三相不平衡治理方法与措施的分析

杨倩华

【摘要】：在配电网中的电能质量日趋严重，其中三相不平衡是影响电网质量的重点，三相负载不平衡将导致增加变压器损耗、增加线路损耗;将导致配变出力减小，降低了配变利用率、变压器发热;严重时甚至会烧毁变压器以及导致过压、低压，影响用电设备的正常工作。分析研究治理方法，探索解决不正常三相不平衡成为行业努力的重点。本文通过分析三相不平衡的治理方法，为大家在三相不平衡治理方面推荐实用的治理方法。

【关键词】： 三相不平衡、SVG、转换开关、SVC、电力电子

引言：随着国民经济的发展，电力行业作为先行者，配网的发展尤为迅速，呈现出低压配电网点多面广、结构复杂、负荷性质多样、负荷变化波动大的特点。而在生产、生活用电中，常存在大量单相、不对称、非线性、冲击性负荷，使得配电系统的三相不平衡，而给配电变压器、台区线路等设备、设施的性能及使用寿命造成严重的影响，甚至会导致变压器烧毁。因此探索配电系统三相不平衡带来的故障危害，研究三相不平衡的治理方法从而提高配网运行稳定性和减少电能消耗有着实质的价值。

1、三相不平衡的原因

配电网三相不平衡是几乎所有电力电网配电台区普遍存在的一种电能质量问题。低压配电网是近年来国家投资的重点方向之一，低压配电网的电能质量治理问题是提高配电网可靠性的保障。分析导致配电网三相不平衡的原因有以下几点：1）用电负荷的不断变化。城市的快速改造迁建，导致用电负荷的区域变化性大，且临时用电和季节性用电的不稳定性，在总量上和时间上的不确定和不集中性，使得各相用电的负荷不能平衡变化。2）单相负荷导致的三相不平衡及设备利用率降低问题。尤其是新型出现的大功率单相负载（如：储能变流器、充电桩）接入配电网之后，产生三相不平衡问题。3）电网侧接入不同的滤波电路，增加电网的容性特性。大多数电力电子产品都会有高频滤波电路的设计。4）三相负荷的不合理分配。我国的大多数电路都是动力和照明混为一体的，所以在使用单相的用电设备时，用电的效率就会降低，这样的差异进一步加剧了配电变压器三相负荷的不平衡状况。5）分布式能源介入。比如分布式光伏、光伏逆变器会有一些谐波畸变。6）冲击性的负荷增多。电功率电机设备的启停，造成不平衡程度加剧;7）对于配变负荷的监视力度的削弱。在配电网的管理上，经常会忽略三相负荷分配中的管理问题。在配电网的检测上，对配电变压器的三相负荷也没有进行定期的检测和调整。

2、三相不平衡带来的危害

在中低配电网中，三相负荷由于是随机变化的，因此，一般是不平衡的。三相不平衡会导致供电点三相电压、电流的不平衡，进而增加线路损耗，同时会对配电网供用电设备设施运行产生不利的影响。具体危害表现如下：

2.1增加配电变压器的电能损耗

配电变压器是低压电网的供电主设备，当其在三相负载不平衡工况下运行时，将会造成配变损耗的增加。因为配变的功率损耗是随负载的不平衡度而变化的。

2.2增加线路的电能损耗

在三相四线制供电网络中，电流通过线路导线时，因存在阻抗必将产生电能损耗，其损耗与通过电流的平方成正比。当低压电网以三相四线制供电时，由于有单相负载存在，造成三相负载不平衡在所难免。当三相负载不平衡运行时，中性线即有电流通过。这样不但相线有损耗，而且中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗

2.3配变出力减少

配变设计时，其绕组结构是按负载平衡运行工况设计的，其绕组性能基本一致，各相额定容量相等。配变的最大允许出力要受到每相额定容量的限制。假如当配变处于三相负载不平衡工况下运行，负载轻的一相就有富余容量，从而使配变的出力减少。其出力减少程度与三相负载的不平衡度有关。三相负载不平衡越大，配变出力减少越多。为此，配变在三相负载不平衡时运行，其输出的容量就无法达到额定值，其备用容量亦相应减少，过载能力也降低。

2.4影响用电设备的安全运行

配变是根据三相负载平衡运行工况设计的，其每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。当配变在三相负载平衡时运行，其三相电流基本相等，配变内部每相压降也基本相同，则配变输出的三相电压也是平衡的。假如配变在三相负载不平衡时运行，其各相输出电流就不相等，其配变内部三相压降就不相等，这必将导致配变输出电压三相不平衡。同时，配变在三相負载不平衡时运行，三相输出电流不一样，而中性线就会有电流通过。因而使中性线产生阻抗压降，从而导致中性点漂移，致使各相相电压发生变化。

2.5电动机效率降低

配变在三相负载不平衡工况下运行，将引起输出电压三相不平衡。由于不平衡电压存在着正序、负序、零序三个电压分量，当这种不平衡的电压输入电动机后，负序电压产生旋转磁场与正序电压产生的旋转磁场相反，起到制动作用。但由于正序磁场比负序磁场要强得多，电动机仍按正序磁场方向转动。而由于负序磁场的制动作用，必将引起电动机输出功率减少，从而导致电动机效率降低。

3、三相不平衡治理方法与措施

3.1三相不平衡治理方法

根据不平衡电流补偿原理，在任何一个可以确定的时刻，主要出现了三相不接地的不平衡负载，那么每一个相负载都可以同一个电阻和电容形成并联的形式。因此，以将不同性质符合的等效进行分析，确定相间和相对地的无功补偿量。实际应用中主要有以下治理方法：

1）动态电压恢复器DVR。DVR是一种采用电力电子技术实现的电压补偿装置，能够对谐波、闪变、不对称等多种电压电能质量问题进行治理。线电压补偿型DVR的工作原理如下：利用测量电路测量系统侧的电压，经过调理电路将其整形，数字信号处理器（DSP）读入数据并根据补偿策略产生补偿指令，通过驱动电路控制逆变器的IGBT开关动作，产生脉宽调制（PWM）波，最后由LC滤波器滤除高次谐波，从而在串联变压器上产生补偿电压。DVR能在输电线路和敏感负荷之间播入一个任意幅值、相位和形状的电压波形，可以根据网侧电压的需要，改变其发出的波形，使敏感负荷的供电电压恢复到理想水平，保障用户端的供电质量。

2）无功补偿器SVC。SVC是一种静止的并联无功发生或者吸收装置，通过控制与电抗器或电容器串联的晶闸管导通角来调节系统无功功率输出， SVC可以被看成是一个动态的无功源。根据接入电网的需求，它可以向电网提供容性无功，也可以吸收电网多余的感性无功，把电容器组通常是以滤波器组接入电网，就可以向电网提供无功，当电网并不需要太多的无功时，这些多余的容性无功，就由一个并联的电抗器来吸收。电抗器电流是由一个可控硅阀组控制，借助于对可控硅触发相角的调整，就可以改变流过电抗器的电流有效值，从而保证SVC在电网接入点的无功量正好能将该点电压稳定在规定范围内，

3）换相开关型三相负荷自动调节。该装置是由一个智能换相终端和若干个换相开关单元组成。智能换相终端实时监测配变低压出线的三相电流，如果在一定监测周期内配变低压侧三相负荷不平衡度超限，智能换相终端读取配变低压出线和所有换相开关单元各负荷支路的电流、相序实时数据，进行优化计算，发出最优换相控制指令，各换相开关单元按照规定换相流程执行换相操作，实现用户负荷相序调整、配电台区三相负荷均衡分配

4）无功发生器SVG。SVG是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，主要由储能装置.逆变器、无源滤波器、电抗器等组成，SVG可等效为一个可控电压源，通过调节电压源电压福直和相位，调节流过连接电抗的电流大小和相位，从而控制从电网吸收或发送无功功率大小。SVG以大功率电压型逆变器为核心，通过调节逆变器输出电压的幅值和相位，或者直接控制交流侧电流的幅值和相位，迅速吸收或发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功功率的目的。SVG可以对系统的谐波、不平衡等电能质量问题进行多功能综合补偿，实现有源滤波的功能。SVG开启后，通过外接电流互感器（CT） 实时检测系统电流，并将系统电流信息发送给内部控制器进行处理分析，以判断系统是否处于不平衡状态，同时计算出达到平衡状态时各相房而转换的电流值，然后将信号发送给内部IGBT井驱动其动作，将不平衡电流从电流大的相转移到电流小的相，最后达到三相平衡状态。

5）“SVG+换相开关”。 “SVG+换相开关”混合型补偿装置用于治理低压配电台区三相不平衡，能快速准确的检测低压配电系统的三相不平衡问题，通过换相开关实时不停电粗略调整单相负荷，SVG精细调节模式，使台区三相负荷处于相对平衡的状态。可有效降低變压器、线路损耗，抑制单相过流、末端低电压等情况发生，解除了三相不平衡带来的众多隐患。具体形式可由一台SVG模块和多台换相开关组成。SVG模块是集采样、运算、通讯、人机交互、智能组网、平衡逻辑算法于一体的智能控制、补偿装置。而换相开关则是集采样、运算、通信、相序切换功能于一体的智能投切装置，换相开关采用过零投切技术，以将投切对动作元件及用电设备的损伤降到最小。过零投切技术基于“电流过零切除，电压过零投入”的原则，可以达到冲击极小、电弧极小的效果。在配变变压器的出口处设置SVG模块，负责监测三相不平衡信息，并下发调节命令，支路沿用户前端安装若干台换相开关，换相开关可监测自身带载回路的负荷信息，并根据SVG模块下发的换相命令进行相应换相操作。若三相不平衡仍然存在，可通过SVG进行微调模式实现三相绝对平衡。

在上述三相电压不平衡问题的治理中，DVR ， SVC ，换相开关，SVG、SVG+换相开关等方法都可以实现电能质量治理目的。经过比较可以确认“SVG+换相开关”可从根本上解决台区实际负荷分配的问题，是解决三相不平衡较好的方式。具体既能解决线路不平衡、负载侧不平衡、也能解决配电台区侧不平衡损耗低谐波和无功治理。

3.2三相不平衡解决措施

1）注重规划，合理设计。，尤其避免在低压配电网中出现头痛医头，脚痛医脚的局面，在配电网建设和改造当中对低压台区进行合理的分区分片供电，配变布点尽量接近负荷中心，配电网络的设计建设容量分配必须合理。

2）争取低压集束导线供电。在对采用低压三相四线制供电的地区，要积极争取对有条件的配电台区采用3芯或者4芯电缆或者用低压集束导线供电至用户端，这样可以在低压线路施工中最大程度的避免三相负荷出现偏相的出现。

3）多点接地，降低零线电能损耗。在低压配电网零线采用多点接地，降低零线电能损耗。目前由于三相负荷的分布不平衡，导致了零线出现电流，按照规程要求零线电流不得超过相线电流的25% ，在实际运行当中，由于零线导线截面较细，电阻值较相同长度的相线大，零线电流过大在导线上也会造成一定比例的电能损耗，所以建议在低压配电网公用主零线采用多点接地，降低零线电能损耗。

4、结论

三相不平衡问题是现在电网治理保证电能质量的重点指标，电力管理部尤其重视。国家技术监督局共颁布了6项最新的电能质量国家标准：《电能质量电压波动与闪变》、《电能质量供电电压允许偏差》、《电能质量公用电网谐波》、《电能质量三相电压允许不平衡度》、《电能质量电力系统频率允许偏差》、《电能质量暂态过电压和瞬态过电压》。家发改委下发了《关于加快配电网建设改造的指导意见》，要求加快配电网建设，重视电能质量的治理。所以要求各级电力工作者从规划、设计、生产等各个环节都要注重三相不平衡的治理，在治理方法与投资上做平衡，并重视具体的措施，通过努力必能治理好三相不平衡的电网污染。

参考文献

[1]周恒逸，齐飞，毛柳明，叶会生，段绪金，万代.基于SVG调节配变三相不平衡电流的应用研究 [J].高压，2016年5月16日.