配电网三相负荷不平衡治理措施

配电网三相负荷不平衡治理措施

邹飞安小波华涛周龙兴钱康

（贵州电网有限责任公司遵义供电局）

摘要：配电变压器在不对称运行时，将会在配电网中产生相应的负序电流和零序电流，不但会增加变压器的附加损耗和影响变压器的出力，而且会增加线路损耗，降低电动机的转矩。另外，负序电流还会影响电能表的计量精度，给供电部门造成计费损失；同时，电网中的零序电流会造成中性点电位偏移，使负荷较小相的相电压升高，负荷较大相的相电压降低，在极端情况下会烧毁用户的用电设施，对电力系统和用户造成危害。因此，三相不平衡带来的危害及治理措施值得研究。

关键词：配电网；负荷不平衡；治理措施

一、配电网三相负荷不平衡的影响分析

在低压配电网中，由于单相负荷所占比例很大，负荷使用的随机性较高，往往引起配电网的三相负荷不平衡。随着负荷种类、负荷功率的增加，以及非线性负荷、单相负荷和冲击性负荷占比的增大，低压配电网三相不平衡问题愈发严重，给配电网的安全、经济可靠运行带来了严重危害。低压配电网的长期三相不平衡运行将引起诸多问题：降低变压器出力、增加变压器损耗、电网保护元件误动作、降低感应电动机输出的有功功率、增加线路损耗、配电网末端“低电压”等。具体的影响主要有：

1、对变压器的危害。配电变压器的功率损耗包括空载损耗和负载损耗。其中空载损耗基本恒定，负载损耗与负载电流的平方成正比。当配电网三相负荷不平衡时，会引起变压器损耗的增加，且不平衡情况越严重，带来的附加损耗越多。附加损耗会导致变压器发热，情况严重时甚至烧毁变压器。由于变压器的绕组结构设计是按照三相对称运行设计的，所以当出现三相负荷不平衡时（一相重载、两相轻载或者两相重载、一相轻载的情况），重载相必然会先达到设计的额定容量限制值，而轻载相会存在一定的容量裕度，从而使变压器的出力减小，降低了变压器的工作效率。除此之外，还会增加配电变压器的损耗。接线的低压配电变压器，高压侧无零序电流，低压侧三相负载不平衡会产生零序电流，这个零序电流完全是励磁电流，产生的零序磁通不能在铁芯中闭合，会在变压器的油箱壁或其他金属构件中构成回路。而一般配电变压器设计时是不考虑这些金属构件为导磁部件的，所以由此引起的磁滞和涡流损耗往往会造成这些部件发热，致使变压器局部金属件发热产生铁损。

2、增加线路损耗。目前，相对常用的低压配电网线路损耗的计算方法有均方根电流法、平均电流法、最大电流法、最大负荷损失小时数法、电量法以及等值电阻法等。配电网的线损与流经导线电流的平方以及线路的阻抗成正比。当低压配电网三相负荷平衡时，三相电流相等，中性线电流为零。在不考虑中性线线损的情况下，其损耗模型和变压器的负荷损耗模型相同。当低压配电网三相负荷不平衡时，中性线电流不为零，因此负荷不平衡时的损耗除三相线损外还含中性线损耗，低压配电网的三相负荷不平衡会引起线路损耗的增加。采用三相四线制供电时，三相负荷的不平衡度越大，线损的增加率越大：一相负荷轻、两相负荷重的情况线损增加最大；一相负荷轻、一相负荷平均、一相负荷重的情况线损增加较大；两相负荷轻、一相负荷重的情况线损增加较小。采用三相四线制供电的配电网中，一般情况下中性线比三相线细，因此当三相负荷不平衡严重时，中性线零序电流过大，会造成中性线烧毁，影响电网的安全运行。

3、降低感应电动机输出有功功率。低压配电网三相负荷不平衡会引起三相电压不对称，通过变换，可将其处理成正序电压分量、负序电压分量和零序分量。对电动机而言，负序电压分量会形成与正序分量相反的旋转磁场，对电机产生制动作用，使得电机的输出功率减小。正反向旋转磁场的周期性作用导致转矩周期性脉动，从而引起电动机的发热和震动，长期如此运行，会降低电动机寿命。

4、其他影响。低压配电网长期处于三相负荷不平衡的情况下运行，除上述危害外还会产生其他危害，如引起以负序分量和零序分量为启动量的继电保护或自动化装置误动作；对通信系统产生干扰，影响通信质量等。因此必须着力解决低压配电网的三相负荷不平衡问题，以提高电能质量。

二、三相负荷不平衡的治理措施

三相负荷不平衡的治理主要从管理手段上和从技术方法上来采取措施：

1、通过管理手段来减少不平衡度，包括加强配电变压器的日常管理工作，及时跟踪测量三相电流的不平衡情况，当负荷不平衡情况严重时，及时调整线路所带负荷的分配比例。另外可以增加中性线截面使其接近或等于相线截面，以避免烧断中性线和造成中性线上电能损耗增大。

2、技术上的治理措施主要是通过相间无功补偿转移有功功率调整不平衡电流和采用换相装置切换负荷调整不平衡电流。但是这些方法都存在一定的局限性。随着电力电子技术的发展，有厂家研制出有源型三相负荷不平衡补偿装置，采用最新的电力电子变流技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术，是一种新型的三相负荷不平衡治理设备，补偿精度较高，并且同时具备无功功率补偿功能和谐波补偿功能，具有明显的技术优势。

3、负荷相序平衡法。负荷相序平衡法是指在不改变电网原有配电网结构的前提下，依靠人工手动换相或自动换相装置换相，将不平衡的负荷合理地平均分配到各相上，从而减小三相负荷不平衡度。负荷相序平衡可从源头上抑制三相负荷不平衡，降低线路损耗，而且其装置成本较低，在解决低压配电网三相负荷不平衡领域有较多应用。

4、相序平衡的优化算法。相序平衡优化算法是基于配电网的负荷信息，建立数学模型，并求解最佳负荷相序调整方案的算法。通过对各个用户的负荷情况进行检测，并将其投入合适的相别，则可实现低压配电网三相负荷的平衡。很多学者，通过对负荷特征的分析，建立了基于换相装置的数学模型，提出来如粒子群算法、遗传算法、模拟结晶算法、专家系统、生物地理学优化算法、免疫算法、模拟退火算法、模糊C均值聚类算法等。上述算法，主要是根据负荷的所在相别、负荷大小以及负荷的空间位置等信息，以三相负荷不平衡度、网络线损、换相次数等为目标函数或约束条件，建立数学模型。利用优化算法寻找最佳负荷配置方案，并通过换相装置来对负荷或线路进行换相调整，从而降低配电网的三相负荷不平衡度。

5、两种技术方案的特性对比。负荷补偿能够在不改变配电网结构和运行方式的情况下，对低压配电网三相负荷不平衡进行快速有效的抑制，同时还具备无功补偿以及谐波抑制等功能，在中高压场合中同样有效，是目前解决三相负荷不平衡的主要手段。但负荷补偿装置的设备成本高、维护成本大且对维护人员有一定的技术要求，因此在低压配电网，尤其是农村居民和城市楼宇住户供电领域，不具推广的经济性。负荷相序平衡是从负荷的角度来使配电网达到三相负荷平衡。通过建立低压配电网的负荷分配模型，并求解最佳负荷分配方案的优化算法已经相对成熟。与负荷补偿相比，其成本较低，简单有效，可有效降低线损以提高其经济性，从根本上解决低压配电网三相负荷不平衡问题。

结束语

由于低压配电网三相负荷不平衡会对电网的安全、稳定运行构成危害并降低电网的经济效益，对现有治理方案分“负荷补偿”和“相序平衡”两大类分别进行了较为全面的原理性介绍，并针对目前新出现的基于换相装置的负荷不平衡解决方案作详细介绍。最后指出研究适用于居民用户负荷的低成本换相装置是未来解决低压配电网三相负荷不平衡问题的重要研究方向。

参考文献：

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