配電網(wǎng)三相不平衡危害分析及優(yōu)化措施

陸柏羽 章 忠 田 權(quán)

（國網(wǎng)泰順縣供電公司，浙江溫州325500）

0 引言

隨著社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平提高，電能的作用日益重要，無論是企業(yè)生產(chǎn)還是居民生活都離不開電能。居民負(fù)荷的增加和電力電子技術(shù)的發(fā)展，使電力負(fù)荷的構(gòu)成出現(xiàn)了新的變化。非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷及單相負(fù)荷的接入，進(jìn)一步加劇了配電網(wǎng)三相不平衡等電能質(zhì)量問題，并對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成威脅。近年來，對于配電網(wǎng)三相不平衡進(jìn)行研究和優(yōu)化，逐漸成為配電網(wǎng)優(yōu)化的重要課題之一[1]。

1 配電網(wǎng)三相不平衡現(xiàn)狀

配電網(wǎng)三相不平衡分為正常性不平衡和事故性不平衡[2]，本文主要對正常性不平衡進(jìn)行分析研究。

我國配電網(wǎng)供電方式主要為三相四線制，配電變壓器接線多采用Y/yn0型。理想供電方式下，三相負(fù)荷均衡分配，變壓器對稱運行，但實際上配電網(wǎng)中存在大量的沖擊性、非線性負(fù)荷，這些負(fù)荷會向系統(tǒng)注入大量諧波，引起閃變、電壓波動和三相不平衡等。低壓配電網(wǎng)中居民多為單相負(fù)荷，具有網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、負(fù)荷性質(zhì)多樣（感性、容性、阻性）、同時性差、變化大等特點，這些負(fù)荷很難均衡分配以保持三相平衡。故配電網(wǎng)實際運行中很難達(dá)到絕對的平衡，大多數(shù)情況下處于三相不平衡運行狀態(tài)。

2 配電網(wǎng)三相不平衡運行的危害

配電網(wǎng)絡(luò)理想狀態(tài)下三相電壓、電流具有相同的幅值，且相位差均為120°。實際運行中總是存在不同程度的指標(biāo)偏離，國家標(biāo)準(zhǔn)允許存在一定的偏差。三相不平衡是指三相電壓或電流中含有負(fù)序、零序分量，導(dǎo)致三相電壓或電流的波形不再是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，相位差也不是120°，零線上出現(xiàn)零序電流等。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，配電變壓器低壓三相負(fù)荷不平衡率應(yīng)≤15%[3]，中性線電流允許值為額定電流的25%[4]。三相不平衡將影響電能質(zhì)量，嚴(yán)重時甚至?xí)＜叭松?、設(shè)備安全。三相不平衡危害主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）造成配電變壓器和線路損壞。

當(dāng)三相不平衡時，若負(fù)載達(dá)到變壓器額定容量，負(fù)載最重一相將超過該相額定容量，則變壓器將超負(fù)荷運行，造成變壓器溫度升高、絕緣加速老化等，嚴(yán)重超負(fù)荷運行甚至?xí)龤ё儔浩鳎蝗嗖黄胶鈺r，中性線上將出現(xiàn)零序電流，一方面電流過大超出承載能力會燒毀中性線，另一方面零序電流在變壓器低壓側(cè)會產(chǎn)生零序磁通，該磁通無法耦合到高壓側(cè)，只有通過變壓器外殼、鐵芯、夾件等以熱能形式散掉，從而導(dǎo)致變壓器發(fā)熱及絕緣油升溫等，將影響變壓器壽命，給安全運行帶來隱患。

當(dāng)三相不平衡運行時，零線（中性線）上將流過零序電流，正常設(shè)計零線線徑小于相線線徑。當(dāng)電流過大時，零線會嚴(yán)重發(fā)熱，引起火災(zāi)甚至被燒斷，同時一些用電設(shè)備電壓可能由相電壓變成線電壓，造成設(shè)備因過壓損壞。

（2）降低配電網(wǎng)容量利用率，增加線損。

三相不平衡運行時，當(dāng)負(fù)載最重一相達(dá)到額定容量時，該變壓器就屬于滿負(fù)荷運行，但其余兩相未達(dá)到額定容量，這就造成了配電網(wǎng)容量利用率降低。

三相不平衡運行時，由于存在零序、負(fù)序電流，變壓器銅耗、鐵耗將增加，零線因存在阻抗，會使零線上損耗增加，且損耗與零序電流平方成正比。

（3）損壞配電、用電設(shè)備，引起保護(hù)元件誤動作，影響用戶安全用電，增加用戶投訴量。

三相不平衡運行時，單相過載等不僅會造成變壓器過載、損壞，還會造成線路開關(guān)跳閘、線路燒毀等；有些保護(hù)采用電壓、電流的負(fù)序、零序分量作為啟動條件，而三相不平衡運行產(chǎn)生的負(fù)序、零序分量可能會使該保護(hù)誤動作；另外，旋轉(zhuǎn)電機(jī)因負(fù)序、零序電壓分量存在，不僅出力會減少，還會出現(xiàn)發(fā)熱、振動等現(xiàn)象；零序電流會使零線上產(chǎn)生壓降，該電壓疊加至三相端電壓上，將造成三相電壓不對稱，使中性點發(fā)生漂移，重載相電壓會降低更多，而輕載相電壓會抬升，電壓升高不僅會造成配電線路及設(shè)備絕緣擊穿，還影響用戶的安全用電。

三相不平衡造成的電能質(zhì)量降低、設(shè)備損壞、非正常停電、用電安全等問題，還會使用戶對供電部門服務(wù)不滿，增加用戶投訴量。

3 配電網(wǎng)三相不平衡優(yōu)化措施

配電網(wǎng)三相不平衡優(yōu)化措施主要包括管理和技術(shù)兩個方面。管理方面主要包括供電企業(yè)重視三相負(fù)荷平衡度，將三相不平衡納入經(jīng)濟(jì)考核指標(biāo)，建立健全規(guī)章制度，制定考核和獎懲標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)動員工積極性等措施。技術(shù)方面主要采取以下措施：

3.1 加強(qiáng)負(fù)荷監(jiān)測及負(fù)荷調(diào)整

負(fù)荷監(jiān)測方法有：

（1）采用人工方法對配電網(wǎng)線路進(jìn)行不定期監(jiān)測；

（2）采用三相電流平衡分析儀進(jìn)行監(jiān)測；

（3）通過配網(wǎng)自動化及計量系統(tǒng)提取信息進(jìn)行監(jiān)測。

通過監(jiān)測結(jié)果對配網(wǎng)中三相不平衡負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，考慮負(fù)荷的同時性、多樣性，按照從末級向上級的順序調(diào)整，保證從線路末端、分開關(guān)至配電變壓器出口都達(dá)到負(fù)荷的平衡，且盡量減小配電線路供電半徑。

3.2 通過加裝跨接電容器進(jìn)行補(bǔ)償

在相線之間跨接三角形接線方式電容器和相線與地線之間跨接星形接線方式電容器，通過控制各個電容器的投切，利用負(fù)荷中的感性負(fù)載，實現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r，對有功電流進(jìn)行相間轉(zhuǎn)移，進(jìn)而達(dá)到平衡三相負(fù)荷的目的[5]。

3.3 加裝三相不平衡自動調(diào)整裝置

三相不平衡自動調(diào)整裝置有以下幾種：在負(fù)荷末端加裝自動換相裝置，通過監(jiān)測各負(fù)荷電流及變壓器出線端電流、電壓，由集中控制器進(jìn)行分析、判斷，下達(dá)換相指令，進(jìn)行自動換相，使三相負(fù)荷達(dá)到新的平衡；在三相線路中加裝由電抗器、電容器和電力電子器件組成的全電力電子自動調(diào)整裝置，通過監(jiān)測線路中三相電流、電壓參數(shù)，由控制器進(jìn)行分析、判斷，然后發(fā)送指令給裝置內(nèi)部的IGBT裝置，控制各相電容、電抗器的通斷，進(jìn)而起到無功補(bǔ)償和有功電流轉(zhuǎn)移的作用，使三相線路達(dá)到新的平衡。

4 總結(jié)與展望

通過分析三相負(fù)荷不平衡的危害，本文提出了優(yōu)化措施，得到了如下結(jié)論：對于三相不平衡優(yōu)化，需采取管理與技術(shù)相結(jié)合的措施。在技術(shù)方面，措施一具有測量設(shè)備操作簡單、投資低的優(yōu)點，但需要專業(yè)人員進(jìn)行計算、優(yōu)化方案，且需停電進(jìn)行人工換相，安全性相對較差；措施二具有自動進(jìn)行無功補(bǔ)償和調(diào)整負(fù)荷不平衡能力，投資適中，但限于配電網(wǎng)架構(gòu)特點，有功電流轉(zhuǎn)移能力有限；措施三可全容量自動調(diào)整三相不平衡負(fù)荷，且具有無功補(bǔ)償能力，但其設(shè)備安裝復(fù)雜、投資大。

在實際應(yīng)用中，需根據(jù)各配電網(wǎng)的特點和重要性，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較后，選擇合適的優(yōu)化措施。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來，措施三中的技術(shù)會越來越成熟，且隨著設(shè)備的大量應(yīng)用其成本也會越來越低。

［參考文獻(xiàn)］

[1]呂行.低壓三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置的研究和設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

[2]何偉剛.淺析低壓臺區(qū)三相不平衡原因及對策[J].科技視界，2017（9）：105.

[3]電能質(zhì)量 三相電壓不平衡：GB/T15543—2008[S].

[4]配電變壓器運行規(guī)程：DL/T1102—2009[S].

[5]林志雄，陳巖，蔡金錠，等.低壓配電網(wǎng)三相不平衡運行的影響及治理措施[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2009，24（3）：63-67.