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配变三相不平衡危害及其解决措施
摘要：配电变压器的三相不平衡运行在实际中是不可避免的，使配电变压器平衡运行是节能、提高电能质量的手段之一。文章定量地分析了配电变压器不平衡运行带来的损耗及三相电压偏差，并给出了针对这一状况所采取的补偿方法，算例及实际应用表明该补偿方法可明显减少配电变压器不平衡运行带来的损耗及电压偏差。 关键词：配电变压器三相不平衡；附加损耗；电压偏差；补偿方法；电力系统
1.引言
近年来，随着交流电弧炉、电力机车等不平衡负荷日益增多，供电系统的三相不平衡现象越来越严重。三相不平衡会引起电气设备的不正常运行、增大系统附加损耗、干扰通信系统等。电力系统中，线路、变压器、异步电动机等设备元件都要消耗无功功率，如果这部分无功功率得不到及时补偿，将造成大量的无功功率流动，就会增加电力系统的有功损耗，降低设备的利用率，影响输电能力，给电力系统运行的安全性、稳定性和经济性带来不利影响。我国城乡配电网中大量采用了三相四线制接线方式，且配电变压器为Y/Yno。接线，存在很多的
单相负载，因此配电变压器的三相不平衡运行是不可避免的。国标GB50052《供配电设计规范》、《变压器运行规程》中都规定了Y/Yno。接线的配电变压器运行时中线电流不能超过变压器相、线电流的25%，这是由变压器的结构所决定的。中线电流的增加会引起变压器损耗的增加，同时造成中性点电位的偏移。本文定量分析了这种影响，同时采用一种新的补偿方法减小了附加损耗与中性点电压的偏移。
2.配电变压器三相不平衡的危害分析
2.1对电能质量的影响
三相负载不对称运行对电能质量的影响主要体现在由于中性点电压漂移所引起的三相电压不对称方面。当三相负载不对称运行时，变压器二次侧的三相电流不对称，导致中性线出现零序电流，零序电流所感应出的电动势使二次侧电压不对称，出现中性点位移，如图1所示，图1中ＵＡ，ＵＢ，ＵＣ是三相对称电压。当三相对称运行时，中心点电压ＵＮ=0；当三相不对称运行时，Ｕ‘n≠0，Ｕ′Ｂ>Ｕ′Ｃ>Ｕ′Ａ；这时将出现三相电压不对称的电能质量问题。
图1中性点位移示意图
在现实生活中，由于三相负荷不平衡引起的中性线电流过大，导致中性线断线的事故时有发生。如图2所示，当中性线断线时，原来接在Ａ相的灯甲与接在Ｂ相的灯乙就串联在一起，380Ｖ的线电压ＵＡＢ就直接加在灯甲与灯乙上；根据串联分压的电工原理，电阻大的小功率电器所承受的电压大，则通过的电流就大，这样就会引起小功率的电器被烧毁。
图2中性线断线示意图
据统计，某供电公司2012年中由于中性线故障而烧坏用户家电15次，2013年中烧坏用户家电32次，根据居民用户家用电器损坏处理办法，供电部门要对其进行赔偿，这不仅给用户的正常生活造成麻烦，也给供电部门带来经济损失。
表1 2012，2013年间中性线故障烧坏家电统计
2.2 对线路损耗的影响
三相不对称运行时，Y/Yno接线方式配电变压器采用三铁心结构，其一次侧无零序电流，二次侧有零序电流，因此二次侧的电流全是励磁电流，产生的零序磁通不能在铁心闭合，需通过邮箱壁闭合，从而在铁箱等附件中发热产生铁损，大大增加了变压器的损耗。
2.3对变压器的影响
零序电流的产生是因为配电变压器运行时三相负载不对称，由于零序电流的大小与变压器电压的不对称度有关，三相电压不对称度越大，零序电流越大。零序电流若流过变压器内部，就会导致铁心出现零序磁通。配电变压器处于低压侧，而高压侧的零序电流为0，故无法通过高压零序磁通与低压零序磁通相抵消的方法来消除变压器内部的零序磁通，导致变压器的钢材部件通过大量的零序磁通。通常这些钢材部件不具备导磁的功能，同时由于磁滞现象和涡流损耗的存在，使钢材部件自身发热，导致变压器某些部位的温度上升过快，变压器因此消耗更多额外功耗。由配电变压器的原理可知，配电变压器的最大允许出力是由每一相的额定容量决定的。同时，配电变压器每一相的额定容量取决于其绕组的性能，而变压器的绕组结构是根据变压器三相负载平衡的运行工况设计的。假如配电变压器在三相负载失衡的情况下运行，必然有一相的负载较轻且剩余较多容量，直接导致配电变压器出力大量减少。因此得出结论，变压器的出力降低程度由三相负载运行时的失衡程度有关，具体关系表现为配变的出力会随着三相负载运行时的失衡程度的增大而降低。因此，配变在上述情况下运行时是无法输出额定容量的，导致变压器的备用容量同时减少，过载能力无法得到保证，所以配变极易出现单相过载。配变过载运行严重时会导致自身大量发热，可能会造成配变烧损。
3.治理措施
为进一步提高配变台区的供电可靠性，延长配变使用寿命，提高配变出力，降低台区设备故障率，提高电压合格率和降低台区线损，制定配电变压器三相不平衡综合治理措施，抑制配电变压器三相不平衡。治理措施主要从管理和技术两个方面着手。
3.1管理方面
配电变压器三相不平衡管理措施贯穿配变台区的规划设计、施工、验收和运维等四个环节。
1.规划设计环节
(1)加强新建配变台区负荷相序分配管理，配变台区在规划设计阶段，应严格审查用户申报资料，尤其是负荷大小和负荷性质，预测负荷增长趋势，做好用户数量、负荷大小、负荷性质、班次安排等统计分析工作，根据调研资料和数据，确定配变台区的布局位置和出线方式。
(2)建立负荷相序分配表，将各类用电性质的用户按照负荷大小均勻分配，从源头上抑制配电变压器三相不平衡。
(3)配变台区设计资料应包含配变一次接线图、低压400V线路的单线图和地理接线图和户变关系图。
2.施工环节
低压线路A、B、C三相相序标示清楚，相序按照规定的顺序排列，施工时严格按照用户负荷相序分配表执行，严禁私自改变用户接入相别。
3.验收环节
工程验收时依照用户负荷相序分配表，验收合格后相序分配表需存底备案，并移交至运维管理部门。
4.运行维护环节
运维部门应加强配变三相不平衡监测和相序调整工作，针对运行中三相不平衡超标的配变，定期开展人工换相工作，监测数据应包含三相电压、三相电流以及零线电流，数据应包含多个时刻的负荷数据，选取的监测时刻应具有代表性，反映出用户的负荷特征，通过对负荷数据进行优化决策计算，获得最佳换相调整方案。
(1)运行监测管理
加强配变运行监测管理，尤其是负荷高峰期，对负载率高的配变应缩短监测周期，避免配变因单相过载；针对三相不平衡配变，及时开展人工换相工作。
(2)台区变更管理
加强各级低压分接箱管理，统一配备锁具，避免私自搭接更改线路和调整相别，任何台区线路变更、负荷调整以及相序调整应工作都应统一归口管理，并在台区变更记录上备案。
(3)线损管理
由于配变三相不平衡运行状况直接影响台区线损，应当将台区线损指标分解到人，通过签订台区线损目标责任书，定期统计上报报台区线损等工作，加强台区线路考核和管理力度，进一步降低配变台区线损。
(4)电压合格率管理
由于配变三相不平衡运行状况直接影响台区电压合格率，应加强台区电压合格率监测工作，对电压监测设备、无功补偿装置加强巡视检查力度，合理调节配变分压档位，并做好相关的记录和设备台账管理工作。
3.2技术方面
目前配电变压器三相不平衡治理技术方面主要采用人工调整换相、三相不平衡补偿器和三相不平衡自动换相器。
3.2.1三相不平衡补偿器
配电变压器三相不平衡补偿器基于曲折接线变压器和无功分相补偿器，曲折接线变压器是一种三相绕组经过特殊方式连接而成的变压器，具有正序阻抗高，零序阻抗低等特点，可使零序电流经过曲折变压器而不再通过中性线，曲折接线变压器主要补偿中线电流。无功分相补偿器主要平衡相间电流，提高配电变压器的功率因素，改善电压质量。因此，若配变台区的用户负荷特征较复杂，由于单相用户负荷差异较大造成三相不平衡，中性线电流超过额定电流的25%和功率因数低于0.9等情况，考虑采用三相不平衡补偿器。中性线电流补偿器的主电路结构如图3，
图3中性线电流补偿器主电路结构图
由上原理图可知，该补偿装置是由整流器为逆变器提供直流电源。若直流环节的电压过高，容易带来开关应力过大和增加损耗的问题。此补偿装置可以通过控制曲折变压器的变比来实现调节直流环节电压的目的。另一方面，为了使补偿装置吸收有功功率后不至于直流电压过高，该补偿装置用可控开关替换二极管，这样使能量就能双向流动。
3.2.2三相不平衡自动换相器
三相不平衡自动换相器主要由主控制器和自动切换单元组成，主控制器采集三相电流和零线电流，计算出配电变压器不平衡度，根据变压器出口三相电流、零线电流，以及节点的接入相序和用户负载情况，通过配电变压器平衡控制策略，获取最佳相别切换方案。通过自动切换单元切换用户的相别，减小三相电流不平衡带来的危害，使电网平稳运行，提高供电质量。
4.结语
本文分析了产生三相不平衡的原因，并分析了由于三相不平衡所引起的电能质量问题对用户产生的影响，以及三相不平衡所带来的线路损耗问题。为解决三相不平衡所带来的问题。本文从管理和技术角度提出了平衡三相不平衡运行的技术措施，并介绍三相不平衡装置的工作机理。建议电力部门重视对三相不平衡问题进行治理，节能降损，提高供电质量。
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