降低配网三相不平衡运行的线损

李文辉

摘 要：我国低压配电系统大都采用三相四线制接线方式，由于单相负载的不均衡性等原因，造成配电变压器处于三相不平衡运行状态。文章对配网三相不平衡运行所带来的配变损耗和线路损耗进行分析，并针对低压配网的三相不平衡问题提出了管理和技术上的治理措施。

关键词：配网；三相不平衡；线损

中图分类号：TM726.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）30-0089-02

降损节能是衡量和考核电力行业生产技术和经营管理水平的一项综合性指标。配网三相不平衡运行会增加电能损耗，但由于这种损耗涉及的因素较多，且不易量化计算，很多人都认为不平衡运行产生的额外损耗较小，没有引起足够的重视。但事实并非如此。下面本文将对配网三相不平衡运行产生损耗进行分析。

1 造成三相不平衡的原因[1]

1.1 技术原因

正常情况下，各种单相负载（电灯、电扇、电视机、电冰箱、洗衣机等）连接在低压电网中， 三相负载是不会对称的。这是因为：在连接时，三相负载的分配很难做到平衡；各个单相负载的开停时间不会做到同时；在使用中每一相负载的增长速度也不相同。

1.2 人为原因

在配变分台、低压线改造、增容等工作中，贪图方便不均匀分布负载，造成偏相。

1.3 设备故障

故障等非正常情况下， 三相负载不对称尤为严重，其原因有：配电变压器高（低）压侧发生一相或两相断线、配电变压器分接开关接触不良或高（低）压侧接头、绕组故障； 配电变压器高（低）压侧一相或两相熔断器熔断，电动机绕组中有一相或两相发生故障。

2 不平衡度的定义及最大限值[1]

2.1 不平衡度的定义

负荷电流不平衡度：

β=（Imax-Icp）/Icp×100%

式中，Imax为负荷最大一相的电流值；Icp为三相负荷完全平衡时的相电流值；Icp=（Ia+Ib+Ic）/3，Ia、Ib、Ic分别为A相、B相、C相的电流值。

2.2 不平衡度的最大限值

在三相四线制系统中， 三相负载不平衡度在电源侧不得大于10%，在负载侧不得大于20%。

只带少量单相负荷的三相变压器，也可通过零线电流值与额定电流的比例来衡量。在DL/T572《电力变压器运行规程》中规定： 接线组别Y/Yno的配电变压器中性线的不平衡电流不得超过配电变压器额定电流的25%。

3 三相不平衡对变压器损耗的影响

3.1 配电变压器运行的现状

配电变压器作为电力系统和广大企业用户广泛应用的电气设备，在电力输送、分配和使用过程中发挥着核心作用，容量列在所有用电设备之首，其自身损耗也很大，在配网线损中配电变压器损耗占了60%以上，降低变压器损耗是降低电网线损的关键[2]。

三相电力变压器是按对称运行设计。正常运行时，变压器一次侧电源和二次侧负荷均应对称。但我国城乡配电网中大量采用了三相四线制接线方式，存在很多的单相负载，因此配电变压器的三相不平衡运行是不可避免的，在这种不对称运行工况下产生的附加损耗也是不容忽视的。

城郊供电所在4月份对管辖区域内的960台公用配变的负荷电流进行了测量，电流测量采用调取计量自动化系统数据与现场实测相结合的方法。从本次负荷测量结果中发现有122台配变处于不平衡运行状态，占公用配变总数的12.71%。这些不平衡运行的配变会产生大量的损耗，增加线路线损。

通过对这些处于不平衡运行状态的变压器从容量和不平衡度上分别进行统计分析，我们得出了两个结论：①处于不平衡运行状态的变压器的容量主要集中在500 kVA和630 kVA。由于高容量的变压器所接的低压用户较多，用户用电时间不统一，变压器很容易就会处于不平衡运行的状态。同时容量较大的变压器在不平衡运行时产生的损耗也较大，增加了线路的线损。②处于不平衡运行状态的变压器的不平衡度主要集中在20%～30%之间，处于极度不平衡运行状态的公变较少。

3.2 三相不平衡运行会增加变压器损耗

阳江城区配网中变压器主要采用的有D/Yn11、Y/Yno两种接线方式，下面本文以Y/Yno接线方式的配电变压器为例对配变不平衡运行的损耗进行分析。

3.2.1 不平衡运行时绕组附加铁损

Y/Yno 接线变压器的零序电阻比正序电阻大得多。如250 kVA变压器的零序电阻是正序电阻的15倍，因而零序电流产生的附加铁损较大[2]。

零序电流附加的铁损（单位kW）计算公式为：

P0=I20R0×10-3

当零序电流较大时，零序电流会产生较大的铁损。

3.2.2 不平衡运行时绕组附加铜损[3]

配电变压器三相不平衡运行时三相绕组的总损耗（单位kW）可计算为：

Pf1=（I2a+I2b+I2c）R1×10-3

式中，Ia、Ib、Ic为三相负荷电流；Rl为变压器二次侧绕组电阻。

三相平衡时每相绕组电流为（Ia+Ib+Ic）/3，三相绕组总损耗为：Pf2=3[（Ia+Ib+Ic）/3]2×Rl×10-3

三相不平衡时带来的附加损耗为：

ΔPf=Pf1-Pf2=（I2a+I2b+I2c）Rl×10-3-3[（Ia+Ib+Ic）/3]2×Rl×10-3=（Ia-Ib）2+（Ia-Ic）2+（Ib-Ic）2/3Rl×10-3

3.2.3 对变压器不平衡运行的实际附加损耗进行分析

根据上文对变压器不平衡运行时的原理分析，我们以一台型号为S11，容量为250 kVA ，变比为10 kV/0.4 kV，零序电阻R0=0.162 Ω，零序电抗X0=0.216 Ω，绕组电阻R1=0.0111 Ω的变压器为例，探讨变压器三相不平衡运行对变压器损耗的影响。

假设此台区某时刻三相电流为Ia=120 A、Ib=300 A、Ic=

300 A、I0=180 A。此变压器的三相不平衡度为：

β=（Imax-Icp）/Icp×100%=（300-240）/240×100%=25%

根据上面的公式，可以得到：

①零序电流损耗功率：

P0=I20R0×10-3=1802×0.162×10-3=5.25 kW；

②附加铜损

ΔPf=（Ia-Ib）2+（Ia-Ic）2+（Ib-Ic）2/3×Rl×10-3

=（120-300）2+（120-300）2+（300-300）2/3×0.0111×10-3

=0.24 kW

③总损耗功率：P0+ΔPf=5.25+0.24=5.49 kW；

④一年内损耗电量：5.49×8 760 kW·h=48 092 kW·h。

由上面的计算可以看出一台处于不平衡运行状态的变压器产生的额外损耗是非常大的。且变压器的额外损耗会随着容量的增大、负载率的增加和不平衡度的变大而变大。

4 三相不平衡运行对线路损耗的影响

配网中由于单相负荷的存在，往往造成三相不平衡，结果不但引起相线损耗的增加，而且使中性线有电流通过，也产生了损耗，从而使线损大大增加。

假设某三相四线制线路总负荷为3I，相线电阻为R，中性线电阻为R（南方电网的线路中性线通常与相线相同），则三相平衡时线路功率损耗为：

Pb=3I2R

若三相不平衡，假设某相负荷为2I另两相分别为0.5I，则中性线电流为：

比三相平衡时，功率损耗变为原来的2.25倍，可见三相不平衡增大线损是相当显著的。极端情况是，全部负荷由一相供电，功率损耗为（3I）2R×2=18I2R是三相平衡时的6倍[4]。

为便于量化研究三相不平衡运行对损耗增加的关系，现引入功率损耗增量系数K：

K=Pund/Pb

式中，Pund为三相负荷不平衡时单位长度线路上的功率损耗Pb为三相负荷平衡时单位长度线路上的功率损耗当三相负荷不平衡时，不论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大，线损增量也越大，则K值越大。为此在三相四线制的低压网络运行中，应经常测量三相负荷并进行调整，使之平衡，这是降损节能的一项有效措施，对于变压器容量较大、负荷较多的城区配网来说，效果尤为显著。

5 降低配网三相不平衡运行的线损

5.1 在设计中综合衡量负荷平衡分布

在设计供电系统时，要认真采集数据，搞好用户负荷调查与预测，认真分析负荷的性质，综合考虑负荷大小、漏电情况、用户用电等级，然后均衡地分配在三相上。在用户进行报装和增容时，要根据三相负荷的情况进行调整，避免增加线路的不平衡率。

5.2 加强运行维护管理

阳江供电局目前已经采用了配网计量自动化系统，其中的配变监测计量系统可以对公变的三相不平衡情况进行辅助分析。由于在负荷较少、三相电流较小时，随着三相负荷的少量变化，就可能导致不平衡度的剧烈变化。所以运维人员要在负荷较大的时间段对配变监测计量系统的结果进行统计分析，并结合在现场实际对变压器三相电流的测量结果，统计出处于不平衡运行状态的公变。并及时对不平衡度超过20%的公变负荷进行跟踪调整，使变压器三相负荷达到平衡。

由于低压负荷具有季节性变化较大的特点，所以在换季和负荷高峰期时，要重点对三相负荷情况进行监测。在日常的工作中，也要加强对公变的管理，定期对公变的三相负荷进行测定，建立对三相不平衡线路负荷调整的机制，将负荷调整工作常态化。对三相不平衡的线路要及时进行负荷调整和转移，使得线路负荷保持基本平衡的状态。

5.3 加强无功补偿，提高功率因数

对于三相不平衡系统，可采用对称分量法将电流分解为正序电流、负序电流和零序电流，而三相平衡系统中只有正序电流，故只需补偿负序电流和零序电流，就可以将不平衡的三相电流转变成平衡的三相电流。采用星角混合接法的电容、电抗元件，可补偿或大大减小零序电流与负序电流，使系统转变成基本平衡系统。

配网无功补偿的主要手段是并联电容器。为了提高配网功率因数，加强就地平衡补偿，一方面应加强用户的无功管理，提高用户的功率因数，加强用户的就地平衡补偿；另一方面，应根据配网的实际情况，采取电容分散补偿（在用户侧）与集中补偿（在变电站内）相结合、高压补偿与低压补偿相结合的方法，进行无功的就地补偿。

参考文献：

[1] 程力.低压配电网三相不平衡的危害及消除措施[A].第四届用电技术 专业委员2001年年会论文集[C].2001：67

[2] 黄其励，高元楷，王世桢，等.电力工程师手册电气卷[M].北京：中国电力 出版社，2000.