三相不平衡治理方法與措施的分析

楊倩華

【摘要】：在配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量日趨嚴(yán)重，其中三相不平衡是影響電網(wǎng)質(zhì)量的重點，三相負(fù)載不平衡將導(dǎo)致增加變壓器損耗、增加線路損耗;將導(dǎo)致配變出力減小，降低了配變利用率、變壓器發(fā)熱;嚴(yán)重時甚至?xí)龤ё儔浩饕约皩?dǎo)致過壓、低壓，影響用電設(shè)備的正常工作。分析研究治理方法，探索解決不正常三相不平衡成為行業(yè)努力的重點。本文通過分析三相不平衡的治理方法，為大家在三相不平衡治理方面推薦實用的治理方法。

【關(guān)鍵詞】： 三相不平衡、SVG、轉(zhuǎn)換開關(guān)、SVC、電力電子

引言：隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力行業(yè)作為先行者，配網(wǎng)的發(fā)展尤為迅速，呈現(xiàn)出低壓配電網(wǎng)點多面廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷性質(zhì)多樣、負(fù)荷變化波動大的特點。而在生產(chǎn)、生活用電中，常存在大量單相、不對稱、非線性、沖擊性負(fù)荷，使得配電系統(tǒng)的三相不平衡，而給配電變壓器、臺區(qū)線路等設(shè)備、設(shè)施的性能及使用壽命造成嚴(yán)重的影響，甚至?xí)?dǎo)致變壓器燒毀。因此探索配電系統(tǒng)三相不平衡帶來的故障危害，研究三相不平衡的治理方法從而提高配網(wǎng)運行穩(wěn)定性和減少電能消耗有著實質(zhì)的價值。

1、三相不平衡的原因

配電網(wǎng)三相不平衡是幾乎所有電力電網(wǎng)配電臺區(qū)普遍存在的一種電能質(zhì)量問題。低壓配電網(wǎng)是近年來國家投資的重點方向之一，低壓配電網(wǎng)的電能質(zhì)量治理問題是提高配電網(wǎng)可靠性的保障。分析導(dǎo)致配電網(wǎng)三相不平衡的原因有以下幾點：1）用電負(fù)荷的不斷變化。城市的快速改造遷建，導(dǎo)致用電負(fù)荷的區(qū)域變化性大，且臨時用電和季節(jié)性用電的不穩(wěn)定性，在總量上和時間上的不確定和不集中性，使得各相用電的負(fù)荷不能平衡變化。2）單相負(fù)荷導(dǎo)致的三相不平衡及設(shè)備利用率降低問題。尤其是新型出現(xiàn)的大功率單相負(fù)載（如：儲能變流器、充電樁）接入配電網(wǎng)之后，產(chǎn)生三相不平衡問題。3）電網(wǎng)側(cè)接入不同的濾波電路，增加電網(wǎng)的容性特性。大多數(shù)電力電子產(chǎn)品都會有高頻濾波電路的設(shè)計。4）三相負(fù)荷的不合理分配。我國的大多數(shù)電路都是動力和照明混為一體的，所以在使用單相的用電設(shè)備時，用電的效率就會降低，這樣的差異進一步加劇了配電變壓器三相負(fù)荷的不平衡狀況。5）分布式能源介入。比如分布式光伏、光伏逆變器會有一些諧波畸變。6）沖擊性的負(fù)荷增多。電功率電機設(shè)備的啟停，造成不平衡程度加劇;7）對于配變負(fù)荷的監(jiān)視力度的削弱。在配電網(wǎng)的管理上，經(jīng)常會忽略三相負(fù)荷分配中的管理問題。在配電網(wǎng)的檢測上，對配電變壓器的三相負(fù)荷也沒有進行定期的檢測和調(diào)整。

2、三相不平衡帶來的危害

在中低配電網(wǎng)中，三相負(fù)荷由于是隨機變化的，因此，一般是不平衡的。三相不平衡會導(dǎo)致供電點三相電壓、電流的不平衡，進而增加線路損耗，同時會對配電網(wǎng)供用電設(shè)備設(shè)施運行產(chǎn)生不利的影響。具體危害表現(xiàn)如下：

2.1增加配電變壓器的電能損耗

配電變壓器是低壓電網(wǎng)的供電主設(shè)備，當(dāng)其在三相負(fù)載不平衡工況下運行時，將會造成配變損耗的增加。因為配變的功率損耗是隨負(fù)載的不平衡度而變化的。

2.2增加線路的電能損耗

在三相四線制供電網(wǎng)絡(luò)中，電流通過線路導(dǎo)線時，因存在阻抗必將產(chǎn)生電能損耗，其損耗與通過電流的平方成正比。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)以三相四線制供電時，由于有單相負(fù)載存在，造成三相負(fù)載不平衡在所難免。當(dāng)三相負(fù)載不平衡運行時，中性線即有電流通過。這樣不但相線有損耗，而且中性線也產(chǎn)生損耗，從而增加了電網(wǎng)線路的損耗

2.3配變出力減少

配變設(shè)計時，其繞組結(jié)構(gòu)是按負(fù)載平衡運行工況設(shè)計的，其繞組性能基本一致，各相額定容量相等。配變的最大允許出力要受到每相額定容量的限制。假如當(dāng)配變處于三相負(fù)載不平衡工況下運行，負(fù)載輕的一相就有富余容量，從而使配變的出力減少。其出力減少程度與三相負(fù)載的不平衡度有關(guān)。三相負(fù)載不平衡越大，配變出力減少越多。為此，配變在三相負(fù)載不平衡時運行，其輸出的容量就無法達到額定值，其備用容量亦相應(yīng)減少，過載能力也降低。

2.4影響用電設(shè)備的安全運行

配變是根據(jù)三相負(fù)載平衡運行工況設(shè)計的，其每相繞組的電阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。當(dāng)配變在三相負(fù)載平衡時運行，其三相電流基本相等，配變內(nèi)部每相壓降也基本相同，則配變輸出的三相電壓也是平衡的。假如配變在三相負(fù)載不平衡時運行，其各相輸出電流就不相等，其配變內(nèi)部三相壓降就不相等，這必將導(dǎo)致配變輸出電壓三相不平衡。同時，配變在三相負(fù)載不平衡時運行，三相輸出電流不一樣，而中性線就會有電流通過。因而使中性線產(chǎn)生阻抗壓降，從而導(dǎo)致中性點漂移，致使各相相電壓發(fā)生變化。

2.5電動機效率降低

配變在三相負(fù)載不平衡工況下運行，將引起輸出電壓三相不平衡。由于不平衡電壓存在著正序、負(fù)序、零序三個電壓分量，當(dāng)這種不平衡的電壓輸入電動機后，負(fù)序電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與正序電壓產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相反，起到制動作用。但由于正序磁場比負(fù)序磁場要強得多，電動機仍按正序磁場方向轉(zhuǎn)動。而由于負(fù)序磁場的制動作用，必將引起電動機輸出功率減少，從而導(dǎo)致電動機效率降低。

3、三相不平衡治理方法與措施

3.1三相不平衡治理方法

根據(jù)不平衡電流補償原理，在任何一個可以確定的時刻，主要出現(xiàn)了三相不接地的不平衡負(fù)載，那么每一個相負(fù)載都可以同一個電阻和電容形成并聯(lián)的形式。因此，以將不同性質(zhì)符合的等效進行分析，確定相間和相對地的無功補償量。實際應(yīng)用中主要有以下治理方法：

1）動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR。DVR是一種采用電力電子技術(shù)實現(xiàn)的電壓補償裝置，能夠?qū)χC波、閃變、不對稱等多種電壓電能質(zhì)量問題進行治理。線電壓補償型DVR的工作原理如下：利用測量電路測量系統(tǒng)側(cè)的電壓，經(jīng)過調(diào)理電路將其整形，數(shù)字信號處理器（DSP）讀入數(shù)據(jù)并根據(jù)補償策略產(chǎn)生補償指令，通過驅(qū)動電路控制逆變器的IGBT開關(guān)動作，產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）波，最后由LC濾波器濾除高次諧波，從而在串聯(lián)變壓器上產(chǎn)生補償電壓。DVR能在輸電線路和敏感負(fù)荷之間播入一個任意幅值、相位和形狀的電壓波形，可以根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓的需要，改變其發(fā)出的波形，使敏感負(fù)荷的供電電壓恢復(fù)到理想水平，保障用戶端的供電質(zhì)量。

2）無功補償器SVC。SVC是一種靜止的并聯(lián)無功發(fā)生或者吸收裝置，通過控制與電抗器或電容器串聯(lián)的晶閘管導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率輸出， SVC可以被看成是一個動態(tài)的無功源。根據(jù)接入電網(wǎng)的需求，它可以向電網(wǎng)提供容性無功，也可以吸收電網(wǎng)多余的感性無功，把電容器組通常是以濾波器組接入電網(wǎng)，就可以向電網(wǎng)提供無功，當(dāng)電網(wǎng)并不需要太多的無功時，這些多余的容性無功，就由一個并聯(lián)的電抗器來吸收。電抗器電流是由一個可控硅閥組控制，借助于對可控硅觸發(fā)相角的調(diào)整，就可以改變流過電抗器的電流有效值，從而保證SVC在電網(wǎng)接入點的無功量正好能將該點電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，

3）換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動調(diào)節(jié)。該裝置是由一個智能換相終端和若干個換相開關(guān)單元組成。智能換相終端實時監(jiān)測配變低壓出線的三相電流，如果在一定監(jiān)測周期內(nèi)配變低壓側(cè)三相負(fù)荷不平衡度超限，智能換相終端讀取配變低壓出線和所有換相開關(guān)單元各負(fù)荷支路的電流、相序?qū)崟r數(shù)據(jù)，進行優(yōu)化計算，發(fā)出最優(yōu)換相控制指令，各換相開關(guān)單元按照規(guī)定換相流程執(zhí)行換相操作，實現(xiàn)用戶負(fù)荷相序調(diào)整、配電臺區(qū)三相負(fù)荷均衡分配

4）無功發(fā)生器SVG。SVG是指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置，主要由儲能裝置.逆變器、無源濾波器、電抗器等組成，SVG可等效為一個可控電壓源，通過調(diào)節(jié)電壓源電壓福直和相位，調(diào)節(jié)流過連接電抗的電流大小和相位，從而控制從電網(wǎng)吸收或發(fā)送無功功率大小。SVG以大功率電壓型逆變器為核心，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制交流側(cè)電流的幅值和相位，迅速吸收或發(fā)出所需的無功功率，實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率的目的。SVG可以對系統(tǒng)的諧波、不平衡等電能質(zhì)量問題進行多功能綜合補償，實現(xiàn)有源濾波的功能。SVG開啟后，通過外接電流互感器（CT） 實時檢測系統(tǒng)電流，并將系統(tǒng)電流信息發(fā)送給內(nèi)部控制器進行處理分析，以判斷系統(tǒng)是否處于不平衡狀態(tài)，同時計算出達到平衡狀態(tài)時各相房而轉(zhuǎn)換的電流值，然后將信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT井驅(qū)動其動作，將不平衡電流從電流大的相轉(zhuǎn)移到電流小的相，最后達到三相平衡狀態(tài)。

5）“SVG+換相開關(guān)”。 “SVG+換相開關(guān)”混合型補償裝置用于治理低壓配電臺區(qū)三相不平衡，能快速準(zhǔn)確的檢測低壓配電系統(tǒng)的三相不平衡問題，通過換相開關(guān)實時不停電粗略調(diào)整單相負(fù)荷，SVG精細(xì)調(diào)節(jié)模式，使臺區(qū)三相負(fù)荷處于相對平衡的狀態(tài)?？捎行Ы档妥儔浩鳌⒕€路損耗，抑制單相過流、末端低電壓等情況發(fā)生，解除了三相不平衡帶來的眾多隱患。具體形式可由一臺SVG模塊和多臺換相開關(guān)組成。SVG模塊是集采樣、運算、通訊、人機交互、智能組網(wǎng)、平衡邏輯算法于一體的智能控制、補償裝置。而換相開關(guān)則是集采樣、運算、通信、相序切換功能于一體的智能投切裝置，換相開關(guān)采用過零投切技術(shù)，以將投切對動作元件及用電設(shè)備的損傷降到最小。過零投切技術(shù)基于“電流過零切除，電壓過零投入”的原則，可以達到?jīng)_擊極小、電弧極小的效果。在配變變壓器的出口處設(shè)置SVG模塊，負(fù)責(zé)監(jiān)測三相不平衡信息，并下發(fā)調(diào)節(jié)命令，支路沿用戶前端安裝若干臺換相開關(guān)，換相開關(guān)可監(jiān)測自身帶載回路的負(fù)荷信息，并根據(jù)SVG模塊下發(fā)的換相命令進行相應(yīng)換相操作。若三相不平衡仍然存在，可通過SVG進行微調(diào)模式實現(xiàn)三相絕對平衡。

在上述三相電壓不平衡問題的治理中，DVR ， SVC ，換相開關(guān)，SVG、SVG+換相開關(guān)等方法都可以實現(xiàn)電能質(zhì)量治理目的。經(jīng)過比較可以確認(rèn)“SVG+換相開關(guān)”可從根本上解決臺區(qū)實際負(fù)荷分配的問題，是解決三相不平衡較好的方式。具體既能解決線路不平衡、負(fù)載側(cè)不平衡、也能解決配電臺區(qū)側(cè)不平衡損耗低諧波和無功治理。

3.2三相不平衡解決措施

1）注重規(guī)劃，合理設(shè)計。，尤其避免在低壓配電網(wǎng)中出現(xiàn)頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳的局面，在配電網(wǎng)建設(shè)和改造當(dāng)中對低壓臺區(qū)進行合理的分區(qū)分片供電，配變布點盡量接近負(fù)荷中心，配電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計建設(shè)容量分配必須合理。

2）爭取低壓集束導(dǎo)線供電。在對采用低壓三相四線制供電的地區(qū)，要積極爭取對有條件的配電臺區(qū)采用3芯或者4芯電纜或者用低壓集束導(dǎo)線供電至用戶端，這樣可以在低壓線路施工中最大程度的避免三相負(fù)荷出現(xiàn)偏相的出現(xiàn)。

3）多點接地，降低零線電能損耗。在低壓配電網(wǎng)零線采用多點接地，降低零線電能損耗。目前由于三相負(fù)荷的分布不平衡，導(dǎo)致了零線出現(xiàn)電流，按照規(guī)程要求零線電流不得超過相線電流的25% ，在實際運行當(dāng)中，由于零線導(dǎo)線截面較細(xì)，電阻值較相同長度的相線大，零線電流過大在導(dǎo)線上也會造成一定比例的電能損耗，所以建議在低壓配電網(wǎng)公用主零線采用多點接地，降低零線電能損耗。

4、結(jié)論

三相不平衡問題是現(xiàn)在電網(wǎng)治理保證電能質(zhì)量的重點指標(biāo)，電力管理部尤其重視。國家技術(shù)監(jiān)督局共頒布了6項最新的電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)：《電能質(zhì)量電壓波動與閃變》、《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》、《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》、《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》、《電能質(zhì)量暫態(tài)過電壓和瞬態(tài)過電壓》。家發(fā)改委下發(fā)了《關(guān)于加快配電網(wǎng)建設(shè)改造的指導(dǎo)意見》，要求加快配電網(wǎng)建設(shè)，重視電能質(zhì)量的治理。所以要求各級電力工作者從規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)都要注重三相不平衡的治理，在治理方法與投資上做平衡，并重視具體的措施，通過努力必能治理好三相不平衡的電網(wǎng)污染。

參考文獻

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