配網三相負荷不平衡治理方案研究與應用

李從林，王鵬，李昱辰

（國網陜西省電力公司商洛供電公司，陜西商洛 726000）

近年來，隨著國民經濟飛速發展，電力負荷越來越大，大量單臺容量在500～2000 W大功率單相家用電器進入0.4 kV配網，同時由于我國低壓配電網大多數是通過10 kV/0.4 kV二繞組變壓器以三相四線制向用戶供電[1]，即三相生產用電與單相負載混合供電的用電模式；且受用戶接入過程中選相管理執行不嚴格，用戶不可控增容等因素影響，引起大量配變三相負荷分配不均，導致三相不平衡現象普遍存在，對配變臺區產生了一系列的影響，主要包括：配變出力降低，電能轉換效率下降；增加了配變變壓器和線路的損耗；配變臺區重載相產生低電壓；配變零序電流增大，引起配變運行溫度異常升高，危及安全運行[2]。因此降低配變臺區三相不平衡度，提高配網經濟運行水平和供電電能質量迫在眉睫，亟待解決。本文分析了現有三相不平衡治理現狀，提出了一種基于三相換相裝置的三相不平衡自動調整系統。

1 配網三相負荷不平衡解決方案

1.1 人工換相治理方案

人工換相主要是采用相平衡控制法，其調整策略是選取某配變的若干單相用戶，通過人工測量、或用電信息采集系統采集的配變運行數據，通過試錯法對低壓線路上A、B、C三相負荷換相操作，使三相負荷達到均衡[3]。這種方法雖然成本較低，但工作量大、且需要停電工作，同時又由于負荷的隨機性和不確定性，依靠人工調整很難取得較好的效果。

1.2 相間串接電容的調整方案

在兩相間跨接電感或者電容可以在兩相間轉移有功。此種調整方案主要是在相線之間和相線與零線之間串接合適的電感、電容，然后按照一定的控制策略在相線之間和相線與零線之間投切電容、電感來轉移相間的有功，平衡三相負荷，降低零線電流。

如圖1所示，電容C跨接在A相和B相之間，電容C兩端為線電壓Uab（Uba），從A相看，電容C的電流Ica超前于Uab90°，同時進行矢量分解，分解為垂直于Ua的電容電流Iac和與Ua反向的有功電流Iar，即Iar為Ia的負序分量，相當于A相有功電流減少為Ia-Iar。同理，在B相將產生一個Ibr的正序分量，即B相有功電流增大至Ib+Ibr。這樣看來，相當于將A相的電流轉移至B相Ibr（Iar）大小的電流，改善了三相不平衡度。

此種方案的不平衡調節能力主要取決于低壓配電網的功率因數，當功率因數小于0.75的時候，調整效果較好，大于0.75的時候，由于在調整三相電流時，會發生無功穿越，導致調整效果不理想，而且目前低壓系統感性無功較少，功率因數較高，故不平衡調節能力一般。

圖1 相間跨接電容調節負荷平衡原理圖

1.3 SVG的三相不平衡自動調整方案

靜態無功發生器（SVG）基于大功率換流器，以電壓型逆變器為核心，直流側采用直流電容為儲能元件以提供電壓支撐，在運行時相當于一個電壓、相位和幅值均可調的三相交流電源，能夠動態補償系統無功，同時具備調整三相電流的作用[4-5]。調整三相電流不平衡原理圖，如圖2所示。

圖2 調整三相電流不平衡原理圖

SVG開啟后，通過外接的電流互感器實時檢測系統電流，并將系統電流信息發送給內部控制器進行分析處理，以判斷系統是否處于不平衡狀態，同時計算出達到平衡狀態時各相所需轉換的電流值，然后將信號發送給IGBT并驅動其動作，將不平衡電流經交—直變換儲存于電容中，再經直—交變換將儲存的電流轉移到電流小的相別，實現三相平衡。

SVG一般安裝在配變低壓側，可以精細補償某相電流，使配變的三相總線電流平衡，但無法解決負荷側的三相不平衡，同時由于內部有大量的電力電子器件，設備自身損耗大[6]。

基于以上配網三相負荷不平衡研究現狀，結合0.4 kV配電網分支線多的特點，本文提出了三相自動換相裝置系統，解決配網臺區三相負荷不平衡問題。

2 三相自動換相裝置的配網三相負荷不平衡治理方案

2.1 基本原理

三相自動換相裝置是基于相平衡控制算法，通過自動切換用戶的相序，來改善三相電流不平衡度[7]。三相自動換相裝置系統的核心是臺區控制終端，實施主體是三相換相裝置。臺區控制終端負責收集配變低壓側三相電流數據，進行分析計算，按照最優三相不平衡控制策略（最少的開關動作次數獲取最優的三相不平衡度），命令三相換相裝置進行相序切換操作，調整三相負荷，改善三相不平衡度，三相換相裝置按照“過零投切”，順序換相的原則進行支線相序的變換。

2.2 三相換相裝置原理

圖3為三相換相裝置原理圖，分支線L1，L2，L3分別通過繼電器 K1，K2，K3與 A、B、C 三相連接，在進行換相切換時，以ABC、BCA、CBA的順序，按照“出線電流過零切除，進線電壓過零投入”的原則，依次投切相應的繼電器，最終實現相序的順序轉換。為確保在投切過程中的安全性，繼電器在投切時，先在臨近零點時投入一臺，然后在等電位投入另一臺。例如要實現ABC向BCA相序轉換，則L1斷開K1，接通K2，L2斷開K2，接通 K3，L3斷開 K3，接通 K1，即可實現相序轉換。

圖3 三相換相裝置原理圖

2.3 換相計算

按照配變臺區的接線布置情況，臺區總線上每一相的電流可由式(1)計算得出：

三相換相裝置安裝在配電臺區各分支線與主線“T”接點處，每一個分支線相序3種排列方式（ABC，BCA，CBA），若配變臺區有N個分支線，則共計有 3n種組合順序，同時計算A相、B相、C相電流平均值和三相不平衡計算公式，按照最接近或小于15%三相不平衡的原則，以開關動作數量最少實現最小的三相不平衡度進行控制。

2.4 理論計算

假設臺區有8條分支線，選擇5條分支線安裝5臺三相智能綜合箱，則每一相的換相組合如表1所示。

表1 換相組合

由表1可知，5路分支的排列組合方式共有3×3×3×3×3=243 種組合方式。

以三條分支線為例，A1=95 A，B1=60 A，C1=30 A；A2=75 A，B2=40 A，C2=30 A；A3=100 A，B3=75 A，C3=40 A。

表2 裝置投入前各相支線電流

表3 裝置投入后各相支線電流

2.5 相序轉換策略

為消除因三相換相引起電機反轉、中斷供電等問題，保證換相裝置安全可靠運行，在三相投切過程中找到最近的“零點”進行“過零投切”和雙繼電器配置，同時將投切時間控制在20 ms以內，具體投切動作和時間，如圖4。

圖4 最優組合順序

由圖4可以看出，斷電開始到上電結束時間為16.5 ms，且在電壓過零時進行投切。

2.6 換相裝置安裝原則

基于本三相不平衡治理方案的原理，安裝的換相裝置越多，則調整的效果越好，最優可以使三相負荷不平衡率達到5%，但當三相負荷不平衡度小于15%時，三相電流不平衡引起的配變出力降低、損耗變大、臺區低電壓等問題可以大幅度改善，考慮到投資效益和調整治理效果，實際安裝中不必每一個分支都安裝三相換相裝置，換相裝置的安裝最少數量可以由式(2)計算得知，且每一個臺區三相換相裝置的安裝數量不得少于分支線數量的

其中：IP為三相平均電流；Imax為三相最大電流；I支max、I支min為同一支路最大、 最小電流；n為最少安裝個數。

3 三相自動換相裝置在配網三相負荷不平衡治理中的應用

3.1 確定安裝位置及數量

110 kV山陽變電站137廣場新村綜合變臺區配變容量315 kVA，供電半徑500 m，臺區導線型號LGJ-120，共有分支線7條，供電用戶300余戶，負荷性質以居民用電負荷為主。測量各分支線電流，如表4所示。

從表4可以看出，A、B、C三相平均電流208 A，則需將A相電流轉移115.3 A至B、C相，同時由于分支1～分支6線三相電流差值最大為42.5 A，經式（2）計算得出，n=3，故最少需安裝3臺三相換相裝置才能滿足要求，本次計劃安裝4臺。

表4 各分支線電流

2017年商洛供電公司在該配變臺區安裝了一套三相不平衡調整系統，共安裝三相換相裝置4套，安裝見圖5所示。

圖5 三相換相裝置安裝示意圖

3.2 對比安裝前后效果

依據PMS2.0系統配網管控系統，查詢137廣場新村綜合變安裝前后24 h電流曲線進行對比，如圖6所示。

圖6 安裝前的配變三相電流

圖6為安裝前的配變監測的三相電流曲線，觀察曲線可知，最大負荷時（20:00），A相電流最大282.16 A，B相電流208.48 A，C相電流最大205.92 A。

式(3)為三相電流不平衡計算公式：

其中，IP為三相平均電流。

由式(3)可得出未安裝三相換相裝置時，廣場新村綜合變臺區三相電流不平衡度為21.52%。

圖7為安裝后的配電三相電流曲線，觀察曲線可知，最大負荷時（20:00），A相電流最大217.92 A，B相電流最大212.48 A，C相電流最大248.16 A。由式(3)計算得知，安裝后的不平衡度為9.71%，較未安裝時的三相電流不平衡度降低了11.81%。

圖7 安裝后的配電三相電流

4 結論

本文分析了現有三相不平衡治理裝置的工作機理，同時結合0.4 kV配電網分支線多的特點，運用了排列組合的基本算法，提出來基于三相換相裝置的三相不平衡自動調整系統，并開展實際應用，取得了較好效果。但此方案在分支線較多的0.4 kV線路中使用時投資較大，且換相裝置的可靠性對供電可靠性會產生一定影響，需要進一步研究。

參考文獻：

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