一種基于IGBT智能型三相不平衡治理裝置應(yīng)用于配電變壓器治理的分析與總結(jié)

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局 李 虹

配電網(wǎng)直接面向用戶，是保證供電質(zhì)量、提高電網(wǎng)運行效率、創(chuàng)新用戶服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來各電網(wǎng)公司不斷加大配電網(wǎng)投入，據(jù)統(tǒng)計南方電網(wǎng)公司配電線路及設(shè)備資產(chǎn)原值已占其資產(chǎn)原值28%，其中配電變壓器數(shù)量達60余萬臺。配電變壓器的運行工況很大程度上影響配網(wǎng)安全及用戶用電質(zhì)量，三相負(fù)荷不平衡(下稱三相不平衡)是配電變壓器運行中面臨的一個普遍性問題，且通過管理手段較難解決，而配變?nèi)嗖黄胶庠斐稍O(shè)備損壞、損耗增加、用戶電壓質(zhì)量低等諸多問題，各供電單位每年配電變壓器負(fù)荷調(diào)整需付出大量人力物力。文獻[1]分析和總結(jié)農(nóng)村配電變壓器三相負(fù)荷不平衡原因及常用措施；文獻[2]以降低配電網(wǎng)的總體三相不平衡度為優(yōu)化目標(biāo)，利用圖論代數(shù)連通度理論對輻射狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束條件進行快速求解，該方法難以解決局部配電變壓器三相不平衡問題；文獻[3]提出了基于dq 變換的補償算法，但未給出工程應(yīng)用效果。

1 配電變壓器三相不平衡現(xiàn)狀及問題

配電變壓器三相不平衡嚴(yán)重性：作者對云南電網(wǎng)某地區(qū)的配電變壓器三相不平衡度情況開展調(diào)查統(tǒng)計如下：公用配電變壓器三相不平衡度超過80%配電變壓器數(shù)量占公用配變總數(shù)的8%；而三相不平衡度分布在50%～80%的配電變壓器占比達15%，不平衡度在30%～50%的配電變壓器最多，具體為32%；不平衡度在15～30%的配電變壓器占公用配變總數(shù)的30%，而不平衡度在15%以下只有15%。據(jù)南方電網(wǎng)《中低壓配電運行標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，配變變壓器的三相負(fù)荷應(yīng)力求平衡，不平衡度不應(yīng)大于15%。只帶少量單相負(fù)荷的三相變壓器中性線電流不應(yīng)超過額定電流的25%，不符合上述規(guī)定時，應(yīng)及時調(diào)整負(fù)荷。調(diào)查地區(qū)配電網(wǎng)公用配電變壓器有80%左右不滿足不平衡度要求，因此配電變壓器三相不平衡度問題是普遍且嚴(yán)重的。本文計算配變變壓器三相負(fù)荷不平衡度公式為：（最大相電流—最小相電流）/最大相電流×100%。

配電變壓器三相不平衡的主要危害：發(fā)生三相不平衡時，因存在負(fù)序或零序分量，對各種電氣設(shè)備產(chǎn)生不同的負(fù)面影響，其對幾種典型電氣設(shè)備危害總結(jié)如下：感應(yīng)電動機。在不平衡電壓作用下，負(fù)序電流產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使感應(yīng)電動機的最大轉(zhuǎn)矩和輸出功率下降，引起電動機振動。負(fù)序電流使電動機定子、轉(zhuǎn)子的銅耗增加，電動機過熱并導(dǎo)致絕緣老化程序加快，運行壽命降低；變壓器。其負(fù)載不平衡時，如最大相電流為額定電流、變壓器容量不能充分利用。如變壓器運行于額定容量，造成局部過熱。另外由于磁路不平衡、大量的漏磁通經(jīng)箱壁使其發(fā)熱。相關(guān)研究表明，變壓器在額定負(fù)荷下，電流不平衡度10%其絕緣壽命約縮短16%；線路三相負(fù)荷不平衡，負(fù)序電流會產(chǎn)生附加損耗，同時使輸、配電線路電壓損失增加，降低電能質(zhì)量，影響用戶的電器使用。

配電變壓器三相不平衡治理存在的困難：除相關(guān)報道外，通過查清某地區(qū)用戶所接相別、分析負(fù)荷規(guī)律后發(fā)現(xiàn)，因負(fù)荷隨機性引發(fā)配電變壓器三相不平衡度問題呈現(xiàn)隨機，其造成人工調(diào)整極其困難，是治理配電變壓器三相不平衡問題的關(guān)鍵難點。圖1是某地區(qū)某臺區(qū)日電流變化趨勢曲線圖，橫坐標(biāo)時間、縱坐標(biāo)是電流，可明顯看出該配電變壓器三相負(fù)荷具有很強隨機性，負(fù)荷最大相交替出現(xiàn)，零序電流較大。下午17點～早上5點最大負(fù)荷主要是在C 相，早上5點～下午14點最大負(fù)荷主要出現(xiàn)在A 相，其間短時出現(xiàn)在B 相。此配電變壓器在不同時段最大負(fù)荷出現(xiàn)的相別不一致且三相負(fù)荷呈不規(guī)律變化，不同時間段配變不平衡度差異較大。

圖1 某配電變壓器日負(fù)荷曲線圖

2 治理措施

現(xiàn)有的配電變壓器三相不平衡度問題治理措施和方法較多，下面對其中常見5中方法進行闡述和分析。

調(diào)整負(fù)荷。即將負(fù)荷重的相所帶部分用戶轉(zhuǎn)移至負(fù)荷輕的相上。措施耗費較多的人力物力，加之用戶負(fù)荷動態(tài)變化，因此實際操作效果不佳；均分負(fù)荷。配網(wǎng)中常使用平均負(fù)荷法來解決三相系統(tǒng)對單相負(fù)荷供電。適用于單相供電的用戶，可根據(jù)用戶的供電功率分相分配，使總的不平衡度減?。患友b電力變流器。其利用三相輸入單相輸出的電力電子變流器對功率較大的或者是很大的單相負(fù)荷提供高質(zhì)量電能。三相電流必然平衡，當(dāng)采用PWM 整流電路時還可實現(xiàn)對輸入功率因數(shù)的調(diào)整及對諧波的抑制。但是使用的開關(guān)器件較多，控制也比較復(fù)雜，需要改變目前配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，難以推廣；平衡變壓器。平衡變壓器是三相變兩相變壓器的總稱，其原邊接三相電網(wǎng)系統(tǒng)，副邊輸出為兩個相互正交的電壓，可以看作兩個單相電壓。當(dāng)兩相所接單相負(fù)載相等時，在三相側(cè)的電流是平衡且對稱的；當(dāng)兩相所接單相負(fù)載不相等時三相側(cè)的電流仍是平衡的，不會產(chǎn)生零序電流。簡單可靠但應(yīng)用局限大，僅適用于變化不大的線性負(fù)荷且不具備抑制諧波的能力，不能滿足用戶對供電靈活性的要求。

基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，是電力電子器件技術(shù)發(fā)展水平中的第三代產(chǎn)品，器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快，飽和壓降低而容量大。根據(jù)對稱分量法，任何三相不平衡的電流、電壓和阻抗都可以分解成三組分別對稱的相量，即正序分量、負(fù)序分量、零序分量，該裝置對各相電流進行序分量計算，然后補償電流中的負(fù)序分量與零序分量，即從而實現(xiàn)三相功率平衡。其工作過程主要為：實時檢測系統(tǒng)電流，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)時各相所需轉(zhuǎn)換的電流值，基于該結(jié)果將信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT 并驅(qū)動其動作，其將負(fù)荷最大相的交流電整流為直流電并儲存在裝置內(nèi)部的母線電容中，然后對直流電進行逆變，最后釋放到系統(tǒng)負(fù)荷小的相。在不改變負(fù)載總功率的前提下，對三相負(fù)載功率消耗進行重新分配，使單相、兩相功率消耗或者三相功率消耗不平衡，向三相功率消耗均勻分配，實現(xiàn)配電變壓器三相負(fù)荷平衡。

該治理裝置優(yōu)點包括：響應(yīng)速度快，全響應(yīng)時間≦10ms；實時動作，該治理裝置實時采集電流，時刻跟蹤系統(tǒng)電流的變化，動態(tài)及時調(diào)整，可適應(yīng)負(fù)載實時變化；保證系統(tǒng)安全，IGBT 特性決定了其不會與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振或引起諧波放大的情況，也不存在過補償及無功反送的情況；諧波治理，基于IGBT 技術(shù)的治理裝置可對多種諧波進行動態(tài)補償。

綜上，配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理技術(shù)措施較多，但前四種都具有極限性，使用效果不理想。而基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置既能治理三相不平衡問題，又可提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量，可認(rèn)為是當(dāng)前最佳治理技術(shù)措施之一。

3 工程應(yīng)用

工程應(yīng)用于云南電網(wǎng)公司某供電局，所使用的基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，容量配置靈活，可根據(jù)補償容量選擇相應(yīng)的補償模塊數(shù)量，其單個模塊容量為25kVA。實施前，根據(jù)配電變壓器負(fù)荷情況計算出需安裝的智能型無功補償裝置容量，按比略高于計算值選擇安裝容量?；贗GBT 智能型三相不平衡治理裝置并聯(lián)在線路中，根據(jù)負(fù)載三相功率情況對基波功率重新分配達到三相平衡。

應(yīng)用案例1：選擇該地區(qū)的安寧街公變開展應(yīng)用，治理前該配電變壓器額定容量315kVA，低壓側(cè)額定電流455A，基于歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計最大不平衡度為60.4%，對應(yīng)的A 相電流為89A、B 相29.9A、C 相35.6A。在該公變安裝一臺50MVA的治理裝置后，以投運當(dāng)天即2020年6月5日為例，在12點30分投入治理裝置，裝置投運后，配變變壓器由投運前的三相負(fù)荷不平衡迅速到整到平衡，零序電流及不平衡度快速下降。治理裝置投運前配電變壓器三相不平衡，最大零序電流60.4A、最大不平衡度66.7%。投運后配電變壓器三相電流基本平衡，零序電流最大零序電流4.8A，最大不平衡度6.4%。

應(yīng)用案例2：該配電變壓器額定容量315kVA，低壓側(cè)額定電流455A，歷史最大負(fù)荷A 相71.8A、B 相172A、C 相83.1A，不平衡度58.3。安裝了一臺75MVA 的三相不平衡治理裝置。從圖2、圖3可看出，裝置投運后，配變變壓器由投運前的三相負(fù)荷不平衡迅速到整到平衡，零序電流及不平衡度快速下降。治理裝置投運前配電變壓器三相不平衡，最大零序電流48.9A，最大不平衡度66.8%。投運后，配電變壓器三相電流基本平衡，零序電流最大零序電流10.5A，不平衡度6.3%。

圖2 治理裝置投入前后電流趨勢圖

圖3 治理裝置投入前后不平衡度變化趨勢圖

應(yīng)用案例3：該配電變壓器額定容量630kVA，低壓側(cè)額定電流909A，歷史最大負(fù)荷A 相481A、B 相348A、C 相364A，不平衡率27.7%。安裝了一臺100MVA 的三相不平衡治理裝置。裝置投運后，配變變壓器由投運前的三相負(fù)荷不平衡迅速到整到平衡，零序電流及不平衡度快速下降。治理裝置投運前配電變壓器三相不平衡，最大零序電流171.4A，最大不平衡度47.7%。投運后，配電變壓器三相電流基本平衡，最大零序電流21A，不平衡度3.6%。

4 結(jié)語

基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置治理效果明顯。治理裝置投運后，三臺配電變壓器三相電流迅速調(diào)整至平衡，配變?nèi)嗖黄胶舛确謩e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，達到規(guī)程要求，保障了電網(wǎng)和設(shè)備的安全、經(jīng)濟性。但應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)基于IGBT智能型三相不平衡治理裝置運行中噪音偏大，安裝時應(yīng)避免離居民用戶過近，下一步應(yīng)對該裝置進行優(yōu)化、減少噪音。同時，為減少硬件成本，生產(chǎn)實際中應(yīng)按先管理、后工程的方法，首先從配網(wǎng)負(fù)荷接入和運行調(diào)整上來減少配變負(fù)荷不平衡，對于負(fù)荷隨機性強、不易平衡的配電變壓器宜安裝治理裝置實施工程治理。