低压配电网三相不平衡问题及对策

高永键

（广东电网汕头南澳供电局有限责任公司，广东 汕头 515900）

0 引 言

运行人员在对三相不平衡问题进行分析研究时，可以从其产生原因入手，顺藤摸瓜找到问题的影响对象，然后归纳总结问题产生的具体危害，使有源不平衡补偿装置与典型硬件拓扑等有用武之地。因此，本文重点针对低压配电网中存在的三相不平衡问题及对策进行分析。

1 低压配电网三相不平衡概述

电力系统的低压配电网中，三相电压量大小相等，并按照顺序排序。三相彼此之间构成2π/3角，这种情况被称为三相平衡；反之，则被称为三相不平衡系统。三相不平衡的产生原因可以分为正常性和事故性两类。正常性不平衡主要是系统三相元件或者负载批次之间不对称造成的。将三相电压允许不平衡度作为衡量电能质量的指标，在一定程度上是根据正常性不平衡来确定的。

一般情况下，三相电压不平衡是三相负荷之间彼此不平衡造成的。当不平衡的三相电压加在三相电动机上时，会导致电动机产生负序电流、阻尼力矩，从而导致电动机转子中的热损失增加，造成电动机温度升高，噪声变大。尤其是当一相开路时，电动机会处于两相运行的状态。如果此时的负载不变，则会导致电动机被烧坏。

2 三相不平衡问题对低压配电网的危害分析

2.1 对变压器的危害

三相不平衡问题对变压器的危害主要表现在以下两方面。

第一，对出力方面的影响。变压器主要应用对象为三相，其输出容量等同于三相输出容量值相加之后的和[1]，远远大于每一相输出容量。变压器应用时，三相电路需要处于平衡状态，才会使变压器的绕组结构处于正常运行状态，相关的电气特征参数才正常，且其在每相中的数值是一致的。当三相不平衡问题出现后，三相中的输出容量必定不同，最大输出容量数值也会降低，导致电气特性参数出现差异。有了差异，必定有大小之分，这会对三相负载造成影响，进而影响变压器的最大出力。该出力数值以负载最大相为参照。实验证明，三相不平衡状态下的变压器利用率和过载能力都会下降。

第二，对损耗的影响。在三相不平衡状态下，变压器的运行效率会下降，运行时间内的损耗也会增加。这种状态下的变压器电压会出现高低之分。高压和低压产生的电流也不相同，主要分为无零序电流和零序电流。零序电流在流通中会发生励磁反应，会将变压器作为电路构成范围，将金属构件、油箱壁等作为回路构成对象。因为变压器内部构件设计不考虑励磁问题和导磁设计，所以相关的金属构件不具备这样的导磁功能。当三相出现不平衡问题时，金属构件产生的磁滞和涡流等会造成大量损耗，而损耗会使金属构件温度直接飙升，损耗量会持续增大。此外，当变压器内部出现零序电流时，随之产生的是零序电阻。因为此电阻数值很大，所以造成的损耗会随之增加。

2.2 对线路损耗的危害

三相负荷不平衡不仅会对变压器损耗造成影响，还会严重影响线路损耗。三相平衡和不平衡状态下的电流形式不同，功率损耗也不同。配电网三相负荷不平衡时，电流主要为零序电流形式，数值为3I。线路损耗远远大于三相正常状态下的数值，而且是三相平衡状态下的6倍[2]。三相线路中，只有三相处于平衡状态时，线路损耗才能降至最低。运行人员在分析线路损害时，一定要采取定量分析方式。这种方法涉及的计算内容可以成为分析三相不平衡问题时的参考依据。定量分析中，除了分析电路功率损耗，还要考虑三相电流条件不同时，电流不平衡导致的附加线损。这些条件主要包括：相角相等，有效值不等；相角不相等，有效值相等；相角不相等，有效值也不相同。附加损耗将低，线路损耗也会降低。通过计算三种条件下的附加损耗发现，这三种情况都会产生损耗。但是，在第三种条件中，相角和有效值皆不相同的状态下，产生的附加损耗要远远大于其余两种条件下产生的附加损耗。所以，在线路损耗降低解决对策中，运行人员要将附加损耗降至最低，最好降低到零，因为这意味着三相处于完全平衡状态。

3 低压配电网中三相不平衡问题的解决对策

运行人员可以从技术层面和管理方面解决三相不平衡问题。技术层面主要采取技术措施解决电流不平衡问题，使电流重新归于平衡状态。利用相间无功补偿装置将有功功率转移可以实现此目的。运行人员也可以调整负荷，使其在经过换相装置后恢复平衡。这些方法在应用中各有优劣势，针对缺陷，运行人员要采用新技术来平衡三相负荷。有源型三相负荷不平衡补偿装置和数字信号处理技术则是新型技术设备的代表。运行人员可以通过研究，提高设备的补偿精度，使无功功率和谐波等得到有效补偿。管理方面主要将变压器和线路作为管理对象。在日常管理中，要时刻关注这两方面相关参数的变化。如果数值不再保持原状，运行人员要调整线路产生的负荷，使其分配比例满足要求。具体的三相不平衡问题解决措施如下。

3.1 应用有源不平衡补偿装置

有源不平衡补偿装置可以对电力电子功率进行调整。首先，运行人员要在外部配电网的相关电路中安装电流互感器。其次，利用该设备对电流数值进行采集，之后DSP控制器会接收其采集的数据。最后，对数据进行分析[3]。这些数据和电流有关，且数据中的电流类型不止一种，包括不平衡电流、谐波电流以及无功电流等。将这些电流数值和正常数值进行比较，找到需要补偿的对象，装置会自动选择补偿电流。运行人员还要将电流数值与寻找的需要补偿的电流成分数值进行比较，取其差值作为补偿信号。此信号最终输入驱动电路，驱动电路会与相关的功率管直接联系，从而使电网获得补偿电流。如此电网中的电流数值会趋于正常，处于平衡状态的电流会证明三相处于平衡状态。

3.2 电流检测算法

电流检测算法有多种，如基于FFT的谐波检测算法、基于瞬时无功功率的谐波检测算法、电流检测算法和主要控制算法等。基于FFT的谐波检测算法虽然可以对补偿信号进行计算，但会产生实时性差。基于瞬时无功功率的谐波检测算法通过计算机波电流值获得补偿信号，可以改善前一种方法的缺陷。综合性较强的电流检测算法也是基于瞬时无功功率，不仅可以检测三相不平衡状态下的电流，还可以测试无功以及谐波状态下的电流。在此背景下，运行人员需要计算基波电流值。原电流中包含补偿电流，运行人员还要依靠这两者的分离工作获得补偿信号。这种综合性检测方法精度较高，因此运行人员应发展综合治理装置，且要提高装置的多元化功能。主要控制算法可以分别有效控制直流侧电压和补偿电流，并显著提高补偿装置的补偿效果[4]。

4 结 论

在三相不平衡问题解决中，运行人员应随时注意配电网中电流或电压等参数值的变化。运行人员要做好参数动态实时测量工作，然后判断测量值是否已恢复正常。利用补偿装置前后，运行人员要将三相电流变化反映在电流趋势变化图中，从而对三相现状做出正确判断。此外，运行人员要监控线路损耗量，要将解决措施贯彻落实到低压配电网中，使三相恢复到平衡状态。