配电网三相不平衡危害分析及优化措施

陆柏羽 章 忠 田 权

（国网泰顺县供电公司，浙江温州325500）

0 引言

随着社会发展和经济水平提高，电能的作用日益重要，无论是企业生产还是居民生活都离不开电能。居民负荷的增加和电力电子技术的发展，使电力负荷的构成出现了新的变化。非线性负荷、冲击性负荷及单相负荷的接入，进一步加剧了配电网三相不平衡等电能质量问题，并对电网的安全稳定运行造成威胁。近年来，对于配电网三相不平衡进行研究和优化，逐渐成为配电网优化的重要课题之一[1]。

1 配电网三相不平衡现状

配电网三相不平衡分为正常性不平衡和事故性不平衡[2]，本文主要对正常性不平衡进行分析研究。

我国配电网供电方式主要为三相四线制，配电变压器接线多采用Y/yn0型。理想供电方式下，三相负荷均衡分配，变压器对称运行，但实际上配电网中存在大量的冲击性、非线性负荷，这些负荷会向系统注入大量谐波，引起闪变、电压波动和三相不平衡等。低压配电网中居民多为单相负荷，具有网络复杂、负荷性质多样（感性、容性、阻性）、同时性差、变化大等特点，这些负荷很难均衡分配以保持三相平衡。故配电网实际运行中很难达到绝对的平衡，大多数情况下处于三相不平衡运行状态。

2 配电网三相不平衡运行的危害

配电网络理想状态下三相电压、电流具有相同的幅值，且相位差均为120°。实际运行中总是存在不同程度的指标偏离，国家标准允许存在一定的偏差。三相不平衡是指三相电压或电流中含有负序、零序分量，导致三相电压或电流的波形不再是标准正弦波，相位差也不是120°，零线上出现零序电流等。根据相关规定，配电变压器低压三相负荷不平衡率应≤15%[3]，中性线电流允许值为额定电流的25%[4]。三相不平衡将影响电能质量，严重时甚至会危及人身、设备安全。三相不平衡危害主要体现在以下几方面：

（1）造成配电变压器和线路损坏。

当三相不平衡时，若负载达到变压器额定容量，负载最重一相将超过该相额定容量，则变压器将超负荷运行，造成变压器温度升高、绝缘加速老化等，严重超负荷运行甚至会烧毁变压器；三相不平衡时，中性线上将出现零序电流，一方面电流过大超出承载能力会烧毁中性线，另一方面零序电流在变压器低压侧会产生零序磁通，该磁通无法耦合到高压侧，只有通过变压器外壳、铁芯、夹件等以热能形式散掉，从而导致变压器发热及绝缘油升温等，将影响变压器寿命，给安全运行带来隐患。

当三相不平衡运行时，零线（中性线）上将流过零序电流，正常设计零线线径小于相线线径。当电流过大时，零线会严重发热，引起火灾甚至被烧断，同时一些用电设备电压可能由相电压变成线电压，造成设备因过压损坏。

（2）降低配电网容量利用率，增加线损。

三相不平衡运行时，当负载最重一相达到额定容量时，该变压器就属于满负荷运行，但其余两相未达到额定容量，这就造成了配电网容量利用率降低。

三相不平衡运行时，由于存在零序、负序电流，变压器铜耗、铁耗将增加，零线因存在阻抗，会使零线上损耗增加，且损耗与零序电流平方成正比。

（3）损坏配电、用电设备，引起保护元件误动作，影响用户安全用电，增加用户投诉量。

三相不平衡运行时，单相过载等不仅会造成变压器过载、损坏，还会造成线路开关跳闸、线路烧毁等；有些保护采用电压、电流的负序、零序分量作为启动条件，而三相不平衡运行产生的负序、零序分量可能会使该保护误动作；另外，旋转电机因负序、零序电压分量存在，不仅出力会减少，还会出现发热、振动等现象；零序电流会使零线上产生压降，该电压叠加至三相端电压上，将造成三相电压不对称，使中性点发生漂移，重载相电压会降低更多，而轻载相电压会抬升，电压升高不仅会造成配电线路及设备绝缘击穿，还影响用户的安全用电。

三相不平衡造成的电能质量降低、设备损坏、非正常停电、用电安全等问题，还会使用户对供电部门服务不满，增加用户投诉量。

3 配电网三相不平衡优化措施

配电网三相不平衡优化措施主要包括管理和技术两个方面。管理方面主要包括供电企业重视三相负荷平衡度，将三相不平衡纳入经济考核指标，建立健全规章制度，制定考核和奖惩标准，调动员工积极性等措施。技术方面主要采取以下措施：

3.1 加强负荷监测及负荷调整

负荷监测方法有：

（1）采用人工方法对配电网线路进行不定期监测；

（2）采用三相电流平衡分析仪进行监测；

（3）通过配网自动化及计量系统提取信息进行监测。

通过监测结果对配网中三相不平衡负荷进行优化调整，考虑负荷的同时性、多样性，按照从末级向上级的顺序调整，保证从线路末端、分开关至配电变压器出口都达到负荷的平衡，且尽量减小配电线路供电半径。

3.2 通过加装跨接电容器进行补偿

在相线之间跨接三角形接线方式电容器和相线与地线之间跨接星形接线方式电容器，通过控制各个电容器的投切，利用负荷中的感性负载，实现无功补偿的同时，对有功电流进行相间转移，进而达到平衡三相负荷的目的[5]。

3.3 加装三相不平衡自动调整装置

三相不平衡自动调整装置有以下几种：在负荷末端加装自动换相装置，通过监测各负荷电流及变压器出线端电流、电压，由集中控制器进行分析、判断，下达换相指令，进行自动换相，使三相负荷达到新的平衡；在三相线路中加装由电抗器、电容器和电力电子器件组成的全电力电子自动调整装置，通过监测线路中三相电流、电压参数，由控制器进行分析、判断，然后发送指令给装置内部的IGBT装置，控制各相电容、电抗器的通断，进而起到无功补偿和有功电流转移的作用，使三相线路达到新的平衡。

4 总结与展望

通过分析三相负荷不平衡的危害，本文提出了优化措施，得到了如下结论：对于三相不平衡优化，需采取管理与技术相结合的措施。在技术方面，措施一具有测量设备操作简单、投资低的优点，但需要专业人员进行计算、优化方案，且需停电进行人工换相，安全性相对较差；措施二具有自动进行无功补偿和调整负荷不平衡能力，投资适中，但限于配电网架构特点，有功电流转移能力有限；措施三可全容量自动调整三相不平衡负荷，且具有无功补偿能力，但其设备安装复杂、投资大。

在实际应用中，需根据各配电网的特点和重要性，经过经济、技术比较后，选择合适的优化措施。随着电力电子技术的发展，相信在不久的将来，措施三中的技术会越来越成熟，且随着设备的大量应用其成本也会越来越低。

［参考文献］

[1]吕行.低压三相不平衡调补装置的研究和设计[D].大连：大连理工大学，2014.

[2]何伟刚.浅析低压台区三相不平衡原因及对策[J].科技视界，2017（9）：105.

[3]电能质量 三相电压不平衡：GB/T15543—2008[S].

[4]配电变压器运行规程：DL/T1102—2009[S].

[5]林志雄，陈岩，蔡金锭，等.低压配电网三相不平衡运行的影响及治理措施[J].电力科学与技术学报，2009，24（3）：63-67.