三相不平衡的危害及解決方法

鄭 健，楊文超

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

在合理分配三相負荷時，負荷的隨機性往往會造成電網(wǎng)的三相不平衡運行。近年來，由于越來越多大功率的非線性和沖擊性負荷接入電網(wǎng)，導致三相不平衡運行的情況越來越嚴重。這種運行方式對發(fā)電、輸電、配電已經(jīng)用電環(huán)節(jié)均造成極為不利的影響，會影響電機和變壓器等元器件的使用壽命，增加傳輸線路損耗，并對用電設備和人身造成威脅，從而不利于電網(wǎng)運行的安全性、可靠性以及經(jīng)濟性，給國民經(jīng)濟帶來嚴重損失。目前，解決三相不平衡的主要措施包括無功補償、拓撲重構(gòu)以及換相調(diào)節(jié)。對比和分析各種方案的優(yōu)缺點，提出未來解決三相不平衡問題的研究方向。

1 三相不平衡概述

1.1 三相不平衡

三相平衡指的是電網(wǎng)三相電壓和電流的幅值相等且相位各差120°，只要其中的一個條件不滿足，就稱之為三相不平衡。電網(wǎng)的三相不平衡程度通常采用電壓或電流的正序與零序分量的比值來表示[1]。以A相電壓為例進行相序分解，得到的3個分量如下：

式中，α=ej120°。三相不平衡度為：

相關(guān)國際標準規(guī)定，低壓和中壓系統(tǒng)的三相不平衡度應小于2%，而高壓系統(tǒng)的應小于1%。

1.2 三相不平衡的原因

三相元件和負荷不平衡是引起三相不平衡的兩個原因。在供電環(huán)節(jié)，即發(fā)電、輸電以及配電中涉及到的元件有發(fā)電機和變壓器等，這些元件長時間的過負荷運行會發(fā)生過熱等現(xiàn)象，從而導致電機三相繞組電阻不平衡，引起電力系統(tǒng)的不平衡運行。然而大部分情況下，變壓器等電力元件具有良好的電氣對稱性。對于短距離輸電，三相導線通常采用平行方式進行布線，這會導致中間相的導納高于兩邊導線的導納，使得輸電線路處于不對稱狀態(tài)[2]。

導致電網(wǎng)三相不平衡運行的最主要原因是負荷不對稱。一是負荷接入電網(wǎng)時沒有充分考慮三相平衡的要求，二是接入的負荷并不能在同一時刻開始或停止工作。負荷運行的波動性也會使電網(wǎng)運行在三相不平衡的狀態(tài)下，同時大功率負荷運行時產(chǎn)生的諧波和電壓波動也會影響電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。此外，電力故障也會引起電網(wǎng)的三相不平衡。單相短路接地、兩相相間短路以及電力元件的斷線故障都會導致電網(wǎng)三相電壓的嚴重不平衡。

2 三相不平衡的危害

2.1 影響電機使用壽命

三相不平衡運行使得電機三相電壓不對稱，即電流不對稱。該電流經(jīng)過相序分解得到正序、負序以及零序分量，正負序分量會在定子中產(chǎn)生轉(zhuǎn)向相反的兩個磁場，加強對電機的制動作用，導致輸出功率下降。此外，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率較高，快速交替的正反向磁場會導致電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，從而造成發(fā)熱現(xiàn)象，危害電機的絕緣，長期運行將直接影響電機使用壽命。

2.2 增大線路損耗

傳統(tǒng)的供電方式采用三相四線制，其中含有中性線。在三相平衡運行時，中性線上無電流，線路損耗只有三相線上的損耗。而在三相不平衡運行時，中性線中就會流通電流，產(chǎn)生損耗。該損耗與線路上電阻和電流的平方成正比，所以線路損耗大大增加。三相不平衡的程度越大，中性線上的電流也會越大，嚴重時可能燒毀中性線，影響電網(wǎng)的正常運行。

2.3 對變壓器的影響

以Y，yn連接三相變壓器帶單相負載為例，討論其中性點的位移問題。通過正負零序分解，得到如圖1所示的各相序等效電路。

圖1 各相序等效電路

3個相序電壓依次為：

將式（3）、式（4）及式（5）的左右分別相加，得到的三相相電壓依次為：

中性點位移情況如圖2所示。電網(wǎng)電壓為正序?qū)ΨQ分量。由于零序勵磁阻抗Zm0很大，所以其對應的也很大，導致帶負載相端的電壓下降，另兩相電壓上升。三相不平衡的程度越大時，中性點位移就越嚴重，三相電壓也就越不對稱。變壓器長期工作于此種情況下會直接影響其使用壽命。變壓器是按照各相額定功率相等進行設計的，工作在負載不對稱的狀態(tài)時會導致其中某相的功率降低，變壓器出力則會減小，工作效率降低。

圖2 Y，yn連接三相變壓器單相負載的中性點偏移

2.4 對用電設備的影響

三相負荷不平衡也會使用電側(cè)的供電質(zhì)量較差。三相不平衡運行將導致三相電壓不對稱，在電壓較低的某相上，電壓較低可能會使得設備使用不穩(wěn)定甚至無法正常使用，電壓較高則可能燒壞用電設備，嚴重時可能危害人身安全。

3 三相負荷不平衡解決方案

人們一直以來都在研究三相負荷不平衡問題。關(guān)于治理三相不平衡問題，結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，其解決方案可大致歸納為增加無功補償裝置、重構(gòu)配電網(wǎng)拓撲以及換相開關(guān)調(diào)節(jié)3種，具體如下。

3.1 增加無功補償裝置

無功補償裝置主要是通過調(diào)節(jié)各相電流解決電網(wǎng)的三相不平衡問題。目前，主要的無功補償裝置有TCR型和SVG型。其中，TCR型無功補償裝置通過控制導通角的大小來控制電流分量，隨著導通角的增大，電流分量不斷減小。SVG無功補償裝置提供感性或容性無功，在電網(wǎng)中的作用相當于一個無功電流源，其無功電流的大小可以隨著電網(wǎng)無功的大小進行自動調(diào)節(jié)。

補償原理如圖3所示。負載不均衡將導致三相電流不平衡，通過采集負載電壓和電流信息，進而采用分解、變換以及計算的方法可以得到各相需要補償?shù)碾娏鞔笮　o功含量以及各次諧波含量等。DSP根據(jù)得到的相應策略生成控制命令控制IGBT的通斷，從而實現(xiàn)動態(tài)補償電流達到三相平衡運行的目的。

圖3 不平衡補償原理圖

3.2 重構(gòu)配電網(wǎng)拓撲

配電網(wǎng)絡中存在大量的聯(lián)絡開關(guān)和分接開關(guān)。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，工作人員在檢修過程中會根據(jù)實際情況調(diào)整開關(guān)，以保證電網(wǎng)的安全可靠。三相不平衡運行時，通過采集電網(wǎng)節(jié)點電壓和電流等參數(shù)可以決定開關(guān)的通斷，并以最小網(wǎng)損為優(yōu)化目標改變配電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)負荷均衡化并降低線路損耗[3]。

配電網(wǎng)拓撲的重構(gòu)主要通過網(wǎng)損查找、網(wǎng)損計算以及網(wǎng)損控制3個步驟來實現(xiàn)。首先是網(wǎng)損查找，根據(jù)當前配電網(wǎng)模型、相關(guān)參數(shù)及開關(guān)的實時狀態(tài)，拓撲分析每一條線路，采用相關(guān)數(shù)理方法得到配電網(wǎng)網(wǎng)損數(shù)值。其次是計算最小網(wǎng)損，通過計算各線路的損耗，利用潮流計算規(guī)則，考慮線路電壓等對線損的影響，在計算過程中適當加入負荷點曲線計算規(guī)則，從而獲得最小網(wǎng)損值。最后是通過拓撲重構(gòu)進行網(wǎng)損控制[4]。總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲重構(gòu)的結(jié)構(gòu)框圖

3.3 換相調(diào)節(jié)

換相調(diào)節(jié)三相不平衡最初采用人工的方式進行。先檢查電網(wǎng)三相負荷，然后人為地將更多負荷移至負荷較少的相序，使得三相負荷盡可能平衡。該種人工方法效率較低，且不能隨時跟蹤負荷情況進行相序調(diào)整。目前研究較多的是采用智能換相開關(guān)進行三相不平衡調(diào)節(jié)。智能開關(guān)通過采集電網(wǎng)中的電壓、電流以及無功功率等信息因子，根據(jù)裝置內(nèi)設定的智能換相策略得到最終方案，向開關(guān)發(fā)出控制命令實現(xiàn)負荷的三相平衡[5]。

智能換相系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)主要由換相控制器和換相終端組成。換相控制器在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，通過實時監(jiān)測電網(wǎng)中的電壓和電流等物理量，計算其運行的三相不平衡度，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的算法確定最終的換相策略，形成指令，以無線通信的形式傳送至執(zhí)行終端實現(xiàn)換相方案。控制器一般安裝在變壓器的二次側(cè)，而換相終端一般安裝在負荷的進線端。

圖5 開關(guān)系統(tǒng)總體構(gòu)成

3.4 方案對比

以上3種方案都能對三相不平衡進行一定程度地調(diào)節(jié)，有效減小其帶來的危害。通過對比集中吧調(diào)節(jié)方案可知。通過增加無功補償裝置雖然能對三相不平衡電流有所調(diào)節(jié)，但不能實現(xiàn)連續(xù)無功輸出，同時設備成本較高，運行時損耗較大，存在諧振等問題。重構(gòu)配電網(wǎng)拓撲雖然不用增加設備，但開關(guān)數(shù)量有限，對三相不平衡調(diào)節(jié)程度有限。換相調(diào)節(jié)與以上兩種方案比較，同樣需要成套設備，成本較高且實施起來具有一定的難度，但其跟蹤調(diào)節(jié)效率較高，對三相不平衡的改善成果較顯著。

4 結(jié) 論

負荷的隨機性與波動性是三相不平衡運行的主要原因。該種運行狀態(tài)下，電網(wǎng)的安全性與可靠性大大下降。本文介紹了目前解決該問題的3種主要方案并進行對比，從而得到各自的優(yōu)缺點。相比較而言，通過智能換相開關(guān)調(diào)節(jié)三相不平衡效果較好且應用前景廣闊，是未來解決三相不平衡問題的重要研究方向。