电力需求侧三相不平衡治理的理论及应用

电力需求侧三相不平衡治理的理论及应用

李秀华1郭继伟1王子琪2岳昕贝2

（1广西云涌科技有限公司广西南宁530000；2广西高捷中加国际学校广西南宁530000）

摘要：针对电力需求侧普遍存在的三相不平衡问题，分析其成因及治理的必要性，介绍智能负载调节装置的技术原理及其在实际中的应用效果。

关键词：三相不平衡；智能负载调节

1、三相不平衡的成因及治理必要性

三相不平衡几乎存在于所有低压配电网台区，由于用户用电行为的不确定，早中晚、节假日、季节性等用电行为不同，尤其是近年来充电桩等各类大功率设备的接入，造成三相负荷变化频繁，甚至有些台区的三相不平衡度高达80%以上。

三相不平衡给电网带来的主要困扰有:①增加配电变压器和线路的电能损耗；②降低配电台区中重载相的供电电压质量（引起低电压）；③降低配电变压器的输出能力，电能转换效率下降（功率因数低）；④引起中性点偏移，危及设备安全。所以电网公司对用户的三相不平衡管理非常重视，国家电网及南方电网公司均要求低压配电台区三相不平衡度要小于15%。

2、三相不平衡治理装置

2.1技术原理

本文介绍一种低压配电网三相不平衡治理装置，它的原理是根据监测到三相线路的电流负载数据，将负载较重某相线路上的部分用电户，换接到负载较轻的单相线路上。即实时跟踪监测线路电流负载，通过自动换相来实现线路负载电流的三相平衡。

如下图1所示，整套系统由1台主控器（安装在变压器出线侧）和若干台自动负载调节装置（安装在线路分接处）组成。

图1系统原理图

要实现最佳负载自动调节、使得电流的三相不平衡度降低到15%之内，需要主控器根据变压器出线侧电流及控制器电流计算出最优负载调节方案，生成换相指令，通过载波或无线通信方式发送给负载调节装置，负载调节装置接受并执行换相指令，有载动态调节三相不平衡度。

2.2关键技术

智能负载调节装置需要将高负荷相的一部分用电户切换到低负荷相，切换速度为毫秒级。为保障电网的安全可靠，有以下关键技术：

1)严禁相间短路。必须是确保一相断开后再接入另一相，相间短路会造成严重事故。

2)换相时间最短。为不影响用户用电，换相时间要求越短越好，一般不超过10ms。

3)为了减少涌流、电弧对设备的冲击，基于“电流过零切除，电压过零投入”的原则，调节装置要求做到“过零换相”。

我们知道，我国的三相交流电频率为50Hz，周期为20ms，如下图2所示：

4)保证设备的高可靠性，需选用高可靠性器件，开关器件要求机械寿命800万次以上，电气寿命100万次以上。

2.3效果计算

三相负载自动调节装置，在实现各相负载均衡的同时也提高了变压器侧的平衡度，从而降低的线损和变损。

1.三相不平衡造成变压器损耗

变压器的有功损耗和无功损耗为：

其中：

S：负载功率；Sa、Sb、Sc为各相功率，SN：变压器额定容量

△P0：变压器空载损耗；△Ps：变压器短路损耗；Us%：变压器短路阻抗；I0%：变压器空载电流。

显然，Sa2+Sb2+Sc2≥1/3（Sa+Sb+Sc）2

在变压器的总负荷不变的情况下，三相负荷平衡时，Sa=Sb=Sc=S/3，变压器的负载损耗最小。当变压器运行在极限最大不平衡时，即Sa=S，Sb=Sc=0，变压器的负载损耗最大，是平衡时的3倍。

2.三相不平衡造成线路损耗

线路损耗计算公式为：△P=（IA2+IB2+IC2）*R

其中：△P0：变压器空载损耗；I：负载功率；IA、IB、IC为各相电流，R：线电阻

三相平衡时，IA=IB=IC=I，△P=3I2R为最小。极限情况下，IA=3I，IC=IB=0，则△P=9I2R为最大，此时低压侧负载最大不平衡时输电线路的损耗是平衡时的3倍。

综上所述，三相不平衡治理，可以有效减小变损和线损，达到节能效果。

3、应用效果

贵州某供电局一容量为250KVA台区存在严重的三相不平衡问题，并由此引起用户低电压投诉，是一例典型的需求侧电能质量问题。用电能质量分析仪在台区变压器出线电流监测数据显示，C相电流严重偏高，有过载现象发生。对该相线路部分用电户电压测量，电压偏低。晚高峰时，该部分用电户电压更是低至180V以下，严重影响用户正常用电。

根据现场勘查计算，我们安装了1台控制器及6只智能负载调节装置。为对比装置投运前后的情况，我们使用电能质量分析仪对该台区低压侧进行了数据采集及分析对比，其电流、电压数据及波形对比如图4a（b）、5a（b）所示。

通过对电流数据分析看出，改造前，选取时段的三相电流分别为：A相206.0A、B相183.3A、C相399.5A，C相电流明显高于A、B相，且已超过了变压器的额定电流，三相不平衡度达了54%。加装智能负载装置调节用电负荷后，三相电流分别为A相299.1A、B相267.5A、C相281.8A，三相不平衡度降到了10%左右。

通过对电压数据分析看出，改造前，选取时段的三相电压分别为：A相265.8V、B相237.5V、C相201.9V，A相电压远高于国家电压标准的7%。而C相电压偏低，C相远端用户电压则更加偏低（高峰时段常常低于180V引起投诉）。加装调节装置后，三相电压分别为A相228.8V、B相232.8V、C相226.7V，均满足国家标准。

综上所述，智能负载装置不仅能够改善三相不平衡问题，还有效地解决了单相过载及低电压问题。

4、结束语

本文通过实际应用，研究验证了的智能负载调节装置可以通过用电负荷有载调节，能够有效的解决三相不平衡问题，同时也能解决因负荷用电不均衡而引起的电压偏高或偏低的问题。三相不平衡治理是需求侧电能质量管理的重要内容，它不仅有效降低了变压器的损耗，同时也降低了线损。提高了供用电质量和配网系统的稳定性，也提高了电网设备运行的可靠性和安全性。

参考文献：

国家电网合运检三[2017]68号文《国网运检部关于开展配电台区三相负荷不平衡问题治理工作的通知》

1)发改能源〔2015〕1899号《关于加快配电网建设改造的指导意见》

2)GB12325-2008-T《电能质量供电电压允许偏差》

3)GBT15543-2008《电能质量三相电压不平衡》

4)DL/T699-2005《城市中低压配网改造技术导则》

5)Q/GDW462-2010《农网建设与改造技术导则》

6)Q/GW1519-2014《配电网运维规程》

作者简介：李秀华，女，1984年5月生，壮族，广西南宁人，广西云涌科技有限公司，本科学历，学士学位，研究方向：电能质量产品及节能技术。

作者简介：郭继伟，男，1983年9月生，汉族，广西合浦人，广西云涌科技有限公司，专科学历，研究方向：电能质量产品及节能改造技术

作者简介：王子琪，女，2001年1月生，汉族，山东济南人，广西高捷中加国际学校

作者简介：岳昕贝，女，2000年12月生，汉族，安徽凤台人，广西高捷中加国际学校