智能配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡治理方案

張征凱，章元德，史　亮，陸　巍，徐學(xué)均，徐艷軍

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，合肥　230061；2.北京泰豪電力技術(shù)有限公司，北京　100176）

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智能配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡治理方案

張征凱1，章元德1，史亮1，陸巍1，徐學(xué)均2，徐艷軍2

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，合肥230061；2.北京泰豪電力技術(shù)有限公司，北京100176）

摘要：分析智能臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡產(chǎn)生原因及造成的影響，提出了三相負(fù)荷不平衡治理方案，通過對(duì)智能臺(tái)區(qū)治理前后效果分析，驗(yàn)證治理措施的可行性。

關(guān)鍵詞：智能臺(tái)區(qū)；三相負(fù)荷不平衡；治理措施；節(jié)能降損

1　三相負(fù)荷不平衡產(chǎn)生的原因及影響

本文根據(jù)安徽省無為縣供電公司提供的變壓器容量為315 kVA的網(wǎng)線廠配電臺(tái)區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出。

該臺(tái)區(qū)在暑期農(nóng)忙季節(jié)（7—8月份）、農(nóng)民工春節(jié)返鄉(xiāng)期間（1—2月）的19：00～21：00時(shí)間段，三相負(fù)荷不平衡度達(dá)40%～70%，最高值甚至達(dá)100%以上。按照《配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)程》的規(guī)定：變壓器的三相負(fù)荷應(yīng)力求平衡，其不平衡度不應(yīng)大于20%，否則需要調(diào)整負(fù)荷。造成三相負(fù)荷不平衡嚴(yán)重的原因，是由于低壓配電網(wǎng)中負(fù)荷分配不均、用電負(fù)荷不同時(shí)性、用電負(fù)荷增長不平衡性以及負(fù)荷接入時(shí)的隨意性等，導(dǎo)致該臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡問題嚴(yán)重且普遍存在，通過人工手段難以治理。

當(dāng)前三相負(fù)荷不平衡造成的主要影響有：

（1）三相負(fù)荷不平衡造成配電變壓器損耗增加。當(dāng)配電變壓器鐵心柱中的磁通密度增加到1. 65T時(shí)，油箱壁中的損耗將達(dá)到鐵心中損耗的50%以上［1］。

設(shè)，變壓器的額定功率為S，高壓額定電壓U1，低壓額定電壓U2，負(fù)載損耗ΔPk。三相負(fù)荷均衡時(shí)配電變壓器低壓側(cè)的負(fù)荷電流為Iph，三相負(fù)荷電流為Ia、Ib、Ic。

配電變壓器低壓側(cè)的額定電流Ie計(jì)算公式為

三相負(fù)荷不平衡度δ%的計(jì)算公式

δ%=(I-Iav)max/Iav×100%（2）

式中：Iav=(Ia+Ib+Ic)/3。

三相負(fù)荷不平衡比平衡時(shí)變壓器的有功損耗增加量為

（2）三相負(fù)荷不平衡影響設(shè)備的運(yùn)行出力。當(dāng)配電臺(tái)區(qū)變壓器處在三相負(fù)荷不平衡的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成配電變壓器其輸出的容量無法達(dá)到額定容量值，而且其備用容量亦相應(yīng)減少，導(dǎo)致配電變壓器的過載能力降低［2］。

（3）三相負(fù)荷不平衡易造成低電壓或過電壓。配電臺(tái)區(qū)設(shè)計(jì)初始是按照三相負(fù)荷平衡設(shè)計(jì)的，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，特別是農(nóng)村地區(qū)或城鄉(xiāng)結(jié)合部地區(qū)經(jīng)常會(huì)發(fā)生三相負(fù)荷不平衡的情況，造成配電變壓器重負(fù)荷側(cè)電壓降低，而負(fù)荷輕側(cè)電壓升高。三相負(fù)荷不平衡造成的低電壓會(huì)導(dǎo)致單相家用電器不能正常使用，而過電壓會(huì)損壞用戶設(shè)備［3］。

（4）三相負(fù)荷不平衡會(huì)造成線損增加。三相負(fù)荷不平衡時(shí)，造成變壓器進(jìn)出線的各相電流的不平衡，各相電流的不平衡造成中性線有電流通過，不僅增加相線損耗，而且也形成中性線損耗，導(dǎo)致整條線路的損耗增加。

2　三相負(fù)荷不平衡治理概述

2.1治理原理

為解決配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡問題，本文在研究當(dāng)前配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷產(chǎn)生的原因及造成的不良結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套用于治理配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡的方案。

三相負(fù)荷不平衡治理的核心是臺(tái)區(qū)控制器，實(shí)施主體是智能換相開關(guān)（以下簡稱“換相開關(guān)”）。臺(tái)區(qū)控制器是三相負(fù)荷不平衡治理的核心執(zhí)行裝置，負(fù)責(zé)收集配電變壓器低壓側(cè)的三相電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析計(jì)算，形成最優(yōu)“不平衡調(diào)節(jié)策略”，并將遙控命令下發(fā)到換相開關(guān)，進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。

臺(tái)區(qū)控制器與換相開關(guān)之間采取適宜于近距離傳輸?shù)臒o線組網(wǎng)通信技術(shù)ZigBee技術(shù)，因其具有距離近、成本低、功耗低、復(fù)雜度低、自組網(wǎng)以及安全性高、可靠性高等特點(diǎn)，被廣泛適用于近距離高安全的產(chǎn)品或場合中。

換相開關(guān)的配置原則如下：

（1）換相開關(guān)配置數(shù)量原則。換相開關(guān)涵蓋的戶表數(shù)（含單相用電的商鋪）須占配電臺(tái)區(qū)總戶表數(shù)的1/3左右（為負(fù)荷較重的1/3用戶）。

本文選擇的網(wǎng)線廠臺(tái)區(qū)的總戶表數(shù)Tn為210戶，選擇的換相開關(guān)額定電流Ie1為250 A，戶表額定電流Ie2為40 A。換相開關(guān)涵蓋的戶表數(shù)Sn=Tn/3= 70；一臺(tái)換相開關(guān)可攜帶的戶表數(shù)Sn1=Ie1/Ie2=250 A/ 40 A≈6，則換相開關(guān)安裝數(shù)量S=Sn/Sn1=70/6≈11。

（2）換相開關(guān)安裝位置原則?，F(xiàn)場測量實(shí)際負(fù)荷，換相開關(guān)須安裝在負(fù)荷大的三相四線制的電纜分支箱或戶表箱位置。

三相負(fù)荷不平衡治理示意圖如圖1所示。

圖1　三相負(fù)荷不平衡治理示意圖

換相開關(guān)安裝示意圖如圖2所示。

圖2　換相開關(guān)安裝示意圖（戶表箱）

2.2三相負(fù)荷不平衡治理策略分析

三相負(fù)荷不平衡調(diào)節(jié)的“策略”設(shè)置在臺(tái)區(qū)控制器中。其中，定值的設(shè)置項(xiàng)包括換相開關(guān)個(gè)數(shù)及地址設(shè)定、不平衡度調(diào)節(jié)值、不平衡度調(diào)節(jié)最低值、不平衡調(diào)節(jié)時(shí)間和不平衡調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間。

三相負(fù)荷不平衡治理原則要求是：當(dāng)變壓器三相負(fù)荷不平衡度達(dá)到25%及以上，且連續(xù)監(jiān)測時(shí)間達(dá)到15 min時(shí)，開始治理，且治理間隔要求在30 min及以上。

三相負(fù)荷不平衡治理執(zhí)行過程如下：首先，通過三相不平衡治理裝置采集出線漏保開關(guān)負(fù)荷數(shù)據(jù)、用戶用電負(fù)荷數(shù)據(jù)以及換相開關(guān)的電流、相位等數(shù)據(jù)；然后，經(jīng)過三相不平衡治理裝置的控制分析模塊，對(duì)采集到的負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算得出各出線的不平衡度數(shù)值；最后，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不平衡度數(shù)值大于設(shè)定的限值，且不平衡度維持時(shí)間超過設(shè)定的調(diào)整時(shí)間時(shí)，給出最優(yōu)的調(diào)整方案，自動(dòng)完成各出線三相負(fù)荷再分配，使各出線三相負(fù)荷處于基本平衡的狀態(tài)，以此達(dá)到低壓線路的三相負(fù)荷平衡狀態(tài)。

三相負(fù)荷不平衡治理策略流程圖如圖3所示。

定值設(shè)置：

β——變壓器負(fù)載率；β1，β2——變壓器負(fù)載率閥值；βpj——一段時(shí)間內(nèi)β的平均值；εI——低壓總出線不平衡度；εI1、εI2、εI3、εI4、εI5——出線1、2、3、4、5不平衡度；εImax——不平衡上限值；εImin——不平衡下限值；T——判別延遲時(shí)，其中T4和T5可寫死；qxgj——缺相告警；jdgj——接地告警；εIpj——一段時(shí)間內(nèi)εI的平均值。

圖3　三相負(fù)荷不平衡治理策略流程圖

3　治理效果分析

本文選擇以安徽省無為縣供電公司的變壓器容量為315 kVA的網(wǎng)線廠配電臺(tái)區(qū)為例對(duì)治理效果進(jìn)行說明。該臺(tái)區(qū)采用LGJ-90架空導(dǎo)線，長度為500 m，中性線電阻R0為相線電阻R的2倍，且治理前后的負(fù)荷情況保持一致。從節(jié)能降損方面對(duì)三相負(fù)荷不平衡治理效果進(jìn)行分析和闡述。

3.1節(jié)能降損效益案例分析

治理前三相負(fù)荷電流：Ia1=66.6，Ib1=80.7， Ic1=122.8，I01=50.64；治理前不平衡度為36.39%。治理后三相負(fù)荷電流：Ia2=71.3，Ib2=75.2，Ic2= 82.9，I02= 10.22；治理后不平衡度為8.41%。治理后與治理前的不平衡度相比，下降了27.98個(gè)百分點(diǎn)。

變壓器容量S =315 kVA，U1=10 000 V，U2= 400 V，ΔPk=3.65。

節(jié)能降損效果分析如下：

（1）線損分析

導(dǎo)線電阻的計(jì)算公式為

R=ρL/S（4）

式中：R為導(dǎo)線電阻值；ρ為電阻率；L為長度；S為截面積。

線損值計(jì)算公式為

式中：ΔP為線損值；Ia、Ib、Ic分別為A、B、C三相電流值；R為相線電阻值；I0為中性線電流；R0為中性線電阻。

（2）變損分析

變壓器有功損耗計(jì)算公式為

ΔP=P0+KTβ2PK（6）

變壓器無功損耗計(jì)算公式為

ΔQ=Q0+KTβ2QK（7）

變壓器綜合損耗計(jì)算公式為

ΔPZ=ΔP+KQΔQ（8）

SN≈I0%SN，QK≈UK%SN（9）

式中：Q0為空載無功損耗，kvar；P0為空載損耗，kW；PK為額定負(fù)載損耗，kW；SN為變壓器額定容量，kVA；I0%為變壓器空載電流百分比；UK%為短路電壓百分比；β為平均負(fù)載系數(shù)；KT為負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)；QK為額定負(fù)載漏磁功率，kvar；KQ為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，kW/kvar。

式（9）計(jì)算時(shí)各參數(shù)的選擇條件：取KT=1.05；對(duì)城市電網(wǎng)和工業(yè)企業(yè)電網(wǎng)的6～10 kV降壓變壓器取系統(tǒng)最小負(fù)荷時(shí)，其無功當(dāng)量KQ=0.1 kW/kvar；變壓器平均負(fù)載系數(shù)：對(duì)于農(nóng)用變壓器可取β=20%；對(duì)于工業(yè)企業(yè)，實(shí)行三班制，可取β=75%；變壓器運(yùn)行小時(shí)數(shù)T =8 760 h，最大負(fù)載損耗小時(shí)數(shù)：t = 5 500 h。

本文中提到的變壓器型號(hào)為S11-M-315/10，變壓器的額定容量SN為315 kVA，變壓器空載損耗P0為0. 48 kW，額定負(fù)載損耗PK為3.65 kW，I0%為1.1，UK%為4，KQ取值為0.1 kW/kvar，β取值為20%。變壓器有功損耗ΔP =0.633 3 kW，變壓器無功損耗ΔQ =3.994 2 kW，變壓器綜合損耗ΔPZ=ΔP+ KQΔQ= 1.033 kW。

（3）節(jié)能計(jì)算

全年節(jié)約電能為W=(ΔPZ+ΔPt)×T=15 922.5kWh，節(jié)約電量折合人民幣ΔM =8 598. 15元。

3.2管理效益分析

通過三相負(fù)荷不平衡度治理，一方面使員工提高了由三相負(fù)荷不平衡治理對(duì)電能質(zhì)量影響的意識(shí)，另一方面也促進(jìn)供電公司修改和完善了相關(guān)的管理制度、規(guī)定及流程，進(jìn)一步提高規(guī)范化管理水平。

3.3社會(huì)效益分析

通過實(shí)施三相負(fù)荷不平衡治理，無為縣供電公司配電臺(tái)區(qū)的電能質(zhì)量有了較為明顯的改善，同時(shí)解決了原先由三相負(fù)荷不平衡嚴(yán)重造成的低電壓而使家用電器無法正常使用的問題，進(jìn)而提高了居民對(duì)生產(chǎn)、生活用電的滿意度。

4　結(jié)論

本文首先分析了三相負(fù)荷不平衡產(chǎn)生的背景以及三相負(fù)荷不平衡產(chǎn)生的主要影響，進(jìn)而從技術(shù)角度提出了治理三相負(fù)荷不平衡的方案以及治理策略，通過分析智能臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡治理前后的效果，得出本文設(shè)計(jì)的方案在節(jié)能降耗和提升電壓方面都有較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

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The governance scheme of three-phase unba1anced 1oad management for inte11igent distribution transformer

ZHANG Zheng-kai1，ZHANG Yuan-de1，SHI Liang1，LU Wei1，XU Xue-jun2，XU Yan-jun2
（1. State Grid Anhui E1ectric Power Company，Hefei 230061，China；2. Beijing Te11how E1ectric Company，Beijing 100176，China）

Abstract：This paper ana1yzes the cause and inf1ection of the three-phase unba1anced，then it proposes the governance program of three-phase unba1anced，by the treatment effect of inte11igent ana1ysis，to va1idate of contro1 measures.

Key Words：inte11igent station area；three-phase unba1ance；contro1 measures；energy-saving and comsumptions reduction

收稿日期：2015-06-12；修回日期：2015-11-05

中圖分類號(hào)：TM714.1；TM727.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C