一种基于IGBT智能型三相不平衡治理装置应用于配电变压器治理的分析与总结

云南电网有限责任公司红河供电局 李 虹

配电网直接面向用户，是保证供电质量、提高电网运行效率、创新用户服务的关键环节。近年来各电网公司不断加大配电网投入，据统计南方电网公司配电线路及设备资产原值已占其资产原值28%，其中配电变压器数量达60余万台。配电变压器的运行工况很大程度上影响配网安全及用户用电质量，三相负荷不平衡(下称三相不平衡)是配电变压器运行中面临的一个普遍性问题，且通过管理手段较难解决，而配变三相不平衡造成设备损坏、损耗增加、用户电压质量低等诸多问题，各供电单位每年配电变压器负荷调整需付出大量人力物力。文献[1]分析和总结农村配电变压器三相负荷不平衡原因及常用措施；文献[2]以降低配电网的总体三相不平衡度为优化目标，利用图论代数连通度理论对辐射状网络拓扑约束条件进行快速求解，该方法难以解决局部配电变压器三相不平衡问题；文献[3]提出了基于dq 变换的补偿算法，但未给出工程应用效果。

1 配电变压器三相不平衡现状及问题

配电变压器三相不平衡严重性：作者对云南电网某地区的配电变压器三相不平衡度情况开展调查统计如下：公用配电变压器三相不平衡度超过80%配电变压器数量占公用配变总数的8%；而三相不平衡度分布在50%～80%的配电变压器占比达15%，不平衡度在30%～50%的配电变压器最多，具体为32%；不平衡度在15～30%的配电变压器占公用配变总数的30%，而不平衡度在15%以下只有15%。据南方电网《中低压配电运行标准》规定，配变变压器的三相负荷应力求平衡，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%，不符合上述规定时，应及时调整负荷。调查地区配电网公用配电变压器有80%左右不满足不平衡度要求，因此配电变压器三相不平衡度问题是普遍且严重的。本文计算配变变压器三相负荷不平衡度公式为：（最大相电流—最小相电流）/最大相电流×100%。

配电变压器三相不平衡的主要危害：发生三相不平衡时，因存在负序或零序分量，对各种电气设备产生不同的负面影响，其对几种典型电气设备危害总结如下：感应电动机。在不平衡电压作用下，负序电流产生制动转矩，使感应电动机的最大转矩和输出功率下降，引起电动机振动。负序电流使电动机定子、转子的铜耗增加，电动机过热并导致绝缘老化程序加快，运行寿命降低；变压器。其负载不平衡时，如最大相电流为额定电流、变压器容量不能充分利用。如变压器运行于额定容量，造成局部过热。另外由于磁路不平衡、大量的漏磁通经箱壁使其发热。相关研究表明，变压器在额定负荷下，电流不平衡度10%其绝缘寿命约缩短16%；线路三相负荷不平衡，负序电流会产生附加损耗，同时使输、配电线路电压损失增加，降低电能质量，影响用户的电器使用。

配电变压器三相不平衡治理存在的困难：除相关报道外，通过查清某地区用户所接相别、分析负荷规律后发现，因负荷随机性引发配电变压器三相不平衡度问题呈现随机，其造成人工调整极其困难，是治理配电变压器三相不平衡问题的关键难点。图1是某地区某台区日电流变化趋势曲线图，横坐标时间、纵坐标是电流，可明显看出该配电变压器三相负荷具有很强随机性，负荷最大相交替出现，零序电流较大。下午17点～早上5点最大负荷主要是在C 相，早上5点～下午14点最大负荷主要出现在A 相，其间短时出现在B 相。此配电变压器在不同时段最大负荷出现的相别不一致且三相负荷呈不规律变化，不同时间段配变不平衡度差异较大。

图1 某配电变压器日负荷曲线图

2 治理措施

现有的配电变压器三相不平衡度问题治理措施和方法较多，下面对其中常见5中方法进行阐述和分析。

调整负荷。即将负荷重的相所带部分用户转移至负荷轻的相上。措施耗费较多的人力物力，加之用户负荷动态变化，因此实际操作效果不佳；均分负荷。配网中常使用平均负荷法来解决三相系统对单相负荷供电。适用于单相供电的用户，可根据用户的供电功率分相分配，使总的不平衡度减小；加装电力变流器。其利用三相输入单相输出的电力电子变流器对功率较大的或者是很大的单相负荷提供高质量电能。三相电流必然平衡，当采用PWM 整流电路时还可实现对输入功率因数的调整及对谐波的抑制。但是使用的开关器件较多，控制也比较复杂，需要改变目前配电网的拓扑结构，难以推广；平衡变压器。平衡变压器是三相变两相变压器的总称，其原边接三相电网系统，副边输出为两个相互正交的电压，可以看作两个单相电压。当两相所接单相负载相等时，在三相侧的电流是平衡且对称的；当两相所接单相负载不相等时三相侧的电流仍是平衡的，不会产生零序电流。简单可靠但应用局限大，仅适用于变化不大的线性负荷且不具备抑制谐波的能力，不能满足用户对供电灵活性的要求。

基于IGBT 智能型三相不平衡治理装置。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，是电力电子器件技术发展水平中的第三代产品，器件驱动功率小和开关速度快，饱和压降低而容量大。根据对称分量法，任何三相不平衡的电流、电压和阻抗都可以分解成三组分别对称的相量，即正序分量、负序分量、零序分量，该装置对各相电流进行序分量计算，然后补偿电流中的负序分量与零序分量，即从而实现三相功率平衡。其工作过程主要为：实时检测系统电流，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所需转换的电流值，基于该结果将信号发送给内部IGBT 并驱动其动作，其将负荷最大相的交流电整流为直流电并储存在装置内部的母线电容中，然后对直流电进行逆变，最后释放到系统负荷小的相。在不改变负载总功率的前提下，对三相负载功率消耗进行重新分配，使单相、两相功率消耗或者三相功率消耗不平衡，向三相功率消耗均匀分配，实现配电变压器三相负荷平衡。

该治理装置优点包括：响应速度快，全响应时间≦10ms；实时动作，该治理装置实时采集电流，时刻跟踪系统电流的变化，动态及时调整，可适应负载实时变化；保证系统安全，IGBT 特性决定了其不会与电网阻抗发生谐振或引起谐波放大的情况，也不存在过补偿及无功反送的情况；谐波治理，基于IGBT 技术的治理装置可对多种谐波进行动态补偿。

综上，配变三相负荷不平衡治理技术措施较多，但前四种都具有极限性，使用效果不理想。而基于IGBT 智能型三相不平衡治理装置既能治理三相不平衡问题，又可提高功率因数和电能质量，可认为是当前最佳治理技术措施之一。

3 工程应用

工程应用于云南电网公司某供电局，所使用的基于IGBT 智能型三相不平衡治理装置采用模块化结构设计，容量配置灵活，可根据补偿容量选择相应的补偿模块数量，其单个模块容量为25kVA。实施前，根据配电变压器负荷情况计算出需安装的智能型无功补偿装置容量，按比略高于计算值选择安装容量。基于IGBT 智能型三相不平衡治理装置并联在线路中，根据负载三相功率情况对基波功率重新分配达到三相平衡。

应用案例1：选择该地区的安宁街公变开展应用，治理前该配电变压器额定容量315kVA，低压侧额定电流455A，基于历史数据统计最大不平衡度为60.4%，对应的A 相电流为89A、B 相29.9A、C 相35.6A。在该公变安装一台50MVA的治理装置后，以投运当天即2020年6月5日为例，在12点30分投入治理装置，装置投运后，配变变压器由投运前的三相负荷不平衡迅速到整到平衡，零序电流及不平衡度快速下降。治理装置投运前配电变压器三相不平衡，最大零序电流60.4A、最大不平衡度66.7%。投运后配电变压器三相电流基本平衡，零序电流最大零序电流4.8A，最大不平衡度6.4%。

应用案例2：该配电变压器额定容量315kVA，低压侧额定电流455A，历史最大负荷A 相71.8A、B 相172A、C 相83.1A，不平衡度58.3。安装了一台75MVA 的三相不平衡治理装置。从图2、图3可看出，装置投运后，配变变压器由投运前的三相负荷不平衡迅速到整到平衡，零序电流及不平衡度快速下降。治理装置投运前配电变压器三相不平衡，最大零序电流48.9A，最大不平衡度66.8%。投运后，配电变压器三相电流基本平衡，零序电流最大零序电流10.5A，不平衡度6.3%。

图2 治理装置投入前后电流趋势图

图3 治理装置投入前后不平衡度变化趋势图

应用案例3：该配电变压器额定容量630kVA，低压侧额定电流909A，历史最大负荷A 相481A、B 相348A、C 相364A，不平衡率27.7%。安装了一台100MVA 的三相不平衡治理装置。装置投运后，配变变压器由投运前的三相负荷不平衡迅速到整到平衡，零序电流及不平衡度快速下降。治理装置投运前配电变压器三相不平衡，最大零序电流171.4A，最大不平衡度47.7%。投运后，配电变压器三相电流基本平衡，最大零序电流21A，不平衡度3.6%。

4 结语

基于IGBT 智能型三相不平衡治理装置治理效果明显。治理装置投运后，三台配电变压器三相电流迅速调整至平衡，配变三相不平衡度分别由66.7%、66.8%、47.7%下降到了6.4%、6.3%、3.6%，全部下降至15%以下，达到规程要求，保障了电网和设备的安全、经济性。但应用中发现基于IGBT智能型三相不平衡治理装置运行中噪音偏大，安装时应避免离居民用户过近，下一步应对该装置进行优化、减少噪音。同时，为减少硬件成本，生产实际中应按先管理、后工程的方法，首先从配网负荷接入和运行调整上来减少配变负荷不平衡，对于负荷随机性强、不易平衡的配电变压器宜安装治理装置实施工程治理。