臺區三相不平衡運行監測和治理分析

唐 偉，賀星棋，滕予非，靳 旦

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

線損是電力企業輸配電過程中產生的電能損失總和，具體可分為技術線損和管理線損。當前，中低壓配電網損失電量大，損耗占比高，是四川電網線損率偏高的主要原因；也是降損增效、提升電網經濟運行水平的主要對象。在影響低壓臺區電網損耗偏高的技術因素中，臺區電網三相不平衡是主要原因之一[1]。

下面將首先分析臺區三相不平衡運行產生的根源，隨后剖析當前開展三相不平衡監測中的2個常見誤區，并對典型三相不平衡治理措施進行評估，為臺區三相不平衡監測和治理提供思路。

1 臺區三相不平衡產生的根源及影響

目前，低壓用戶電器大多使用單相電，且低壓用戶在配電網中的分布相對分散。出于建設成本和負荷需求的考量，低壓配電網常采用主干線三相四線制、分支線單相下表箱的配電結構。由于單相用戶數量在各相的分布不一致、低壓用戶用電時間分散等原因的影響，低壓配電網在運行中常常表現出三相電流、電壓不平衡。

在三相四線制低壓配電網中，三相不平衡運行常導致中性線電流不為0。因此，中性線電流不為0也是三相不平衡運行的一種表現形式。

臺區處于三相不平衡運行狀況時，負載較重的相別相電壓相對降低，導致線路及變壓器銅損增大；另一方面，不平衡電流中的零序分量流經零線產生損耗，三相線路負荷分布不均產生額外損耗。

圖1 三相四線線段

圖1為三相四線導線段示意圖。假定單條導線電阻為R，忽略電抗和電納，當三相平衡運行時，假定相電流為I，零線電流為0，計算此時的總損耗為

ΔP=3I2R

(1)

當三相不平衡時，此時零線流過電流，分別測算兩相帶負載、單相帶負載情況下的線段總損耗，如表1所示。

表1 不同負載情況下的線段損耗

從表1計算結果可知，三相四線制配電線路在三相電流不平衡時，線段總損耗增加，三相負荷全部由一相承擔時，線段總損耗是三相平衡時的6倍。

文獻[2]采用式(2)衡量三相電流不平衡度。

(2)

式中：IA、IB、IC為三相電流有效值，A；Iave為三相電流有效值的平均值，A。

根據式(2)可知，三相電流平衡時，不平衡度達到最小值0；當單相帶負載、其余兩相空載時，不平衡度達到最大值200%。

2 三相不平衡運行監測的分析

1)只關注供電點首端不平衡情況

當前，智能電能表覆蓋面不斷提升，低壓電網運行狀態數據實現了自動采集和上傳[3]。各地用電信息采集系統中也開發了臺區三相不平衡計算和展示模塊，用于反映臺區三相不平衡運行狀態。但是低壓配電網僅在供電點首端(即配電變壓器二次側出口)和用戶接入點安裝有計量采集裝置。受此因素限制，用電信息采集系統或運行人員大多采用配電變壓器二次側出口的日電量數據來度量臺區三相平衡運行情況。

但是，僅僅關注供電點首端三相平衡情況的度量方式，無法反映低壓配電線路的運行狀態，進而無法利用該不平衡度來描述電網經濟運行情況。因此，利用該不平衡度為依據開展的三相平衡治理和降損決策在根基上即存在缺陷。

下面，以IEEE 37節點低壓網絡為例，進行詳細說明。假定低壓網絡及負荷分布情況如圖2所示。

圖2 三相負荷不均衡分布臺區

圖2中，配電變壓器低壓側計量裝置設在節點701處。假定每個負荷特性相同、大小相等，A、B、C三相分別掛接7個用戶，則在配電變壓器低壓側(節點701處)采集得到的三相電量大小相等，三相不平衡度為0(此處，由于損耗率相對總電量較低，先忽略負荷接入位置遠近對損耗的影響)。由于節點702至節點703之間的線段后端負荷掛接在B相(5個負荷)和C相(7個負荷)，因而線段702—703的三相不平衡度為75%；節點702至節點705之間的線段后端的負荷均為B相，因此線段702—705的三相不平衡度為200%；節點702至節點713之間的線段后端的負荷均為A相，因此線段702—713的三相不平衡度為200%。

因此，配電變壓器低壓出口側三相平衡，但與之臨近的主干線(702—703、702—705、702—713)均處于不平衡運行狀態，采用供電點首端三相平衡情況作為臺區的三相平衡情況并不準確。

2)關注供電點首端不平衡的影響

為分析采用供電點首端三相不平衡情況在反映臺區線損方面的影響，設計如下2個場景。

場景1：配電變壓器出口平衡，但下級主干線三相不平衡，負荷掛接相別如圖2所示。

場景2：配電變壓器出口平衡，下級主干線三相盡量平衡，負荷掛接相別如圖3所示。

圖3 三相負荷均衡分布臺區

假定各負荷特性相同、大小相等，均為單相接入。采用四川電網某臺區實測的代表日用戶24 h的功率、電壓及日電量為計算輸入數據，電網模型中三相四線制導線采用LGJ-185線路，兩相三線和單相二線導線均采用LGJ-120線路，各節點之間的線段長度均為75 m，首端負荷形狀系數為1.04。

計算結果如表2所示。從表2可知，2個模擬場景的總表不平衡度并未發生較大變化，均處于規程SD 292—1988 《架空配電線路及設備運行規程》[4]規定的三相負荷不平衡度不應大于15%的范圍內。但在場景1中，主干線702—713的不平衡度為200%,702—703的不平衡度為67.91%，遠高于場景2對應的27.80%和4.17%。經測算，場景1對應的臺區線損率為7.75%，場景2對應的線損率為3.38%，較場景1低4.37個百分點。

表2 主干線平衡情況變化的影響

通過算例對比發現，僅關注臺區供電點的三相平衡情況，無法準確反映低壓電網的經濟運行狀態，可能存在主干線極其不平衡、低壓出口平衡的情況。這也說明，在保持配電變壓器低壓出口側三相基本平衡情況下，進一步調整下級主干線，降低下級主干線的三相不平衡度，有利于降低臺區線損率。

3)只關注電量平衡，忽略負荷用電特性

電量是一段時間內傳輸功率的累計值，采用電量數據開展三相平衡情況的監測和分析，具有簡潔方便的優點。但是，僅采用電量數據衡量臺區三相平衡狀態，將無法知道每個時刻功率的平衡情況，可能出現一段時間內的電量平衡但每個時刻功率均不平衡的狀態。

例如，圖4(a)所示的三相負荷日電量相等，但各相負荷特性不同，存在不同的峰荷時刻點。當采用三相電量衡量時，三相完全平衡；但從瞬時功率來看，當天絕大部分時刻的臺區不平衡度超過15%，僅在第6個時刻點呈現功率平衡狀態，如圖4(b)所示。

圖4 瞬時功率不平衡及其不平衡度

4)只關注電量，忽略功率平衡的影響

在不改變各用戶接入的相別、日用電量的前提下，設計了如下2個場景模擬測算電量平衡、功率不平衡對臺區線損的影響。

場景3：A、B、C相用戶用電特性保持一致，峰值出現在同一時刻。

場景4：A、B、C相用戶用電特性不一致，峰值出現在不同時刻，如圖4(a)所示。

分別計算兩種場景下的總表電量不平衡度和低壓電網線損率，結果如表3所示。

表3 功率不平衡影響分析

從表3計算結果可知，場景3和場景4的總表電量平衡情況差異不大，分別為2.96%和1.38%，均處于15%范圍內；但場景3的三相不平衡度為3.38%，較場景4低0.55個百分點。

這表明，電量平衡、瞬時功率不平衡，將導致臺區線損率相對于三相功率平衡狀態下的線損率高，單獨采用電量衡量臺區平衡狀態的方式并不能準確反映臺區的經濟運行情況。

因此，三相不平衡治理中不能僅關注總表電量的平衡，還應關注電量對應時段內的功率平衡，盡量做到不同用電性質用戶在三相中均衡分布。

3 關于三相不平衡集中補償裝置的探討

當前，各地開展三相不平衡治理的典型措施是在配電變壓器低壓出口處裝設集中補償裝置，兼具無功補償、負序和零序治理能力[5]，如圖5所示。

圖5 集中補償裝置安裝

隨著電力電子器件成本下降，集中補償裝置多采用電力電子變流技術，通過采集負荷電流，控制補償裝置輸出與不平衡分量相反的負序和零序補償電流，實現不平衡補償和治理[6]。

通過集中補償器安裝位置和補償原理分析可知，該裝置僅能對安裝點及對應電網側的配電變壓器的不平衡進行補償，并未改變其安裝點之后接入負荷的特性和接入位置，對低壓配電網配電線路的不平衡運行補償并無作用。因此，利用集中補償裝置補償三相不平衡，對降低補償點靠近負荷側的低壓電網損耗作用有限。

下面，通過配電變壓器等效阻抗和典型低壓配電線路阻抗對比分析，說明配電變壓器低壓側集中補償在降低臺區線損方面的局限性。

參考GB/T 6451—2015《 油浸式電力變壓器技術參數和要求》[7]，利用三相雙繞組無勵磁調壓變壓器典型參數，計算變壓器等效電阻。同時，根據變壓器容量、低壓配電線路額定載流量等信息，選取變壓器匹配的低壓配電線路型號，按照架空絕緣導線JKLYJ、400 m典型供電半徑計算線路等效電阻，結果如表4所示。

表4 典型配電變壓器和配電線路阻抗計算

從表4計算可知，400 m典型配電線路電阻值遠大于配電變壓器的等效電阻，比值約為8～13倍。這表明，三相不平衡導致電網損耗的增加主要體現在配電線路，配電變壓器因三相不平衡產生的損耗增量遠小于配電線路。

因此，安裝在配電變壓器低壓側出口處的集中補償裝置僅補償了配電變壓器三相不平衡度，對低壓配電線路不平衡度沒有改善作用，在整體電網降損中的作用有限。

為驗證集中補償裝置裝設位置對臺區損耗的影響，針對圖2所示電網，將主干線701—702長度調整為0.1 m，702—703長度調整為200 m，并對主干線702—703采用三相集中補償方式，設計如下2個場景開展對比。

場景5：三相不平衡集中補償裝置裝設在主干線702—703的配電變壓器側(靠近702節點處)。

場景6：三相不平衡集中補償裝置裝設在主干線702—703的負荷側(靠近703節點處)。

分別利用表2計算過程中的數據，計算此時低壓臺區線損率，結果如表5所示。

表5 集中補償裝置裝設點的影響分析

從表5可知，將集中補償裝置裝設在主干線靠近負荷側，可盡可能補償負荷不平衡對臺區線損率的影響。在上述計算中，通過將集中補償裝置從主干線702—703的靠近配電變壓器側移動至靠近負荷側，有效降低了臺區線損率0.19個百分點。

因此，在采取集中補償治理三相不平衡時，應盡量將補償裝置配置在不平衡度較高的主干線靠近用戶側，最大可能降低低壓配電網的不平衡度。

4 建議措施

1)開展三相不平衡監測治理時，不僅要關注配電變壓器低壓側的三相負荷不平衡度，更要關注低壓配電主干線路或三相四線制主要分支線的負荷平衡情況。

2)以往采用的利用三相電量計算的三相平衡情況，在描述低壓電網經濟運行方面存在不足。對此，要充分利用用電信息采集、高速電力載波等技術，監測三相功率的平衡情況，實現更加精細化的三相平衡管理。

3)在開展三相平衡治理時，建議要先通過低壓負荷的特性分析，盡量將不同區域、不同用電特性的負荷在三相均勻分布，從低壓電網的末端開始，優先采用人工換相的方式調整用戶接入相別，實現三相平衡運行。

4)若選用集中補償裝置開展三相平衡治理，應盡量將補償裝置配置在不平衡度較高的主干線末端，即盡可能靠近用戶側，充分發揮補償裝置的治理效果，實現接入點至配電變壓器的主干線以及配電變壓器的集中補償。

5 結 語

分析了當前三相不平衡監測中的2個主要誤區，即是僅關注配電變壓器低壓出口處的三相平衡情況以及僅關注電量的平衡情況，這兩個誤區忽略了低壓配電主干線及主要分支線的平衡情況，未考慮到功率的平衡情況，致使無法通過不平衡度反映低壓臺區電網的經濟運行狀態。同時，還對集中補償裝置治理低壓臺區三相不平衡進行了探討。最后，針對上述分析的問題，提出了針對性的建議措施，為電網企業、配電網運營商開展低壓電網三相平衡監測和治理提供了思路和參考。