三相不平衡治理方法與措施的分析

楊倩華

【摘要】：在配電網中的電能質量日趨嚴重，其中三相不平衡是影響電網質量的重點，三相負載不平衡將導致增加變壓器損耗、增加線路損耗;將導致配變出力減小，降低了配變利用率、變壓器發熱;嚴重時甚至會燒毀變壓器以及導致過壓、低壓，影響用電設備的正常工作。分析研究治理方法，探索解決不正常三相不平衡成為行業努力的重點。本文通過分析三相不平衡的治理方法，為大家在三相不平衡治理方面推薦實用的治理方法。

【關鍵詞】： 三相不平衡、SVG、轉換開關、SVC、電力電子

引言：隨著國民經濟的發展，電力行業作為先行者，配網的發展尤為迅速，呈現出低壓配電網點多面廣、結構復雜、負荷性質多樣、負荷變化波動大的特點。而在生產、生活用電中，常存在大量單相、不對稱、非線性、沖擊性負荷，使得配電系統的三相不平衡，而給配電變壓器、臺區線路等設備、設施的性能及使用壽命造成嚴重的影響，甚至會導致變壓器燒毀。因此探索配電系統三相不平衡帶來的故障危害，研究三相不平衡的治理方法從而提高配網運行穩定性和減少電能消耗有著實質的價值。

1、三相不平衡的原因

配電網三相不平衡是幾乎所有電力電網配電臺區普遍存在的一種電能質量問題。低壓配電網是近年來國家投資的重點方向之一，低壓配電網的電能質量治理問題是提高配電網可靠性的保障。分析導致配電網三相不平衡的原因有以下幾點：1）用電負荷的不斷變化。城市的快速改造遷建，導致用電負荷的區域變化性大，且臨時用電和季節性用電的不穩定性，在總量上和時間上的不確定和不集中性，使得各相用電的負荷不能平衡變化。2）單相負荷導致的三相不平衡及設備利用率降低問題。尤其是新型出現的大功率單相負載（如：儲能變流器、充電樁）接入配電網之后，產生三相不平衡問題。3）電網側接入不同的濾波電路，增加電網的容性特性。大多數電力電子產品都會有高頻濾波電路的設計。4）三相負荷的不合理分配。我國的大多數電路都是動力和照明混為一體的，所以在使用單相的用電設備時，用電的效率就會降低，這樣的差異進一步加劇了配電變壓器三相負荷的不平衡狀況。5）分布式能源介入。比如分布式光伏、光伏逆變器會有一些諧波畸變。6）沖擊性的負荷增多。電功率電機設備的啟停，造成不平衡程度加劇;7）對于配變負荷的監視力度的削弱。在配電網的管理上，經常會忽略三相負荷分配中的管理問題。在配電網的檢測上，對配電變壓器的三相負荷也沒有進行定期的檢測和調整。

2、三相不平衡帶來的危害

在中低配電網中，三相負荷由于是隨機變化的，因此，一般是不平衡的。三相不平衡會導致供電點三相電壓、電流的不平衡，進而增加線路損耗，同時會對配電網供用電設備設施運行產生不利的影響。具體危害表現如下：

2.1增加配電變壓器的電能損耗

配電變壓器是低壓電網的供電主設備，當其在三相負載不平衡工況下運行時，將會造成配變損耗的增加。因為配變的功率損耗是隨負載的不平衡度而變化的。

2.2增加線路的電能損耗

在三相四線制供電網絡中，電流通過線路導線時，因存在阻抗必將產生電能損耗，其損耗與通過電流的平方成正比。當低壓電網以三相四線制供電時，由于有單相負載存在，造成三相負載不平衡在所難免。當三相負載不平衡運行時，中性線即有電流通過。這樣不但相線有損耗，而且中性線也產生損耗，從而增加了電網線路的損耗

2.3配變出力減少

配變設計時，其繞組結構是按負載平衡運行工況設計的，其繞組性能基本一致，各相額定容量相等。配變的最大允許出力要受到每相額定容量的限制。假如當配變處于三相負載不平衡工況下運行，負載輕的一相就有富余容量，從而使配變的出力減少。其出力減少程度與三相負載的不平衡度有關。三相負載不平衡越大，配變出力減少越多。為此，配變在三相負載不平衡時運行，其輸出的容量就無法達到額定值，其備用容量亦相應減少，過載能力也降低。

2.4影響用電設備的安全運行

配變是根據三相負載平衡運行工況設計的，其每相繞組的電阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。當配變在三相負載平衡時運行，其三相電流基本相等，配變內部每相壓降也基本相同，則配變輸出的三相電壓也是平衡的。假如配變在三相負載不平衡時運行，其各相輸出電流就不相等，其配變內部三相壓降就不相等，這必將導致配變輸出電壓三相不平衡。同時，配變在三相負載不平衡時運行，三相輸出電流不一樣，而中性線就會有電流通過。因而使中性線產生阻抗壓降，從而導致中性點漂移，致使各相相電壓發生變化。

2.5電動機效率降低

配變在三相負載不平衡工況下運行，將引起輸出電壓三相不平衡。由于不平衡電壓存在著正序、負序、零序三個電壓分量，當這種不平衡的電壓輸入電動機后，負序電壓產生旋轉磁場與正序電壓產生的旋轉磁場相反，起到制動作用。但由于正序磁場比負序磁場要強得多，電動機仍按正序磁場方向轉動。而由于負序磁場的制動作用，必將引起電動機輸出功率減少，從而導致電動機效率降低。

3、三相不平衡治理方法與措施

3.1三相不平衡治理方法

根據不平衡電流補償原理，在任何一個可以確定的時刻，主要出現了三相不接地的不平衡負載，那么每一個相負載都可以同一個電阻和電容形成并聯的形式。因此，以將不同性質符合的等效進行分析，確定相間和相對地的無功補償量。實際應用中主要有以下治理方法：

1）動態電壓恢復器DVR。DVR是一種采用電力電子技術實現的電壓補償裝置，能夠對諧波、閃變、不對稱等多種電壓電能質量問題進行治理。線電壓補償型DVR的工作原理如下：利用測量電路測量系統側的電壓，經過調理電路將其整形，數字信號處理器（DSP）讀入數據并根據補償策略產生補償指令，通過驅動電路控制逆變器的IGBT開關動作，產生脈寬調制（PWM）波，最后由LC濾波器濾除高次諧波，從而在串聯變壓器上產生補償電壓。DVR能在輸電線路和敏感負荷之間播入一個任意幅值、相位和形狀的電壓波形，可以根據網側電壓的需要，改變其發出的波形，使敏感負荷的供電電壓恢復到理想水平，保障用戶端的供電質量。

2）無功補償器SVC。SVC是一種靜止的并聯無功發生或者吸收裝置，通過控制與電抗器或電容器串聯的晶閘管導通角來調節系統無功功率輸出， SVC可以被看成是一個動態的無功源。根據接入電網的需求，它可以向電網提供容性無功，也可以吸收電網多余的感性無功，把電容器組通常是以濾波器組接入電網，就可以向電網提供無功，當電網并不需要太多的無功時，這些多余的容性無功，就由一個并聯的電抗器來吸收。電抗器電流是由一個可控硅閥組控制，借助于對可控硅觸發相角的調整，就可以改變流過電抗器的電流有效值，從而保證SVC在電網接入點的無功量正好能將該點電壓穩定在規定范圍內，

3）換相開關型三相負荷自動調節。該裝置是由一個智能換相終端和若干個換相開關單元組成。智能換相終端實時監測配變低壓出線的三相電流，如果在一定監測周期內配變低壓側三相負荷不平衡度超限，智能換相終端讀取配變低壓出線和所有換相開關單元各負荷支路的電流、相序實時數據，進行優化計算，發出最優換相控制指令，各換相開關單元按照規定換相流程執行換相操作，實現用戶負荷相序調整、配電臺區三相負荷均衡分配

4）無功發生器SVG。SVG是指由自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態無功補償的裝置，主要由儲能裝置.逆變器、無源濾波器、電抗器等組成，SVG可等效為一個可控電壓源，通過調節電壓源電壓福直和相位，調節流過連接電抗的電流大小和相位，從而控制從電網吸收或發送無功功率大小。SVG以大功率電壓型逆變器為核心，通過調節逆變器輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制交流側電流的幅值和相位，迅速吸收或發出所需的無功功率，實現快速動態調節無功功率的目的。SVG可以對系統的諧波、不平衡等電能質量問題進行多功能綜合補償，實現有源濾波的功能。SVG開啟后，通過外接電流互感器（CT） 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處理分析，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房而轉換的電流值，然后將信號發送給內部IGBT井驅動其動作，將不平衡電流從電流大的相轉移到電流小的相，最后達到三相平衡狀態。

5）“SVG+換相開關”。 “SVG+換相開關”混合型補償裝置用于治理低壓配電臺區三相不平衡，能快速準確的檢測低壓配電系統的三相不平衡問題，通過換相開關實時不停電粗略調整單相負荷，SVG精細調節模式，使臺區三相負荷處于相對平衡的狀態。可有效降低變壓器、線路損耗，抑制單相過流、末端低電壓等情況發生，解除了三相不平衡帶來的眾多隱患。具體形式可由一臺SVG模塊和多臺換相開關組成。SVG模塊是集采樣、運算、通訊、人機交互、智能組網、平衡邏輯算法于一體的智能控制、補償裝置。而換相開關則是集采樣、運算、通信、相序切換功能于一體的智能投切裝置，換相開關采用過零投切技術，以將投切對動作元件及用電設備的損傷降到最小。過零投切技術基于“電流過零切除，電壓過零投入”的原則，可以達到沖擊極小、電弧極小的效果。在配變變壓器的出口處設置SVG模塊，負責監測三相不平衡信息，并下發調節命令，支路沿用戶前端安裝若干臺換相開關，換相開關可監測自身帶載回路的負荷信息，并根據SVG模塊下發的換相命令進行相應換相操作。若三相不平衡仍然存在，可通過SVG進行微調模式實現三相絕對平衡。

在上述三相電壓不平衡問題的治理中，DVR ， SVC ，換相開關，SVG、SVG+換相開關等方法都可以實現電能質量治理目的。經過比較可以確認“SVG+換相開關”可從根本上解決臺區實際負荷分配的問題，是解決三相不平衡較好的方式。具體既能解決線路不平衡、負載側不平衡、也能解決配電臺區側不平衡損耗低諧波和無功治理。

3.2三相不平衡解決措施

1）注重規劃，合理設計。，尤其避免在低壓配電網中出現頭痛醫頭，腳痛醫腳的局面，在配電網建設和改造當中對低壓臺區進行合理的分區分片供電，配變布點盡量接近負荷中心，配電網絡的設計建設容量分配必須合理。

2）爭取低壓集束導線供電。在對采用低壓三相四線制供電的地區，要積極爭取對有條件的配電臺區采用3芯或者4芯電纜或者用低壓集束導線供電至用戶端，這樣可以在低壓線路施工中最大程度的避免三相負荷出現偏相的出現。

3）多點接地，降低零線電能損耗。在低壓配電網零線采用多點接地，降低零線電能損耗。目前由于三相負荷的分布不平衡，導致了零線出現電流，按照規程要求零線電流不得超過相線電流的25% ，在實際運行當中，由于零線導線截面較細，電阻值較相同長度的相線大，零線電流過大在導線上也會造成一定比例的電能損耗，所以建議在低壓配電網公用主零線采用多點接地，降低零線電能損耗。

4、結論

三相不平衡問題是現在電網治理保證電能質量的重點指標，電力管理部尤其重視。國家技術監督局共頒布了6項最新的電能質量國家標準：《電能質量電壓波動與閃變》、《電能質量供電電壓允許偏差》、《電能質量公用電網諧波》、《電能質量三相電壓允許不平衡度》、《電能質量電力系統頻率允許偏差》、《電能質量暫態過電壓和瞬態過電壓》。家發改委下發了《關于加快配電網建設改造的指導意見》，要求加快配電網建設，重視電能質量的治理。所以要求各級電力工作者從規劃、設計、生產等各個環節都要注重三相不平衡的治理，在治理方法與投資上做平衡，并重視具體的措施，通過努力必能治理好三相不平衡的電網污染。

參考文獻

[1]周恒逸，齊飛，毛柳明，葉會生，段緒金，萬代.基于SVG調節配變三相不平衡電流的應用研究 [J].高壓，2016年5月16日.