配网三相负荷不平衡治理方案研究与应用

李从林，王鹏，李昱辰

（国网陕西省电力公司商洛供电公司，陕西商洛 726000）

近年来，随着国民经济飞速发展，电力负荷越来越大，大量单台容量在500～2000 W大功率单相家用电器进入0.4 kV配网，同时由于我国低压配电网大多数是通过10 kV/0.4 kV二绕组变压器以三相四线制向用户供电[1]，即三相生产用电与单相负载混合供电的用电模式；且受用户接入过程中选相管理执行不严格，用户不可控增容等因素影响，引起大量配变三相负荷分配不均，导致三相不平衡现象普遍存在，对配变台区产生了一系列的影响，主要包括：配变出力降低，电能转换效率下降；增加了配变变压器和线路的损耗；配变台区重载相产生低电压；配变零序电流增大，引起配变运行温度异常升高，危及安全运行[2]。因此降低配变台区三相不平衡度，提高配网经济运行水平和供电电能质量迫在眉睫，亟待解决。本文分析了现有三相不平衡治理现状，提出了一种基于三相换相装置的三相不平衡自动调整系统。

1 配网三相负荷不平衡解决方案

1.1 人工换相治理方案

人工换相主要是采用相平衡控制法，其调整策略是选取某配变的若干单相用户，通过人工测量、或用电信息采集系统采集的配变运行数据，通过试错法对低压线路上A、B、C三相负荷换相操作，使三相负荷达到均衡[3]。这种方法虽然成本较低，但工作量大、且需要停电工作，同时又由于负荷的随机性和不确定性，依靠人工调整很难取得较好的效果。

1.2 相间串接电容的调整方案

在两相间跨接电感或者电容可以在两相间转移有功。此种调整方案主要是在相线之间和相线与零线之间串接合适的电感、电容，然后按照一定的控制策略在相线之间和相线与零线之间投切电容、电感来转移相间的有功，平衡三相负荷，降低零线电流。

如图1所示，电容C跨接在A相和B相之间，电容C两端为线电压Uab（Uba），从A相看，电容C的电流Ica超前于Uab90°，同时进行矢量分解，分解为垂直于Ua的电容电流Iac和与Ua反向的有功电流Iar，即Iar为Ia的负序分量，相当于A相有功电流减少为Ia-Iar。同理，在B相将产生一个Ibr的正序分量，即B相有功电流增大至Ib+Ibr。这样看来，相当于将A相的电流转移至B相Ibr（Iar）大小的电流，改善了三相不平衡度。

此种方案的不平衡调节能力主要取决于低压配电网的功率因数，当功率因数小于0.75的时候，调整效果较好，大于0.75的时候，由于在调整三相电流时，会发生无功穿越，导致调整效果不理想，而且目前低压系统感性无功较少，功率因数较高，故不平衡调节能力一般。

图1 相间跨接电容调节负荷平衡原理图

1.3 SVG的三相不平衡自动调整方案

静态无功发生器（SVG）基于大功率换流器，以电压型逆变器为核心，直流侧采用直流电容为储能元件以提供电压支撑，在运行时相当于一个电压、相位和幅值均可调的三相交流电源，能够动态补偿系统无功，同时具备调整三相电流的作用[4-5]。调整三相电流不平衡原理图，如图2所示。

图2 调整三相电流不平衡原理图

SVG开启后，通过外接的电流互感器实时检测系统电流，并将系统电流信息发送给内部控制器进行分析处理，以判断系统是否处于不平衡状态，同时计算出达到平衡状态时各相所需转换的电流值，然后将信号发送给IGBT并驱动其动作，将不平衡电流经交—直变换储存于电容中，再经直—交变换将储存的电流转移到电流小的相别，实现三相平衡。

SVG一般安装在配变低压侧，可以精细补偿某相电流，使配变的三相总线电流平衡，但无法解决负荷侧的三相不平衡，同时由于内部有大量的电力电子器件，设备自身损耗大[6]。

基于以上配网三相负荷不平衡研究现状，结合0.4 kV配电网分支线多的特点，本文提出了三相自动换相装置系统，解决配网台区三相负荷不平衡问题。

2 三相自动换相装置的配网三相负荷不平衡治理方案

2.1 基本原理

三相自动换相装置是基于相平衡控制算法，通过自动切换用户的相序，来改善三相电流不平衡度[7]。三相自动换相装置系统的核心是台区控制终端，实施主体是三相换相装置。台区控制终端负责收集配变低压侧三相电流数据，进行分析计算，按照最优三相不平衡控制策略（最少的开关动作次数获取最优的三相不平衡度），命令三相换相装置进行相序切换操作，调整三相负荷，改善三相不平衡度，三相换相装置按照“过零投切”，顺序换相的原则进行支线相序的变换。

2.2 三相换相装置原理

图3为三相换相装置原理图，分支线L1，L2，L3分别通过继电器 K1，K2，K3与 A、B、C 三相连接，在进行换相切换时，以ABC、BCA、CBA的顺序，按照“出线电流过零切除，进线电压过零投入”的原则，依次投切相应的继电器，最终实现相序的顺序转换。为确保在投切过程中的安全性，继电器在投切时，先在临近零点时投入一台，然后在等电位投入另一台。例如要实现ABC向BCA相序转换，则L1断开K1，接通K2，L2断开K2，接通 K3，L3断开 K3，接通 K1，即可实现相序转换。

图3 三相换相装置原理图

2.3 换相计算

按照配变台区的接线布置情况，台区总线上每一相的电流可由式(1)计算得出：

三相换相装置安装在配电台区各分支线与主线“T”接点处，每一个分支线相序3种排列方式（ABC，BCA，CBA），若配变台区有N个分支线，则共计有 3n种组合顺序，同时计算A相、B相、C相电流平均值和三相不平衡计算公式，按照最接近或小于15%三相不平衡的原则，以开关动作数量最少实现最小的三相不平衡度进行控制。

2.4 理论计算

假设台区有8条分支线，选择5条分支线安装5台三相智能综合箱，则每一相的换相组合如表1所示。

表1 换相组合

由表1可知，5路分支的排列组合方式共有3×3×3×3×3=243 种组合方式。

以三条分支线为例，A1=95 A，B1=60 A，C1=30 A；A2=75 A，B2=40 A，C2=30 A；A3=100 A，B3=75 A，C3=40 A。

表2 装置投入前各相支线电流

表3 装置投入后各相支线电流

2.5 相序转换策略

为消除因三相换相引起电机反转、中断供电等问题，保证换相装置安全可靠运行，在三相投切过程中找到最近的“零点”进行“过零投切”和双继电器配置，同时将投切时间控制在20 ms以内，具体投切动作和时间，如图4。

图4 最优组合顺序

由图4可以看出，断电开始到上电结束时间为16.5 ms，且在电压过零时进行投切。

2.6 换相装置安装原则

基于本三相不平衡治理方案的原理，安装的换相装置越多，则调整的效果越好，最优可以使三相负荷不平衡率达到5%，但当三相负荷不平衡度小于15%时，三相电流不平衡引起的配变出力降低、损耗变大、台区低电压等问题可以大幅度改善，考虑到投资效益和调整治理效果，实际安装中不必每一个分支都安装三相换相装置，换相装置的安装最少数量可以由式(2)计算得知，且每一个台区三相换相装置的安装数量不得少于分支线数量的

其中：IP为三相平均电流；Imax为三相最大电流；I支max、I支min为同一支路最大、 最小电流；n为最少安装个数。

3 三相自动换相装置在配网三相负荷不平衡治理中的应用

3.1 确定安装位置及数量

110 kV山阳变电站137广场新村综合变台区配变容量315 kVA，供电半径500 m，台区导线型号LGJ-120，共有分支线7条，供电用户300余户，负荷性质以居民用电负荷为主。测量各分支线电流，如表4所示。

从表4可以看出，A、B、C三相平均电流208 A，则需将A相电流转移115.3 A至B、C相，同时由于分支1～分支6线三相电流差值最大为42.5 A，经式（2）计算得出，n=3，故最少需安装3台三相换相装置才能满足要求，本次计划安装4台。

表4 各分支线电流

2017年商洛供电公司在该配变台区安装了一套三相不平衡调整系统，共安装三相换相装置4套，安装见图5所示。

图5 三相换相装置安装示意图

3.2 对比安装前后效果

依据PMS2.0系统配网管控系统，查询137广场新村综合变安装前后24 h电流曲线进行对比，如图6所示。

图6 安装前的配变三相电流

图6为安装前的配变监测的三相电流曲线，观察曲线可知，最大负荷时（20:00），A相电流最大282.16 A，B相电流208.48 A，C相电流最大205.92 A。

式(3)为三相电流不平衡计算公式：

其中，IP为三相平均电流。

由式(3)可得出未安装三相换相装置时，广场新村综合变台区三相电流不平衡度为21.52%。

图7为安装后的配电三相电流曲线，观察曲线可知，最大负荷时（20:00），A相电流最大217.92 A，B相电流最大212.48 A，C相电流最大248.16 A。由式(3)计算得知，安装后的不平衡度为9.71%，较未安装时的三相电流不平衡度降低了11.81%。

图7 安装后的配电三相电流

4 结论

本文分析了现有三相不平衡治理装置的工作机理，同时结合0.4 kV配电网分支线多的特点，运用了排列组合的基本算法，提出来基于三相换相装置的三相不平衡自动调整系统，并开展实际应用，取得了较好效果。但此方案在分支线较多的0.4 kV线路中使用时投资较大，且换相装置的可靠性对供电可靠性会产生一定影响，需要进一步研究。

参考文献：

[1]林志雄,陈岩,蔡金锭,等.低压配电网三相不平衡运行的影响及治理措施[J].电力科学与技术学报,2009,24(3):63-67.

[2]储婷,丁哲,吴善,等.配电网三相不平衡治理综述[J].电工电气,2016(10):6-9,19.

[3]何晓英,苗竹梅.电力系统无功电压管理及设备运行维护[M].北京:中国电力出版社,2011:28-29,71-75.

[4]陈磊,胡晓菁,史红辉.配变三相不平衡解决方案及控制策略[J].电力电容器与无功补偿,2016,37(3):95-99.

[5]夏道止.电力系统分析[M].北京:中国电力出版社,1998:37-43,133-135.

[6]郭育生,黄武忠.配网三相不平衡装置补偿装置的研究[J].广东电力,2008,21(1):17-19.

[7]张志华,李金宋,周捷,等.低压三相负荷不平衡治理控制策略研究[J].电气自动化,2016,38(2):69-71.