配電變壓器三相負荷不平衡的危害及優化對策研究

陸 堯

棗莊礦業集團電力公司，山東 棗莊 277000

0 引言

近年來，配電網系統中的三相負荷不平衡問題逐漸受到社會大眾的廣泛關注。配電變壓器如果負載三相負荷不平衡，會對配電網系統的正常運行造成影響。在三相負荷不平衡期間，配電變壓器的損耗量明顯增加，繞組熱點的溫度也會持續提升，這在一定程度上會影響配電變壓器的負載能力，縮短配電變壓器的使用壽命。通過計算配電變壓器的損耗，能夠分析變壓器的使用年限，還可以有效評估其負載能力。因此，探討三相負荷不平衡情況下的配電變壓器的損耗具有重要意義[1]。文章主要探討了配電變壓器三相負荷不平衡的危害及其優化對策，希望為配電網系統的管理提供參考。

1 配電變壓器三相負荷不平衡概述

1.1 配電變壓器三相負荷不平衡的含義

配電變壓器三相負荷是指用三根相線驅動配電變壓器的工作，三相負荷的工作狀況包括三相負荷平衡和三相負荷不平衡。當三條相線的電壓值相同時，三相負荷平衡，此時的電能消耗較少；當三條相線的電壓不同時，會產生三相負荷不平衡的現象，此時輸送電能會造成線損率升高，從而引發火災等問題。

用戶負荷、使用時間、電力系統規劃和負荷分配都會對配電變壓器的三相負荷平衡產生重要影響。在電力系統中，許多用戶使用單相負荷或者混合使用單、三相負荷，由于各個家庭使用的電器不同，負荷大小及用電時間不同，配電器三相負荷不平衡的現象時常發生[2]。

1.2 配電變壓器三相負荷不平衡的成因

造成三相負荷不平衡的主要原因是低壓臺區電網結構不合理、臨時用電及季節性用電缺乏固定性、大功率電器的迅速普及、日常維護及用電管理不當和系統狀況異常等[3]。

（1）低壓臺區電網結構不合理。部分農村或者城郊低壓電網系統結構不夠穩固，再加上使用時間過長，改造投入力度較小，存在單向低壓線路，使配電變壓器的三相負荷出現問題。

（2）臨時用電和季節性用電缺乏固定性。在臨時用電和季節性用電中一般會使用許多單相用電設備，并且分布缺乏集中性，故無法實現對用電時間的合理管控，導致三相負荷不平衡。

（3）大功率電器的迅速普及。近年來，我國農村居民的經濟條件逐漸變好，對于大功率電器的購買及使用欲望也逐步增加，這在一定程度上造成了臺區大容量單相負荷的迅速增長。農村居民家用電器的使用比率上升，再加上每個家庭的電器化程度存在一定的差異性，使三相電源中的各相負荷失去了平衡，引發配電變壓器三相負荷不平衡的問題[4]。

（4）日常維護及用電管理不當。針對三相負荷不平衡沒有統一且具體的管理模式和考核制度，同時操作維修人員也沒有特別關注變壓器的三相負荷不平衡情況，再加上對電源方案的審核僅停留在配電變壓器容量的審核上，使得管理工作不夠精細，也無法把新增用戶科學合理地分攤到低壓三相線路中。

（5）系統狀況異常。以一相和兩相斷線故障為例，在故障斷電后，負荷也會隨之切斷，從而打破原本的平衡狀態，對配電變壓器及低壓網產生影響[5]。

2 配電變壓器三相負荷不平衡的危害

2.1 增加配電變壓器的損耗

2.1.1 損耗增加導致的危害

配電變壓器的設計和生產是依據三相負荷平衡時的實際情況而定的，各相的輸入電流、損耗反應力、產生勵磁電流的電阻方向大致相同。若配電變壓器三相負荷平衡，且各相電流的流向一致，配電變壓器的壓降方向也一致，那么輸出的額定電流流向也一致。若配電變壓器三相負荷不平衡，其一次側無零序電壓，二次側無零序電流，而且二次側的零序電流全部變成勵磁電流，產生的零序電磁通重疊在主電通上，產生零序電動勢，從而使低中性點的直接接地輸出電流發生偏移，高負荷時相電壓減小，低負荷時相電壓增大。當電流偏移較大時，單相變壓器的輸出電流甚至可以超過直接接通時的電流。

如果線路的接地保護措施不佳，由中性線的電流所導致的高壓電流將會嚴重威脅人員生命安全。同時，由于不同的變壓器保護裝置的繞組溫度及壓力降不同，在產生不規則的高電流時會導致單相裝置工作異常，且過電壓會破壞各項電氣設備。配電變壓器在三相負荷不平衡情況下工作時，變壓器負載中的設備容易發生故障，如缺項、接點過熱或個別密封膠墊損壞等。同時，增加的損耗會導致變壓器的散熱機能降低，而金屬配件的運行溫度會相應提高，嚴重時會損壞變壓器絕緣，進而燒毀整個變壓器。

2.1.2 損耗計算

配電變壓器的功耗分為鐵損耗和銅損耗。在三相負荷不平衡時，在配電變壓器的低壓側非常容易產生零序輸出電壓。以Y,yn0型的地面配電交流變壓器為例，這種型號配電變壓器一般由三個鐵芯構成，在其一次側無零序電流，而在其二次側有零序電流，而且二次側的零序電壓就是勵磁電壓。配電變壓器的零序電流不能完全密封在鐵芯上，需要密封氣缸壁，將能量轉移到磁性盒或附件，從而導致鐵損耗。當中心柱磁流密度為1.4 t時，圓筒壁損耗僅為鐵芯損耗的10%；當中柱磁流的能量密度增加到1.65 t時，圓筒壁損耗超過芯耗的50%。因此，當配電變壓器三相負荷不平衡時，三相繞組的總損耗可用下式計算：

式中：Pf1為三相繞組的總損耗，kW；Ia、Ib、Ic為三相負荷電流，A；R1為變壓器二次側繞組電阻，Ω。

例如，型號為SJ 315 kVA、容量為10 kV/0.4 kV的變壓器，其零序電阻R0=0.122 Ω，零序電抗X0=0.174 Ω，繞組電流Ia=100 A、Ib=200 A、Ic=300 A。

通過計算可得，零序輸出電流I0=173 A，零序輸出電流損耗功率P0=I02R=3.65 kW。再加上銅損ΔPf=0.17 kW，總損耗功率ΔP=P0+ΔPf=3.85 kW。一整年的損耗電量為W=3.85×8 760 kW·h=33 726 kW·h。中性點偏移電壓為

綜上，此種配電變壓器在三相負荷不平衡運行時形成的電能損失、電流偏移都較大，不應被忽略。

2.2 降低配電變壓器的出力

在配電變壓器中，各相的輸入線圈的結構、性能都相同，根據其容許最大輸出電流，三相電源負載中各相一般能達到最大容量。然而，配電變壓器在三相負荷不平衡的情況下運行時，它的出力會受到一定的影響。配電變壓器輸出容量的減小幅度與三相負荷不平衡的程度直接相關。三相負荷不平衡的程度越大，配電變壓器的容量減小幅度也越大。當配電變壓器處于三相負荷不平衡狀態時，其輸出容量將達不到最大額定值，備用容量和過載容量也將降低。如果接線電壓相同，而且單相供電設備的最大額定容量和三相變壓器的最大額定容量相等，則三相變壓器的實際容量約為該變壓器最大額定容量的58%。例如，針對100 kVA的變壓器，如果其兩側的額定電流都是144 A，而且三相負荷的最大電流為-144 A和72 A，那么變壓器的額定容量的最大利用率為60%～70%。

2.3 增加線路的損耗

配電變壓器在傳送電能時，經過線路的電壓發生變化，形成了功率損失。線路的功率損失與經過線路的電流和電壓的比值的平方成正比關系。若配電變壓器在三相四線制系統線路中使用最高輸送電流輸送電能，此時的有功功率損耗可用下式計算：

式中：I0為中性線的電流；Ra、Rb、Rc為各相引線的電阻；R0為中性線的阻值。在三相負荷平衡時，Ia=Ib=Ic=I0。當I0=配電變壓器的電流時，傳過線路的電壓將產生電量損耗。研究顯示，當三相負荷不平衡時，配電變壓器的線路損耗明顯高于正常運行時的線路損耗。

2.4 降低發電機的效率

若配電變壓器處于三相負荷不平衡的狀態，會產生不規則的輸出電流場，產生正序、負序和零序三個電流分量。當連接發電機時，負序電流將形成與等效正序電流方向相背的旋轉磁場，因而形成對應的制動效果。在發電機工作時，如果三相負荷平衡，等效正序電流磁場比負序電流磁場大很多，電機仍然在與等效正序電流磁場一致的方位上工作；當三相負荷不平衡時，負序磁場的制動效能會在一定程度上減弱發電機的輸出功率，此種效應會隨著負荷不對稱性的增加而增加。因此，配電變壓器的三相負荷不平衡對于發電機的正常運行有危害，會導致發電機的效率降低。

3 配電變壓器三相負荷不平衡的優化對策

3.1 加強變壓器的規劃管理

針對變壓器規劃管理中存在的問題，需要制訂嚴格的管理制度，必要時可以建立負荷管理等級評價制度。在變壓器的規劃管理中，工作人員需要提升自身的工作責任感，確保各項制度的落實，不能存在僥幸心理。電力部門也需要對現場技術人員實施崗位培訓，使其全面掌握相關技術規范，同時提高現場作業人員的專業技能。電力部門需要幫助相關工作人員樹立責任觀念，確保其在配電變壓器的檢測過程中，能夠合理地分析其中存在的問題并及時處理，合理調整負荷結構[6]。除此之外，工作人員還需要分析當前的用電情況，并根據技術要求合理設置變壓器；要充分結合實際需要，建立較完善的計算機控制系統，按照變壓器工作的使用需求，監測變壓器的具體運行情況。

3.2 加強用戶管理

電網的運行與變壓器存在密切關系，而變壓器的負荷與用戶存在一定的聯系。因此，在實際生活中，供電部門需要根據季節用電需求及用戶的情況，實施用電量的基礎分配。需要充分結合用戶的實際需要及其在用電過程中存在的問題，合理地開展系統管理工作，如制定用電策略，平衡用戶用電量及變壓器。基于用戶在配電變壓器應用中的主體地位，供電部門需要在操作過程中加強用戶管理，以有效解決變壓器三相負荷不平衡的問題。

3.3 開展無功補償管理

配電變壓器負荷受多種因素影響，供電部門需要結合實際情況，開展無功補償管理工作，以此保障電網供電的穩定性。線路供電會受多種因素影響，產生線路磨損的問題。在統計無功補償相關信息時，供電部門需要科學地計算、規劃線路應用周期，以此保障各相負載量的平衡。利用無功補償管理能夠在一定程度上提升變壓器的利用效率，通過計算故障處的用電量，可以準確找到三相負荷不平衡的原因。

3.4 加強對配電變壓器三相負荷的監控

三相負荷不平衡問題會加大配電變壓器的電能損耗，基于此，供電部門需要加強對配電變壓器三相負荷的監控，確保及時地調節負荷，以此保障三相負荷的平衡[7]。可以用鉗形電流表測量變壓器出線及低壓線分支位置的各相電流和中線電流，一旦其超過規定的不平衡度，需要在第一時間調整各相負荷，按照用戶的數量、負荷類別及漏電情況，科學地分配單相負荷用戶[8]。

4 結束語

近年來，我國經濟水平顯著提升，在此背景下電網改造也逐漸朝著大規模的方向發展。低電壓的配電系統能促進電能的轉換，在一定程度上保障用電系統供電，并提高配電電壓系統的穩定性。但是，受人為因素及自然因素的影響，三相負荷不平衡的現象頻繁發生，對配電線路會產生一定的破壞作用。因此，電力企業需要結合現實情況，調整變壓器的負荷分布，以減少電能損耗，保障電力系統的平穩運行。