三相不平衡造成的台区电能损耗分析

张晓毅，贺惠民，李胜杰，赵文广

（1.国网冀北节能服务有限公司，北京100045；2.国网山东茌平电力公司，山东茌平252100；3.华电智网（天津）科技有限公司，天津300010）

三相不平衡造成的台区电能损耗分析

张晓毅1，贺惠民1，李胜杰2，赵文广3

（1.国网冀北节能服务有限公司，北京100045；2.国网山东茌平电力公司，山东茌平252100；3.华电智网（天津）科技有限公司，天津300010）

1 三相不平衡的危害

对于台区三相供电的系统而言,三相电流不平衡是通过三相电流不平衡度来衡量的。三相电流不平衡度即三相电流不平衡的程度,通常用符号β来表示,按照《架空配电线路及设备运行规程》(SD 292—1988）中的计算方法,三相电流不平衡度的计算公式为

式中：Imax与Imin分别是三相电流中的最大值和最小值,A。

三相负荷不平衡,轻则降低线路和配电变压器的供电效率,重则会因重负荷相超载过多,可能造成某相导线烧断、开关烧坏甚至配电变压器单相烧毁等严重后果。

三相负荷严重不对称,中性点电位就会发生偏移,线路压降和功率损失就会大大增加。接在重负荷相的单相用户易出现电压偏低,致使电灯不亮、电器效能降低、小水泵易烧毁等问题。而接在轻负荷相的单相用户易出现电压偏高,可能造成电器绝缘击穿、缩短电器使用寿命或损坏电器。对动力用户来说,三相电压不平衡会引起电机过热现象。

三相负荷不平衡将产生不平衡电压,加大电压偏移,增大中性线电流,从而增大线路损耗。运行中的配变若存在零序电流,则其铁芯中将产生零序磁通。(高压侧没有零序电流）这迫使零序磁通只能以油箱壁及钢构件作为通道通过,而钢构件的导磁率较低,零序电流通过钢构件时,即要产生磁滞和涡流损耗,从而使配变的钢构件局部温度升高发热。配变的绕组绝缘因过热而加快老化,导致设备寿命降低。

只有三相阻抗平衡,才能保证低压漏电总保护良好运行,防止人身触电伤亡事故。

2 相关规定

根据国家电网公司运检部《关于印发配网“低电压”治理典型示范》(运检三7号）中第4.6条以及5.4.8的规定要求：

“4.6按月开展配变负荷监测工作,迎峰度夏、春节保供电等负荷高峰期应每日监测。对于出口电流不平衡度超过15%且负载率大于60%的配变,应调整三相负荷平衡。”

“5.4.8对于出口电流不平衡度超过15%、负载率大于60%的且通过管理措施难以调整的配变台区,可加装三相不平衡自动调节装置。”

按照中华人民共和国电力行业标准《配电变压器运行规程》(DL/T 1102—2009）及国家标准《供配电系统设计规范》(GB 50052—2009）中的相关规定,当配电变压器的三相负载不平衡时,应监测其最大相的电流。对于接线方式为Yyn0(或YNyn0）的配电变压器,中性线电流的允许值为额定电流的25%;对于接线方式为Yzn11(或YNzn11）的配电变压器,中性线电流的允许值分别为额定电流(相电流）的40%,或按制造厂的规定。

在《架空配电线路及设备运行规程》(SD 292—1988）中规定,变压器的三相负荷应力求平衡,三相负荷不平衡度不应大于15%,只带少量单相负荷的三相变压器,中性线电流不应超过额定电流的25%。其中“只带少量单相负荷”是指变压器的负荷很小或者专用变压器的正常负荷停用后,只有单相照明负荷,为了减少线路投资和便于控制,允许零线电流在不超过额定电流的25%情况下运行。

3 三相不平衡时造成的系统损耗分析

下面假设功率因数cosφ为1,简要分析如下。

(1）单相供电时的功率损耗(即负荷接在一相上）如图1所示。

图1 单相供电时的功率损耗

图1中I为总负荷电流,R为单根导线的电阻,功率损耗为ΔP,下同。

(2）两相供电时的功率损耗如图2所示。

图2 两相供电时的功率损耗

图2中性线的电流为两相电流的矢量和。

(3）三相四线制供电的功率损耗(即按照负荷平均接在三根相线上分析）如图3所示。

图3 三相四线制供电的功率损耗

(4）三相电流不平衡时的附加损耗。一般情况下,三相四线制负荷通常是不平衡的,此时的损耗比平衡时多出的部分,称为附加损耗,如式(1）所示

三相电流不平衡度越大,则附加损耗也越大。中性线电流越大,中性线截面越小,其损耗均会越大。

(5）负荷分布对低压线损的影响分析。若用电负荷集中于低压线路的末端,假定该供电方式下的分布系数h=1,则对于均匀分布负荷,其分布系数h=0.33,即其线路损耗是集中末端方式下线路损耗的1/3,减少损耗2/3;对于递减分布负荷,其分布系数h=0.20;对于递增分布负荷,其分布系数h=0.53。

可见,同样的用电设备、同样的负荷,在低压线路分布均衡程度不同,其电能损耗就大不一样。

通过上述典型情况分析可知,三相负荷电流不平衡超标对配电网综合线损影响非常大。目前城乡居民用电负荷的高速增长,单相负荷已成为电力负荷的主要方面,在低压线路三相四线制方式下,若不能实时监测三相负荷电流的超标程度、不能够及时地实施动态治理三相不平衡现象,线路的综合线损会增加2～4倍。

4 三相不平衡系统损耗仿真分析

针对电力配网系统三相不平衡对于线路损耗以及变压器损耗的影响,系统作如下仿真,得到三相不平衡对于线路损耗和变压器损耗的影响的定量关系。

假定变压器为315 kVA,10/0.4 kV,短路阻抗(%）4,变压器输入的电压为10 kV,负载率为60%,低压线路的导线截面为50 mm2,供电半径为1 km,不平衡度分别为0%、15%、25%、35%、50%、60%、70%的前提下,分别得到变压器以及线路损耗的差异性,总结归纳,进一步得到定量的表达关系。

关于不平衡度的定义说明如下：IB电流为参照值(按照60%负载率,平衡情况下的电流值）,主要的不平衡是由于IA、IC电流的不平衡造成系统的三相不平衡系统。不平衡度η为

根据低压架空导线关系,两两导线之间的距离为0.5m,结合以上导线的线径以及导线长度,可以运算得到导线的电阻以及电抗为R=0.095 Ω;L=0.12 mH。

10 kV架空导线关系,两两导线之间的距离为0.7m,结合导线的线径以及导线长度,可以运算得到导线的电阻以及电抗为Ra=1.05857Ω;La=0.2316mH。

将以上得到的参数代入仿真模型系统进行计算。

(1）不平衡度为0%时

仿真结果如下。

负载功率为48.677 kW×3=146.031 kW;线损为56.699 kW×3-146.031 kW=20.066 kW;总线损即为20.066kW;变压器损耗为56.329 kW×3-166.097 kW= 2.89 kW。

(2）不平衡度为15%时

仿真结果如下。

负载功率为55.15 kW+49.54 kW+50.94 kW= 155.63 kW;线损为65.76 kW+56.26 kW+57.89 kW+ 1.77 kW-155.63 kW=24.357 kW(三相）;零线损耗为27.51×64.34 kW/1 000=1.77 kW;总线损为24.357 kW+ 1.77 kW=26.127 kW;变压器损耗为62.49 kW+ 63.32 kW+60.14 kW-181.76 kW=4.19 kW。

(3）不平衡度为25%时

仿真结果如下。

负载功率为57.79 kW+53.18 kW+49.22 kW= 160.19 kW;线损为68.44 kW+61.99 kW+53.85 kW+ 2.233 kW-160.19 kW=26.323 kW;零线损耗为48.25× 46.30 kW/1 000=2.233 kW;总线损为26.323 kW+ 2.233 kW=28.556kW;变压器损耗为64.32 kW+ 67.55 kW+60.23 kW-186.51 kW=5.89 kW。

(4）不平衡度为35%时

仿真结果如下。

负载功率为59.40 kW+53.07 kW+46.76 kW= 159.23 kW;线损为71.62 kW+60.99 kW+51.833 kW +3.822 kW-159.23 kW=29.04 kW;零线损耗为71.53× 52.62 kW/1 000=3.822 kW;总线损为29.04 kW+ 3.822 kW=32.862 kW;变压器损耗为65.66 kW+ 70.66 kW+57.82 kW-188.28 kW=6.79 kW。

(5）不平衡度为50%时

仿真结果如下。

负载功率为61.98 kW+52.61 kW+41.54 kW= 156.13 kW;线损为77.10 kW+60.64 kW+45.03 kW+ 4.28 kW-156.13 kW=30.92 kW;零线损耗为112× 38.21kW/1000=4.28kW;总线损为30.92kW+4.28kW= 35.2kW;变压器损耗为65.18kW+75.33kW+54.22kW-187.05 kW=7.68 kW。

(6）不平衡度为60%时

仿真结果如下。

负载功率为64.01 kW+52.47 kW+37.40 kW= 153.88 kW;线损为81.61 kW+60.61 kW+38.72 kW+ 5.11 kW-153.88 kW=32.17 kW;零线损耗143.7× 35.52kW/1000=5.11kW;总线损为32.17kW+5.11kW= 37.28 kW;变压器损耗为63.26 kW+77.33 kW+ 53.95 kW-186.05 kW=8.49 kW。

(7）不平衡度为70%时

仿真结果如下。

负载功率为65.90 kW+52.17 kW+31.72 kW= 149.79 kW;线损为86.43 kW+60.36 kW+31.64 kW+ 6.712 kW-149.79 kW=35.35kW;零线损耗为180× 18.4 kW/1 000=6.712 kW;总线损为35.35 kW+6.712 kW=42.062 kW;变压器损耗为61.69 kW+82.66 kW+ 50.57 kW-185.14 kW=9.79 kW。

根据以上的仿真结果,可以看到,随着不平衡度的变化,变压器损耗以及线损的变化如表1所示。

表1 不平衡度及变压器损耗、线损关系

5 结束语

根据以上仿真计算分析,电力配网系统由于三相不平衡所造成的电力损耗在不平衡度70%时,损耗率达到了23.90%。因此,通过治理三相不平衡问题,将产生非常明显的节电效果,具有良好的经济效益和社会效益。D

（本栏责任编辑 孙晶）

Study on power loss caused by three phase imbalance

ZHANG Xiao⁃yi1,HE Hui⁃min1,LI Sheng⁃jie2,ZHAO Wen⁃guang3
(1.State Grid North Hebei Energy Service Co.,Ltd.,Beijing 100045,China;2.State Grid Shandong Chiping Electric Power Company,Chiping 252100,China;3.Huadian Intelligence Network(Tianjin)Technology Co.,Ltd., Tianjin 300010,China）

分析三相不平衡对台区供电造成的危害,重点仿真分析了不平衡时线路的损耗、变压器的损耗,给出了不同不平衡度时系统的电能损耗,提出治理三相不平衡的相关方法和措施。

三相不平衡;台区;电能损耗

In this paper,the transformer area damage from the imbalanced three⁃phase power supply is analyzcd.It focuses on the simulation analysis of the imbalanced line loss and the wastage of the transformer.The power loss of the system is given with different degree of imbalance.The methods and measures are put forward to govern the three⁃phase imbalance

three⁃phaseimbalance;transformerarea;powerloss

1009-1831（2017）02-0036-03

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.02.009

TM714.3

C

2016-10-11；

2016-11-01