最好降低到零，因為這意味著三相處于完全平衡狀態。

3 低壓配電網中三相不平衡問題的解決對策

運行人員可以從技術層面和管理方面解決三相不平衡問題。技術層面主要采取技術措施解決電流不平衡問題，使電流重新歸于平衡狀態。利用相間無功補償裝置將有功功率轉移可以實現此目的。運行人員也可以調整負荷，使其在經過換相裝置后恢復平衡。這些方法在應用中各有優劣勢，針對缺陷，運行人員要采用新技術來平衡三相負荷。有源型三相負荷不平衡補償裝置和數字信號處理技術則是新型技術設備的代表。運行人員可以通過研究，提高設備的補償精度，使無功功率和諧波等得到有效補償。管理方面主要將變壓器和線路作為管理對象。在日常管理中，要時刻關注這兩方面相關參數的變化。如果數值不再保持原狀，運行人員要調整線路產生的負荷，使其分配比例滿足要求。具體的三相不平衡問題解決措施如下。

3.1 應用有源不平衡補償裝置

有源不平衡補償裝置可以對電力電子功率進行調整。首先，運行人員要在外部配電網的相關電路中安裝電流互感器。其次，利用該設備對電流數值進行采集，之后DSP控制器會接收其采集的數據。最后，對數據進行分析[3]。這些數據和電流有關，且數據中的電流類型不止一種，包括不平衡電流、諧波電流以及無功電流等。將這些電流數值和正常數值進行比較，找到需要補償的對象，裝置會自動選擇補償電流。運行人員還要將電流數值與尋找的需要補償的電流成分數值進行比較，取其差值作為補償信號。此信號最終輸入驅動電路，驅動電路會與相關的功率管直接聯系，從而使電網獲得補償電流。如此電網中的電流數值會趨于正常，處于平衡狀態的電流會證明三相處于平衡狀態。

3.2 電流檢測算法

電流檢測算法有多種，如基于FFT的諧波檢測算法、基于瞬時無功功率的諧波檢測算法、電流檢測算法和主要控制算法等?；贔FT的諧波檢測算法雖然可以對補償信號進行計算，但會產生實時性差?；谒矔r無功功率的諧波檢測算法通過計算機波電流值獲得補償信號，可以改善前一種方法的缺陷。綜合性較強的電流檢測算法也是基于瞬時無功功率，不僅可以檢測三相不平衡狀態下的電流，還可以測試無功以及諧波狀態下的電流。在此背景下，運行人員需要計算基波電流值。原電流中包含補償電流，運行人員還要依靠這兩者的分離工作獲得補償信號。這種綜合性檢測方法精度較高，因此運行人員應發展綜合治理裝置，且要提高裝置的多元化功能。主要控制算法可以分別有效控制直流側電壓和補償電流，并顯著提高補償裝置的補償效果[4]。

4 結 論

在三相不平衡問題解決中，運行人員應隨時注意配電網中電流或電壓等參數值的變化。運行人員要做好參數動態實時測量工作，然后判斷測量值是否已恢復正常。利用補償裝置前后，運行人員要將三相電流變化反映在電流趨勢變化圖中，從而對三相現狀做出正確判斷。此外，運行人員要監控線路損耗量，要將解決措施貫徹落實到低壓配電網中，使三相恢復到平衡狀態。