低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡危害及防治措施

孟 凱

（陽(yáng)煤集團(tuán)升華實(shí)業(yè)分公司供電中心，山西陽(yáng)泉 045000）

0 引言

在城市或者農(nóng)村1 kV以下的配電網(wǎng)中，存在著大量的單相負(fù)荷，且這些負(fù)荷分布不均，使用時(shí)段不確定，以及單相大功率設(shè)備的接入等是導(dǎo)致三相負(fù)荷不平衡的重要原因[1]，而且也是客觀存在的問(wèn)題。三相負(fù)荷不平衡可以通過(guò)配電柜電流表或者鉗形電流測(cè)量并觀察。三相四線制配電網(wǎng)三相不平衡，會(huì)增加電線電纜損耗、配電變壓器的銅損和鐵損、降低變壓器出力等問(wèn)題[2]。借鑒前人經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工況，本文探討低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡產(chǎn)生的機(jī)理和產(chǎn)生的危害，在此基礎(chǔ)上提出防治措施，為解決低壓配電網(wǎng)三相不平衡負(fù)荷問(wèn)題提供一定的理論指導(dǎo)。

1 三相負(fù)荷不平衡產(chǎn)生機(jī)理

三相負(fù)荷不平衡是指，電力系統(tǒng)中A、B、C三相電流或電壓大小、幅值不一致，其幅值差超過(guò)了規(guī)定的限值。在城市和農(nóng)村配電線路一般為三相四線制供電系統(tǒng)，當(dāng)三相負(fù)荷電流平衡時(shí)，中性線對(duì)地電流為零。三相負(fù)荷不平衡時(shí)，則中性線中有電流通過(guò)，導(dǎo)致線路線損增加[3]。低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡如圖1所示。

圖1 低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡示意圖

三相負(fù)荷平衡時(shí)線損按下式計(jì)算[4]：

三相負(fù)荷不平衡時(shí)線損（中性線截面積是相線截面積的1/2）：

式中：ΔP為三相負(fù)荷平衡時(shí)的線損，kW；ΔPb為三相負(fù)荷不平衡時(shí)的線損，kW；R為線路中各相的電阻，Ω；IA、IB、IC分別為線路中A、B、C三相的電流，A；I0為中性線的電流，A。

由式中可知ΔPb＞ΔP，三相負(fù)荷越不平衡，不平衡電流越大，線路內(nèi)阻的損耗也就越大。

引入三相負(fù)荷不平衡率的概念，三相電流的平均值為Iavg=(IA+IB+IC)/3，最大的電流負(fù)荷相用Imax表示，可以求得三相負(fù)荷電流的不平衡率：

利用中性線電流估算公式求得零線電流：

根據(jù)上述公式可以計(jì)算出幾種常見(jiàn)情況下，三相不平衡負(fù)荷與三相平衡負(fù)荷相比的線損增加情況，如表1和表2所示。

表1 三相不平衡負(fù)荷線損率

表2 兩種極端情況下?lián)p耗的增加量

表1和表2列出了幾種常見(jiàn)的三相負(fù)荷電流不平衡狀態(tài)下和兩種極端情況下，與三相負(fù)荷平衡狀態(tài)下的線損增加率的關(guān)系，從表中可以得出三相負(fù)荷不平衡率越大，三相線路電流損耗越大，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果繪出了三相負(fù)荷不平衡中電流分布規(guī)律、中性線電流與電壓分布規(guī)律，如圖2和圖3所示。

圖2 低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡中電流分布規(guī)律

2 三相負(fù)荷不平衡危害

城市或者農(nóng)村1 kV以下的低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡會(huì)給整個(gè)電網(wǎng)造成危害和影響[5]：三相負(fù)荷越不平衡，將會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定電流，受電阻影響，線路中電能損耗將增大，造成電能資源的浪費(fèi)；配電變壓器容量是根據(jù)三相負(fù)荷平衡狀態(tài)計(jì)算設(shè)計(jì)的，若負(fù)荷不平衡，變壓器繞組只能根據(jù)其中一相最大負(fù)荷工作，這給變壓器運(yùn)轉(zhuǎn)造成巨大壓力；三相負(fù)荷不平衡時(shí)會(huì)產(chǎn)生零序電流，而變壓器中的磁鐵芯必然生成零序磁通，高壓側(cè)與低壓側(cè)的電流不相等，導(dǎo)致變壓器結(jié)構(gòu)件溫度過(guò)高，勢(shì)必危害變壓器安全；若三相負(fù)荷不平衡，將會(huì)造成零點(diǎn)漂移，輸出不對(duì)稱電壓，相應(yīng)感應(yīng)電機(jī)輸出功率不一致，導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度過(guò)高而燒壞電機(jī)；當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正序、零序、負(fù)序等電流，但是零序和負(fù)序電流的存在會(huì)影響電能計(jì)量表的精度。

3 治理三相負(fù)荷不平衡措施

3.1 防治措施

為了減小或者消除低壓配電網(wǎng)三相不平衡負(fù)荷帶來(lái)的危害，對(duì)三相負(fù)荷不平衡提出了治理措施[6]。防治的目標(biāo)是在配電變壓器出口端三相電流平衡，三相電路中的主干線和分支線負(fù)荷也要滿足平衡性。

（1）合理分配用電負(fù)荷。在低壓配電網(wǎng)三相線路上，按照從用戶端到支線端再到主干線端的順序，合理分配三相四線制供電線路上的使用負(fù)荷，特別是新建線路、改建線路上的負(fù)荷分配，務(wù)必避免某段出現(xiàn)負(fù)荷過(guò)重或者無(wú)負(fù)荷狀態(tài)，確保整個(gè)電網(wǎng)處于一個(gè)合理負(fù)荷分配標(biāo)準(zhǔn)。

（2）盡量降低高峰用電。對(duì)于農(nóng)村或者城市來(lái)說(shuō)，一般在晚上18:00～23:00是用電高峰期，這個(gè)時(shí)段是每個(gè)相負(fù)荷的集中區(qū)，為了降低三相負(fù)荷不平衡性，時(shí)刻監(jiān)測(cè)用電情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需要及時(shí)對(duì)其調(diào)整，避免出現(xiàn)峰谷和峰波。督促用戶杜絕單相用電，必須保證電器分配在三相中。

（3）增大中性線橫截面。在低壓配電網(wǎng)三相四線制的供電線中采用4芯等芯電纜或者4+1電纜，增大中性線的橫截面積，降低電線內(nèi)阻，防止因電流過(guò)大燒壞中性線和電氣設(shè)備。

（4）使用智能換相開(kāi)關(guān)。在三相供電網(wǎng)上采用智能換相開(kāi)關(guān)，該智能換相開(kāi)關(guān)具有采集配電網(wǎng)變壓器電壓、電流信息和接收負(fù)荷電壓、電流信息的功能，并擁有DSP高運(yùn)算處理器，一旦檢測(cè)到三相負(fù)荷不平衡，立即發(fā)出指令給各個(gè)用戶換相裝置，執(zhí)行A、B、C三相換相，實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷電流的均勻性，三相電網(wǎng)上安裝的智能換相開(kāi)關(guān)如圖4所示。

圖4 智能開(kāi)關(guān)降低三相負(fù)荷不平衡方法

（5）增加自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷裝置。自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷裝置外接電流互感器，內(nèi)設(shè)控制單元，兼有IGBT觸發(fā)控制器和驅(qū)動(dòng)逆變器，一旦監(jiān)測(cè)到三相負(fù)荷處于不平衡狀態(tài)，立即將大電流的相線進(jìn)行調(diào)節(jié)，將過(guò)多的電流暫時(shí)儲(chǔ)存在電網(wǎng)內(nèi)部電容中同時(shí)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和穩(wěn)定電壓，以期實(shí)現(xiàn)三相線路中負(fù)荷均衡性，確保三相線路穩(wěn)定供電。

3.2 防治效果

為了驗(yàn)證治理后低壓配電網(wǎng)三相電路中負(fù)荷狀態(tài)，對(duì)采取措施后的低壓配電網(wǎng)中三相電路中的負(fù)載電流進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示，圖中監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)周期為1天。

圖5 采取防治措施后的三相中負(fù)載電流分布規(guī)律

由圖5與圖2比較可知，明顯在對(duì)低壓配電網(wǎng)三相電路中采取防治措施以后，三相電負(fù)載電流變化趨勢(shì)基本一致，未出現(xiàn)大起大落，電流的三相不平衡程度得到有效遏制，說(shuō)明對(duì)三相負(fù)荷不平衡采取的防治措施效果理想，降低了三相負(fù)荷不平衡性，滿足低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷均勻供電和安全供電，減小了線路損耗，有利于保護(hù)用電設(shè)備，節(jié)約了能源和成本，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、安全的發(fā)展理念。

4 結(jié)束語(yǔ)

城市或農(nóng)村1 kV以下的配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡易造成電線損耗、降低變壓器出力和燒壞用電器等問(wèn)題。為了改善此狀態(tài)，探討了低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡產(chǎn)生的機(jī)理及其危害，并提出了防治措施，主要得出以下結(jié)論。

（1）低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡會(huì)帶來(lái)的危害有電壓、電流穩(wěn)定性差，電能損耗增加，變壓器工作壓力大，變壓器結(jié)構(gòu)件溫度過(guò)高，燒壞電機(jī)，影響電能計(jì)量表的精度等。

（2）為了減小或者消除低壓配電網(wǎng)三相不平衡負(fù)荷帶來(lái)的危害，對(duì)三相負(fù)荷不平衡提出了合理分配用電負(fù)荷、盡量錯(cuò)峰用電、增大中性線橫截面、使用智能換相開(kāi)關(guān)和增加自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷裝置等治理措施。從實(shí)際應(yīng)用監(jiān)測(cè)表明，防治效果理想，達(dá)到低壓配電網(wǎng)三相供電要求。