配电台区三相不平衡治理及节能方案的研究

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电工电气 (20 9 No.7)
配电台区三相不平衡治理及节能方案的研究
成静红，吕娜娜，沈玲玲，潘健康，杨柳
(江苏信息职业技术学院，江苏 无锡 214153)
0 引言
配电台区是城乡电网的重要组成部分，承担着安全、可靠、高效地把优质的电力能源送往千家万户的重要作用，数量巨大，是农网末端的核心基础部件。

据统计在中低压配电网中，输电线路的电能损耗严重，占电网损耗的将近50%。

在现实的应用过程中，单相负荷应用非常广泛，并且用电不同时，特别是大功率单相负载的接入等，导致配电变压器长期运行于三相不平衡状态；且大量的感性用电设备及电力电子装置逐年大幅增长，而相应的配电设备更新改造速度相对滞后，造成配电台区无功缺乏严重，供电末端功率因数过低，配电电压合格率偏低，并产生谐波电流。

1 配电台区三相不平衡的危害
1.1 配电变压器出力降低和电能转换效率下降
当配电变压器运行于三相不平衡状态时，对于负载轻的一相而言，负载电流未达到额定值，该相的容量还有富余，导致配电变压器的输出难以达到其额定输出值，进而减少了配电变压器的出力，导致变压器的过载能力也随之降低。

1.2 配电变压器和线路损耗的增加
1)增加变压器损耗
配电变压器的负载损耗与变压器负荷的大小有关，根据线路电能损耗的计算公式可知，损耗的大小与线路电流的平方成正比，配电变压器的总损耗
可计算为：P 1=(I a 2+I b 2+I c 2)R 。

在三相电流平衡的情
况下，各相绕组电流均为：(I a +I b +I c )/3，三相绕组总损耗为：P 2=3[(I a +I b +I c )/3]2R ，在变压器运行过程中，其电能损耗是无法避免的，但是可以通过三相不平衡的治理，降低其附加损耗，三相不平衡带来的附加损耗为：ΔP =P 1-P 2={[(I a -I b )2+(I b -
I c )2+(I c -I a )2]/3}R 。

2)增加配电线路的损耗
在三相四线供电系统中，只有当三相供电电压对称并且三相负载电流平衡时，配电线路的电能损耗最小。

当三相电流不平衡时，中性线存在电流，此时不仅增加相线的电能损耗，并且还会形成中性线上的电能损耗，导致整条线路的损耗增加。

1.3 影响电器设备正常运行
在采用三相四线的低压配电系统中，当三相不平衡运行时，在变压器中性线中产生零序电流，从而造成中性点位移，引起三相电压的不对称，导致有的相电压过低，而有的相电压过高，致使一些负载不能长期工作于额定的状态，缩短了其使用寿命，严重时甚至引发烧毁事故。

2 配电台区三相不平衡治理方案
在低压配电台区开展三相不平衡的治理工作当中，能够有效解决目前存在的三相不平衡、功率因数低、供电质量差及线损大的情况，也将成为电网创新发展模式，实现自身节能降耗的一个重要举措。

2.1 三相不平衡治理技术现状
目前，配电网治理三相不平衡的产品主要有以下三类。

1)相间电容补偿装置
相间电容补偿装置是通过在两相线之间跨接不同容量的电容，达到有功功率转移的目的，进而实现治理三相不平衡的目的，由于不对称电容本身为容性负载，所以不仅可以在相连接的相间传递有功功率，还可以起到补偿系统中感性无功的效果，并且向其连接的每相注入的无功功率是其传递有功功率的3倍，可以在三相电以及三相电与零线之间连接多个电容调节支路，调节更加精细，也可以防止过补的现象发生，故对于功率
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因数较低的不平衡台区更为实用，且该装置成本较低，安装相对简单。

而对于已安装无功补偿的台区中，再配置相间无功补偿装置，则在调有功平衡的同时，也增大了无功功率，无法同时兼顾无功补偿和有功平衡。

2)电力电子型三相负荷不平衡自动调节装置
电力电子型三相负荷不平衡自动调节装置采用全控型电力电子器件(如IGBT)作为开关部件，通过适当的触发控制，装置输出幅值、相位角可调的电流或电压，从而实现补偿电流中无功损耗、负序(零序)分量的作用。

该装置响应时间短，能够对三相负荷进行实时调整，快速连续地补偿无功，准确控制接入点三相负荷的不平衡度和电压，能够综合解决配变台区功率因数低、三相不平衡、电压不合格以及谐波等电能质量问题，并且安装相对简单，但由于此类装置的价格较昂贵，目前还未大范围推广应用。

3)换相开关型三相不平衡自动调节装置
换相开关型三相负荷不平衡自动调节装置通过台区不平衡率的分析，系统自动计算每相的负荷数据，并根据具体数据计算选取需调整表箱，利用大功率可控硅控制和过零投切的换相开关，实现自动调整的目的。

首先设定好台区最高限制的不平衡率，对换相开关下达换相命令，可以使线路的不平衡率保持在设定的不平衡率以下。

该方案的优点为通过智能化逻辑判断自动选择供电相，从三相不平衡产生的源头进行治理，调整三相负荷，从而降低线路上的电能损耗，并且能够有效解决配电线路末端低电压问题，提高电能利用率的同时增强电网供电的可靠性，其缺点为供电线路功率因数提高有限。

2.2 三相不平衡治理方案
在10/0.4kV的配电系统当中，对于中性线电流超过配电变压器低压侧额定电流25%和三相电流不平衡度大于15%的台区实施三相不平衡治理，以最大限度降低三相不平衡对配电台区供电能力、供电质量、供电安全和经济运行水平的影响，提高社会经济效益。

1)采用有源模块与智能电容器的混合补偿进行治理
对于同时存在三相负荷不平衡度超限制标准和功率因数低于0.85的配变台区，可同时进行三相不平衡的治理和无功补偿，其采用有源模块与智能电容器组的混合补偿方式，相间补偿电容器组根据三相电流不平衡度及功率因数调节相间电容支路的投切，完成三相不平衡及功率因数的粗调，电容投切中在不能出现过补的情况下达到最佳的不平衡治理的目标；有源模块进行实时动态补偿实现不平衡电流与无功的精细化补偿，将三相不平衡度控制在10%以下。

可根据配电台区的现场情况，进行有源模块与智能电容器组之间的最优、灵活组合，达到治理三相不平衡、调节电压、补偿无功和治理谐波的效果。

该治理方案可根据配电台区的实际需求进行有源模块和电容器模块的容量配置，可以实现多种组合方式的安全并联运行。

该方案的整体成本较纯有源模块的补偿设备降低较多，保证了一定的经济可行性。

2)采用三相负荷自动调整平衡系统进行治理
对于仅存在三相负荷不平衡超限制标准的配变台区，可采用三相负荷自动调整平衡系统进行治理，其由智能终端和换相开关、漏电断路器等组成，可以实现三相负荷自动调整平衡、配电参数监测统计、配变油温采集、线路漏电监控、远程控制及自动报警、线路末端电压采集等功能。

通过比较三相电流，控制选相开关箱，将重载相的单相分支逐个切换到轻载相，实现三相负载的粗略调平；在终端箱前端加装自动换相开关，通过换相开关执行动作，使三相不平衡度控制在设定范围内，实现三相负荷的精确调平。

该治理方案能够从根本上解决三相负荷不平衡问题，改善线路末端“低电压”用户的用电质量，并使低压配电网数据采集和集中监控功能更加完善。

因其在低压侧治理、节能方面的效果比较良好，符合复合节能及节约型社会需求，可以说几乎可适应所有农网供电区域。

3 三相不平衡治理的意义
鉴于配电台区存在的三相不平衡、供电电压不合格、功率因数低等电能质量问题，可以针对现场情况选择三相不平衡治理方案，在平衡三相有功功率的同时能够彻底治理因三相不平衡造成的低电压，降低配电变压器及低压线路的损耗，
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提高配电变压器的出力，确保配电台区供电的可靠性。

3.1 节电量
配变三相负荷不平衡时，中性线有电流通过，中性线也要产生功率损耗，根据变压器损耗计算公式，节电量计算公式如下：
P 1=(I 2a1R +I 2b1R +I 2c1R +I 2n1R 0)×10
-3
(1)P 2=(I 2a2R +I 2b2R +I 2c2R +I 2n2R 0)×10-3
(2)ΔP =(P 1-P 2-Q C ×tan δ)×T (3)式中：I a1、I b1、I c1、I n1为治理前原负荷电流；I a2、I b2、I c2、I n2为治理后负荷电流；R 为变压器三相等效电阻，台区变压器S11-400型取0.037Ω；R 0为变压器中性线等效电阻；T 为等效运行时间，年等效运行时间可取3000h；P 1为治理前的功率损耗；P 2为治理后的功率损耗；Q C 为无功补偿装置补偿容量；t a n δ为无功补偿装置损耗率。

在配变输出容量相同的情况下，三相负荷不平衡增加了配变的有功损耗，且不平衡程度越大，配变有功损耗越大，可计算出降低三相不平衡变压器的年节电量。

3.2 节能效益分析
在配电台区实施三相不平衡治理措施后，能够有效提高台区的电能质量，通过三相不平衡的治理，可降低台区不平衡度至15%以下，有效降低中性线
电流，降低变压器与线路的电能损耗，节能效益显著。

在三相负荷平衡的情况下，配电变压器的输出容量最大可达额定值，三相不平衡的治理将提高变压器的出力，使电能转换效率得到提升。

治理三相不平衡的同时兼顾无功补偿，中性线产生的零序电流减小，减小中性点位移，三相电压相对平衡，保障用电设备正常运行。

三相不平衡治理后可改善变压器的运行工况，大大降低由此原因引起的变压器损坏的数量，节省变压器的维护成本。

通过低压台区三相不平衡的治理，减小不平衡对高压线路的影响，降低故障率，提高供电可靠性，使配电网稳定、安全和经济运行。

4 结语
通过对低压配电台区三相不平衡问题产生的原因分析、深入研究和梳理，对比了目前常用的三种三相不平衡治理技术，提出一套具有针对性、实用性较强的配电台区三相不平衡治理及节能方案，在配电台区根据三相不平衡度及功率因数选择治理措施，在治理三相不平衡的同时，达到降低变压器与线路的损耗，提高电能转换效率，改善末端低电压，提高供电可靠性的目的。

修稿日期：2019-05-22
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