智能配电台区三相负荷不平衡治理方案

张征凯，章元德，史　亮，陆　巍，徐学均，徐艳军

（1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，合肥　230061；2.北京泰豪电力技术有限公司，北京　100176）



智能配电台区三相负荷不平衡治理方案

张征凯1，章元德1，史亮1，陆巍1，徐学均2，徐艳军2

（1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，合肥230061；2.北京泰豪电力技术有限公司，北京100176）

摘要：分析智能台区三相负荷不平衡产生原因及造成的影响，提出了三相负荷不平衡治理方案，通过对智能台区治理前后效果分析，验证治理措施的可行性。

关键词：智能台区；三相负荷不平衡；治理措施；节能降损

1　三相负荷不平衡产生的原因及影响

本文根据安徽省无为县供电公司提供的变压器容量为315 kVA的网线厂配电台区的统计数据得出。

该台区在暑期农忙季节（7—8月份）、农民工春节返乡期间（1—2月）的19：00～21：00时间段，三相负荷不平衡度达40%～70%，最高值甚至达100%以上。按照《配电网运行规程》的规定：变压器的三相负荷应力求平衡，其不平衡度不应大于20%，否则需要调整负荷。造成三相负荷不平衡严重的原因，是由于低压配电网中负荷分配不均、用电负荷不同时性、用电负荷增长不平衡性以及负荷接入时的随意性等，导致该台区三相负荷不平衡问题严重且普遍存在，通过人工手段难以治理。

当前三相负荷不平衡造成的主要影响有：

（1）三相负荷不平衡造成配电变压器损耗增加。当配电变压器铁心柱中的磁通密度增加到1. 65T时，油箱壁中的损耗将达到铁心中损耗的50%以上［1］。

设，变压器的额定功率为S，高压额定电压U1，低压额定电压U2，负载损耗ΔPk。三相负荷均衡时配电变压器低压侧的负荷电流为Iph，三相负荷电流为Ia、Ib、Ic。

配电变压器低压侧的额定电流Ie计算公式为

三相负荷不平衡度δ%的计算公式

δ%=(I-Iav)max/Iav×100%（2）

式中：Iav=(Ia+Ib+Ic)/3。

三相负荷不平衡比平衡时变压器的有功损耗增加量为

（2）三相负荷不平衡影响设备的运行出力。当配电台区变压器处在三相负荷不平衡的状态下运行时，会造成配电变压器其输出的容量无法达到额定容量值，而且其备用容量亦相应减少，导致配电变压器的过载能力降低［2］。

（3）三相负荷不平衡易造成低电压或过电压。配电台区设计初始是按照三相负荷平衡设计的，但在实际运行过程中，特别是农村地区或城乡结合部地区经常会发生三相负荷不平衡的情况，造成配电变压器重负荷侧电压降低，而负荷轻侧电压升高。三相负荷不平衡造成的低电压会导致单相家用电器不能正常使用，而过电压会损坏用户设备［3］。

（4）三相负荷不平衡会造成线损增加。三相负荷不平衡时，造成变压器进出线的各相电流的不平衡，各相电流的不平衡造成中性线有电流通过，不仅增加相线损耗，而且也形成中性线损耗，导致整条线路的损耗增加。

2　三相负荷不平衡治理概述

2.1治理原理

为解决配电台区三相负荷不平衡问题，本文在研究当前配电台区三相负荷产生的原因及造成的不良结果的基础上，设计一套用于治理配电台区三相负荷不平衡的方案。

三相负荷不平衡治理的核心是台区控制器，实施主体是智能换相开关（以下简称“换相开关”）。台区控制器是三相负荷不平衡治理的核心执行装置，负责收集配电变压器低压侧的三相电流数据，进行分析计算，形成最优“不平衡调节策略”，并将遥控命令下发到换相开关，进行负荷调节。

台区控制器与换相开关之间采取适宜于近距离传输的无线组网通信技术ZigBee技术，因其具有距离近、成本低、功耗低、复杂度低、自组网以及安全性高、可靠性高等特点，被广泛适用于近距离高安全的产品或场合中。

换相开关的配置原则如下：

（1）换相开关配置数量原则。换相开关涵盖的户表数（含单相用电的商铺）须占配电台区总户表数的1/3左右（为负荷较重的1/3用户）。

本文选择的网线厂台区的总户表数Tn为210户，选择的换相开关额定电流Ie1为250 A，户表额定电流Ie2为40 A。换相开关涵盖的户表数Sn=Tn/3= 70；一台换相开关可携带的户表数Sn1=Ie1/Ie2=250 A/ 40 A≈6，则换相开关安装数量S=Sn/Sn1=70/6≈11。

（2）换相开关安装位置原则。现场测量实际负荷，换相开关须安装在负荷大的三相四线制的电缆分支箱或户表箱位置。

三相负荷不平衡治理示意图如图1所示。

图1　三相负荷不平衡治理示意图

换相开关安装示意图如图2所示。

图2　换相开关安装示意图（户表箱）

2.2三相负荷不平衡治理策略分析

三相负荷不平衡调节的“策略”设置在台区控制器中。其中，定值的设置项包括换相开关个数及地址设定、不平衡度调节值、不平衡度调节最低值、不平衡调节时间和不平衡调节延时时间。

三相负荷不平衡治理原则要求是：当变压器三相负荷不平衡度达到25%及以上，且连续监测时间达到15 min时，开始治理，且治理间隔要求在30 min及以上。

三相负荷不平衡治理执行过程如下：首先，通过三相不平衡治理装置采集出线漏保开关负荷数据、用户用电负荷数据以及换相开关的电流、相位等数据；然后，经过三相不平衡治理装置的控制分析模块，对采集到的负荷数据进行分析计算，计算得出各出线的不平衡度数值；最后，当发现不平衡度数值大于设定的限值，且不平衡度维持时间超过设定的调整时间时，给出最优的调整方案，自动完成各出线三相负荷再分配，使各出线三相负荷处于基本平衡的状态，以此达到低压线路的三相负荷平衡状态。

三相负荷不平衡治理策略流程图如图3所示。

定值设置：

β——变压器负载率；β1，β2——变压器负载率阀值；βpj——一段时间内β的平均值；εI——低压总出线不平衡度；εI1、εI2、εI3、εI4、εI5——出线1、2、3、4、5不平衡度；εImax——不平衡上限值；εImin——不平衡下限值；T——判别延迟时，其中T4和T5可写死；qxgj——缺相告警；jdgj——接地告警；εIpj——一段时间内εI的平均值。

图3　三相负荷不平衡治理策略流程图

3　治理效果分析

本文选择以安徽省无为县供电公司的变压器容量为315 kVA的网线厂配电台区为例对治理效果进行说明。该台区采用LGJ-90架空导线，长度为500 m，中性线电阻R0为相线电阻R的2倍，且治理前后的负荷情况保持一致。从节能降损方面对三相负荷不平衡治理效果进行分析和阐述。

3.1节能降损效益案例分析

治理前三相负荷电流：Ia1=66.6，Ib1=80.7， Ic1=122.8，I01=50.64；治理前不平衡度为36.39%。治理后三相负荷电流：Ia2=71.3，Ib2=75.2，Ic2= 82.9，I02= 10.22；治理后不平衡度为8.41%。治理后与治理前的不平衡度相比，下降了27.98个百分点。

变压器容量S =315 kVA，U1=10 000 V，U2= 400 V，ΔPk=3.65。

节能降损效果分析如下：

（1）线损分析

导线电阻的计算公式为

R=ρL/S（4）

式中：R为导线电阻值；ρ为电阻率；L为长度；S为截面积。

线损值计算公式为

式中：ΔP为线损值；Ia、Ib、Ic分别为A、B、C三相电流值；R为相线电阻值；I0为中性线电流；R0为中性线电阻。

（2）变损分析

变压器有功损耗计算公式为

ΔP=P0+KTβ2PK（6）

变压器无功损耗计算公式为

ΔQ=Q0+KTβ2QK（7）

变压器综合损耗计算公式为

ΔPZ=ΔP+KQΔQ（8）

SN≈I0%SN，QK≈UK%SN（9）

式中：Q0为空载无功损耗，kvar；P0为空载损耗，kW；PK为额定负载损耗，kW；SN为变压器额定容量，kVA；I0%为变压器空载电流百分比；UK%为短路电压百分比；β为平均负载系数；KT为负载波动损耗系数；QK为额定负载漏磁功率，kvar；KQ为无功经济当量，kW/kvar。

式（9）计算时各参数的选择条件：取KT=1.05；对城市电网和工业企业电网的6～10 kV降压变压器取系统最小负荷时，其无功当量KQ=0.1 kW/kvar；变压器平均负载系数：对于农用变压器可取β=20%；对于工业企业，实行三班制，可取β=75%；变压器运行小时数T =8 760 h，最大负载损耗小时数：t = 5 500 h。

本文中提到的变压器型号为S11-M-315/10，变压器的额定容量SN为315 kVA，变压器空载损耗P0为0. 48 kW，额定负载损耗PK为3.65 kW，I0%为1.1，UK%为4，KQ取值为0.1 kW/kvar，β取值为20%。变压器有功损耗ΔP =0.633 3 kW，变压器无功损耗ΔQ =3.994 2 kW，变压器综合损耗ΔPZ=ΔP+ KQΔQ= 1.033 kW。

（3）节能计算

全年节约电能为W=(ΔPZ+ΔPt)×T=15 922.5kWh，节约电量折合人民币ΔM =8 598. 15元。

3.2管理效益分析

通过三相负荷不平衡度治理，一方面使员工提高了由三相负荷不平衡治理对电能质量影响的意识，另一方面也促进供电公司修改和完善了相关的管理制度、规定及流程，进一步提高规范化管理水平。

3.3社会效益分析

通过实施三相负荷不平衡治理，无为县供电公司配电台区的电能质量有了较为明显的改善，同时解决了原先由三相负荷不平衡严重造成的低电压而使家用电器无法正常使用的问题，进而提高了居民对生产、生活用电的满意度。

4　结论

本文首先分析了三相负荷不平衡产生的背景以及三相负荷不平衡产生的主要影响，进而从技术角度提出了治理三相负荷不平衡的方案以及治理策略，通过分析智能台区三相负荷不平衡治理前后的效果，得出本文设计的方案在节能降耗和提升电压方面都有较好的效果。

参考文献：

［1］覃芸，张思寒.电网经济运行分析及措施［J］.黑龙江电力，2009（5）：334-337.

［2］黄绍平.负荷不平衡对配电变压器的危害和相应的配电设计方法［J］.变压器，1996（5）：30-32.

［3］杨云龙，王凤清.配电变压器三相不平衡运行带来的附加损耗、电压偏差及补偿方法［J］.电网技术，2004（8）：73-76.

［4］郭峰，姚莉娜，刘恒，等.引入三相不平衡度的低压电网理论线损计算［J］.电力自动化设备，2007（11）：51-54.

The governance scheme of three-phase unba1anced 1oad management for inte11igent distribution transformer

ZHANG Zheng-kai1，ZHANG Yuan-de1，SHI Liang1，LU Wei1，XU Xue-jun2，XU Yan-jun2
（1. State Grid Anhui E1ectric Power Company，Hefei 230061，China；2. Beijing Te11how E1ectric Company，Beijing 100176，China）

Abstract：This paper ana1yzes the cause and inf1ection of the three-phase unba1anced，then it proposes the governance program of three-phase unba1anced，by the treatment effect of inte11igent ana1ysis，to va1idate of contro1 measures.

Key Words：inte11igent station area；three-phase unba1ance；contro1 measures；energy-saving and comsumptions reduction

收稿日期：2015-06-12；修回日期：2015-11-05

中图分类号：TM714.1；TM727.1

文献标志码：C