降低配網(wǎng)三相不平衡運(yùn)行的線損

李文輝

摘 要：我國(guó)低壓配電系統(tǒng)大都采用三相四線制接線方式，由于單相負(fù)載的不均衡性等原因，造成配電變壓器處于三相不平衡運(yùn)行狀態(tài)。文章對(duì)配網(wǎng)三相不平衡運(yùn)行所帶來的配變損耗和線路損耗進(jìn)行分析，并針對(duì)低壓配網(wǎng)的三相不平衡問題提出了管理和技術(shù)上的治理措施。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)；三相不平衡；線損

中圖分類號(hào)：TM726.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）30-0089-02

降損節(jié)能是衡量和考核電力行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)營(yíng)管理水平的一項(xiàng)綜合性指標(biāo)。配網(wǎng)三相不平衡運(yùn)行會(huì)增加電能損耗，但由于這種損耗涉及的因素較多，且不易量化計(jì)算，很多人都認(rèn)為不平衡運(yùn)行產(chǎn)生的額外損耗較小，沒有引起足夠的重視。但事實(shí)并非如此。下面本文將對(duì)配網(wǎng)三相不平衡運(yùn)行產(chǎn)生損耗進(jìn)行分析。

1 造成三相不平衡的原因[1]

1.1 技術(shù)原因

正常情況下，各種單相負(fù)載（電燈、電扇、電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)等）連接在低壓電網(wǎng)中， 三相負(fù)載是不會(huì)對(duì)稱的。這是因?yàn)椋涸谶B接時(shí)，三相負(fù)載的分配很難做到平衡；各個(gè)單相負(fù)載的開停時(shí)間不會(huì)做到同時(shí)；在使用中每一相負(fù)載的增長(zhǎng)速度也不相同。

1.2 人為原因

在配變分臺(tái)、低壓線改造、增容等工作中，貪圖方便不均勻分布負(fù)載，造成偏相。

1.3 設(shè)備故障

故障等非正常情況下， 三相負(fù)載不對(duì)稱尤為嚴(yán)重，其原因有：配電變壓器高（低）壓側(cè)發(fā)生一相或兩相斷線、配電變壓器分接開關(guān)接觸不良或高（低）壓側(cè)接頭、繞組故障； 配電變壓器高（低）壓側(cè)一相或兩相熔斷器熔斷，電動(dòng)機(jī)繞組中有一相或兩相發(fā)生故障。

2 不平衡度的定義及最大限值[1]

2.1 不平衡度的定義

負(fù)荷電流不平衡度：

β=（Imax-Icp）/Icp×100%

式中，Imax為負(fù)荷最大一相的電流值；Icp為三相負(fù)荷完全平衡時(shí)的相電流值；Icp=（Ia+Ib+Ic）/3，Ia、Ib、Ic分別為A相、B相、C相的電流值。

2.2 不平衡度的最大限值

在三相四線制系統(tǒng)中， 三相負(fù)載不平衡度在電源側(cè)不得大于10%，在負(fù)載側(cè)不得大于20%。

只帶少量單相負(fù)荷的三相變壓器，也可通過零線電流值與額定電流的比例來衡量。在DL/T572《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》中規(guī)定： 接線組別Y/Yno的配電變壓器中性線的不平衡電流不得超過配電變壓器額定電流的25%。

3 三相不平衡對(duì)變壓器損耗的影響

3.1 配電變壓器運(yùn)行的現(xiàn)狀

配電變壓器作為電力系統(tǒng)和廣大企業(yè)用戶廣泛應(yīng)用的電氣設(shè)備，在電力輸送、分配和使用過程中發(fā)揮著核心作用，容量列在所有用電設(shè)備之首，其自身損耗也很大，在配網(wǎng)線損中配電變壓器損耗占了60%以上，降低變壓器損耗是降低電網(wǎng)線損的關(guān)鍵[2]。

三相電力變壓器是按對(duì)稱運(yùn)行設(shè)計(jì)。正常運(yùn)行時(shí)，變壓器一次側(cè)電源和二次側(cè)負(fù)荷均應(yīng)對(duì)稱。但我國(guó)城鄉(xiāng)配電網(wǎng)中大量采用了三相四線制接線方式，存在很多的單相負(fù)載，因此配電變壓器的三相不平衡運(yùn)行是不可避免的，在這種不對(duì)稱運(yùn)行工況下產(chǎn)生的附加損耗也是不容忽視的。

城郊供電所在4月份對(duì)管轄區(qū)域內(nèi)的960臺(tái)公用配變的負(fù)荷電流進(jìn)行了測(cè)量，電流測(cè)量采用調(diào)取計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法。從本次負(fù)荷測(cè)量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)有122臺(tái)配變處于不平衡運(yùn)行狀態(tài)，占公用配變總數(shù)的12.71%。這些不平衡運(yùn)行的配變會(huì)產(chǎn)生大量的損耗，增加線路線損。

通過對(duì)這些處于不平衡運(yùn)行狀態(tài)的變壓器從容量和不平衡度上分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，我們得出了兩個(gè)結(jié)論：①處于不平衡運(yùn)行狀態(tài)的變壓器的容量主要集中在500 kVA和630 kVA。由于高容量的變壓器所接的低壓用戶較多，用戶用電時(shí)間不統(tǒng)一，變壓器很容易就會(huì)處于不平衡運(yùn)行的狀態(tài)。同時(shí)容量較大的變壓器在不平衡運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗也較大，增加了線路的線損。②處于不平衡運(yùn)行狀態(tài)的變壓器的不平衡度主要集中在20%～30%之間，處于極度不平衡運(yùn)行狀態(tài)的公變較少。

3.2 三相不平衡運(yùn)行會(huì)增加變壓器損耗

陽江城區(qū)配網(wǎng)中變壓器主要采用的有D/Yn11、Y/Yno兩種接線方式，下面本文以Y/Yno接線方式的配電變壓器為例對(duì)配變不平衡運(yùn)行的損耗進(jìn)行分析。

3.2.1 不平衡運(yùn)行時(shí)繞組附加鐵損

Y/Yno 接線變壓器的零序電阻比正序電阻大得多。如250 kVA變壓器的零序電阻是正序電阻的15倍，因而零序電流產(chǎn)生的附加鐵損較大[2]。

零序電流附加的鐵損（單位kW）計(jì)算公式為：

P0=I20R0×10-3

當(dāng)零序電流較大時(shí)，零序電流會(huì)產(chǎn)生較大的鐵損。

3.2.2 不平衡運(yùn)行時(shí)繞組附加銅損[3]

配電變壓器三相不平衡運(yùn)行時(shí)三相繞組的總損耗（單位kW）可計(jì)算為：

Pf1=（I2a+I2b+I2c）R1×10-3

式中，Ia、Ib、Ic為三相負(fù)荷電流；Rl為變壓器二次側(cè)繞組電阻。

三相平衡時(shí)每相繞組電流為（Ia+Ib+Ic）/3，三相繞組總損耗為：Pf2=3[（Ia+Ib+Ic）/3]2×Rl×10-3

三相不平衡時(shí)帶來的附加損耗為：

ΔPf=Pf1-Pf2=（I2a+I2b+I2c）Rl×10-3-3[（Ia+Ib+Ic）/3]2×Rl×10-3=（Ia-Ib）2+（Ia-Ic）2+（Ib-Ic）2/3Rl×10-3

3.2.3 對(duì)變壓器不平衡運(yùn)行的實(shí)際附加損耗進(jìn)行分析

根據(jù)上文對(duì)變壓器不平衡運(yùn)行時(shí)的原理分析，我們以一臺(tái)型號(hào)為S11，容量為250 kVA ，變比為10 kV/0.4 kV，零序電阻R0=0.162 Ω，零序電抗X0=0.216 Ω，繞組電阻R1=0.0111 Ω的變壓器為例，探討變壓器三相不平衡運(yùn)行對(duì)變壓器損耗的影響。

假設(shè)此臺(tái)區(qū)某時(shí)刻三相電流為Ia=120 A、Ib=300 A、Ic=

300 A、I0=180 A。此變壓器的三相不平衡度為：

β=（Imax-Icp）/Icp×100%=（300-240）/240×100%=25%

根據(jù)上面的公式，可以得到：

①零序電流損耗功率：

P0=I20R0×10-3=1802×0.162×10-3=5.25 kW；

②附加銅損

ΔPf=（Ia-Ib）2+（Ia-Ic）2+（Ib-Ic）2/3×Rl×10-3

=（120-300）2+（120-300）2+（300-300）2/3×0.0111×10-3

=0.24 kW

③總損耗功率：P0+ΔPf=5.25+0.24=5.49 kW；

④一年內(nèi)損耗電量：5.49×8 760 kW·h=48 092 kW·h。

由上面的計(jì)算可以看出一臺(tái)處于不平衡運(yùn)行狀態(tài)的變壓器產(chǎn)生的額外損耗是非常大的。且變壓器的額外損耗會(huì)隨著容量的增大、負(fù)載率的增加和不平衡度的變大而變大。

4 三相不平衡運(yùn)行對(duì)線路損耗的影響

配網(wǎng)中由于單相負(fù)荷的存在，往往造成三相不平衡，結(jié)果不但引起相線損耗的增加，而且使中性線有電流通過，也產(chǎn)生了損耗，從而使線損大大增加。

假設(shè)某三相四線制線路總負(fù)荷為3I，相線電阻為R，中性線電阻為R（南方電網(wǎng)的線路中性線通常與相線相同），則三相平衡時(shí)線路功率損耗為：

Pb=3I2R

若三相不平衡，假設(shè)某相負(fù)荷為2I另兩相分別為0.5I，則中性線電流為：

比三相平衡時(shí)，功率損耗變?yōu)樵瓉淼?.25倍，可見三相不平衡增大線損是相當(dāng)顯著的。極端情況是，全部負(fù)荷由一相供電，功率損耗為（3I）2R×2=18I2R是三相平衡時(shí)的6倍[4]。

為便于量化研究三相不平衡運(yùn)行對(duì)損耗增加的關(guān)系，現(xiàn)引入功率損耗增量系數(shù)K：

K=Pund/Pb

式中，Pund為三相負(fù)荷不平衡時(shí)單位長(zhǎng)度線路上的功率損耗Pb為三相負(fù)荷平衡時(shí)單位長(zhǎng)度線路上的功率損耗當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時(shí)，不論何種負(fù)荷分配情況，電流不平衡度越大，線損增量也越大，則K值越大。為此在三相四線制的低壓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，應(yīng)經(jīng)常測(cè)量三相負(fù)荷并進(jìn)行調(diào)整，使之平衡，這是降損節(jié)能的一項(xiàng)有效措施，對(duì)于變壓器容量較大、負(fù)荷較多的城區(qū)配網(wǎng)來說，效果尤為顯著。

5 降低配網(wǎng)三相不平衡運(yùn)行的線損

5.1 在設(shè)計(jì)中綜合衡量負(fù)荷平衡分布

在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)時(shí)，要認(rèn)真采集數(shù)據(jù)，搞好用戶負(fù)荷調(diào)查與預(yù)測(cè)，認(rèn)真分析負(fù)荷的性質(zhì)，綜合考慮負(fù)荷大小、漏電情況、用戶用電等級(jí)，然后均衡地分配在三相上。在用戶進(jìn)行報(bào)裝和增容時(shí)，要根據(jù)三相負(fù)荷的情況進(jìn)行調(diào)整，避免增加線路的不平衡率。

5.2 加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)管理

陽江供電局目前已經(jīng)采用了配網(wǎng)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)，其中的配變監(jiān)測(cè)計(jì)量系統(tǒng)可以對(duì)公變的三相不平衡情況進(jìn)行輔助分析。由于在負(fù)荷較少、三相電流較小時(shí)，隨著三相負(fù)荷的少量變化，就可能導(dǎo)致不平衡度的劇烈變化。所以運(yùn)維人員要在負(fù)荷較大的時(shí)間段對(duì)配變監(jiān)測(cè)計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)變壓器三相電流的測(cè)量結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出處于不平衡運(yùn)行狀態(tài)的公變。并及時(shí)對(duì)不平衡度超過20%的公變負(fù)荷進(jìn)行跟蹤調(diào)整，使變壓器三相負(fù)荷達(dá)到平衡。

由于低壓負(fù)荷具有季節(jié)性變化較大的特點(diǎn)，所以在換季和負(fù)荷高峰期時(shí)，要重點(diǎn)對(duì)三相負(fù)荷情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在日常的工作中，也要加強(qiáng)對(duì)公變的管理，定期對(duì)公變的三相負(fù)荷進(jìn)行測(cè)定，建立對(duì)三相不平衡線路負(fù)荷調(diào)整的機(jī)制，將負(fù)荷調(diào)整工作常態(tài)化。對(duì)三相不平衡的線路要及時(shí)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整和轉(zhuǎn)移，使得線路負(fù)荷保持基本平衡的狀態(tài)。

5.3 加強(qiáng)無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)

對(duì)于三相不平衡系統(tǒng)，可采用對(duì)稱分量法將電流分解為正序電流、負(fù)序電流和零序電流，而三相平衡系統(tǒng)中只有正序電流，故只需補(bǔ)償負(fù)序電流和零序電流，就可以將不平衡的三相電流轉(zhuǎn)變成平衡的三相電流。采用星角混合接法的電容、電抗元件，可補(bǔ)償或大大減小零序電流與負(fù)序電流，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成基本平衡系統(tǒng)。

配網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)闹饕侄问遣⒙?lián)電容器。為了提高配網(wǎng)功率因數(shù)，加強(qiáng)就地平衡補(bǔ)償，一方面應(yīng)加強(qiáng)用戶的無功管理，提高用戶的功率因數(shù)，加強(qiáng)用戶的就地平衡補(bǔ)償；另一方面，應(yīng)根據(jù)配網(wǎng)的實(shí)際情況，采取電容分散補(bǔ)償（在用戶側(cè)）與集中補(bǔ)償（在變電站內(nèi)）相結(jié)合、高壓補(bǔ)償與低壓補(bǔ)償相結(jié)合的方法，進(jìn)行無功的就地補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程力.低壓配電網(wǎng)三相不平衡的危害及消除措施[A].第四屆用電技術(shù) 專業(yè)委員2001年年會(huì)論文集[C].2001：67

[2] 黃其勵(lì)，高元楷，王世楨，等.電力工程師手冊(cè)電氣卷[M].北京：中國(guó)電力 出版社，2000.