配电变压器三相负荷不平衡的危害及优化对策研究

陆 尧

枣庄矿业集团电力公司，山东 枣庄 277000

0 引言

近年来，配电网系统中的三相负荷不平衡问题逐渐受到社会大众的广泛关注。配电变压器如果负载三相负荷不平衡，会对配电网系统的正常运行造成影响。在三相负荷不平衡期间，配电变压器的损耗量明显增加，绕组热点的温度也会持续提升，这在一定程度上会影响配电变压器的负载能力，缩短配电变压器的使用寿命。通过计算配电变压器的损耗，能够分析变压器的使用年限，还可以有效评估其负载能力。因此，探讨三相负荷不平衡情况下的配电变压器的损耗具有重要意义[1]。文章主要探讨了配电变压器三相负荷不平衡的危害及其优化对策，希望为配电网系统的管理提供参考。

1 配电变压器三相负荷不平衡概述

1.1 配电变压器三相负荷不平衡的含义

配电变压器三相负荷是指用三根相线驱动配电变压器的工作，三相负荷的工作状况包括三相负荷平衡和三相负荷不平衡。当三条相线的电压值相同时，三相负荷平衡，此时的电能消耗较少；当三条相线的电压不同时，会产生三相负荷不平衡的现象，此时输送电能会造成线损率升高，从而引发火灾等问题。

用户负荷、使用时间、电力系统规划和负荷分配都会对配电变压器的三相负荷平衡产生重要影响。在电力系统中，许多用户使用单相负荷或者混合使用单、三相负荷，由于各个家庭使用的电器不同，负荷大小及用电时间不同，配电器三相负荷不平衡的现象时常发生[2]。

1.2 配电变压器三相负荷不平衡的成因

造成三相负荷不平衡的主要原因是低压台区电网结构不合理、临时用电及季节性用电缺乏固定性、大功率电器的迅速普及、日常维护及用电管理不当和系统状况异常等[3]。

（1）低压台区电网结构不合理。部分农村或者城郊低压电网系统结构不够稳固，再加上使用时间过长，改造投入力度较小，存在单向低压线路，使配电变压器的三相负荷出现问题。

（2）临时用电和季节性用电缺乏固定性。在临时用电和季节性用电中一般会使用许多单相用电设备，并且分布缺乏集中性，故无法实现对用电时间的合理管控，导致三相负荷不平衡。

（3）大功率电器的迅速普及。近年来，我国农村居民的经济条件逐渐变好，对于大功率电器的购买及使用欲望也逐步增加，这在一定程度上造成了台区大容量单相负荷的迅速增长。农村居民家用电器的使用比率上升，再加上每个家庭的电器化程度存在一定的差异性，使三相电源中的各相负荷失去了平衡，引发配电变压器三相负荷不平衡的问题[4]。

（4）日常维护及用电管理不当。针对三相负荷不平衡没有统一且具体的管理模式和考核制度，同时操作维修人员也没有特别关注变压器的三相负荷不平衡情况，再加上对电源方案的审核仅停留在配电变压器容量的审核上，使得管理工作不够精细，也无法把新增用户科学合理地分摊到低压三相线路中。

（5）系统状况异常。以一相和两相断线故障为例，在故障断电后，负荷也会随之切断，从而打破原本的平衡状态，对配电变压器及低压网产生影响[5]。

2 配电变压器三相负荷不平衡的危害

2.1 增加配电变压器的损耗

2.1.1 损耗增加导致的危害

配电变压器的设计和生产是依据三相负荷平衡时的实际情况而定的，各相的输入电流、损耗反应力、产生励磁电流的电阻方向大致相同。若配电变压器三相负荷平衡，且各相电流的流向一致，配电变压器的压降方向也一致，那么输出的额定电流流向也一致。若配电变压器三相负荷不平衡，其一次侧无零序电压，二次侧无零序电流，而且二次侧的零序电流全部变成励磁电流，产生的零序电磁通重叠在主电通上，产生零序电动势，从而使低中性点的直接接地输出电流发生偏移，高负荷时相电压减小，低负荷时相电压增大。当电流偏移较大时，单相变压器的输出电流甚至可以超过直接接通时的电流。

如果线路的接地保护措施不佳，由中性线的电流所导致的高压电流将会严重威胁人员生命安全。同时，由于不同的变压器保护装置的绕组温度及压力降不同，在产生不规则的高电流时会导致单相装置工作异常，且过电压会破坏各项电气设备。配电变压器在三相负荷不平衡情况下工作时，变压器负载中的设备容易发生故障，如缺项、接点过热或个别密封胶垫损坏等。同时，增加的损耗会导致变压器的散热机能降低，而金属配件的运行温度会相应提高，严重时会损坏变压器绝缘，进而烧毁整个变压器。

2.1.2 损耗计算

配电变压器的功耗分为铁损耗和铜损耗。在三相负荷不平衡时，在配电变压器的低压侧非常容易产生零序输出电压。以Y,yn0型的地面配电交流变压器为例，这种型号配电变压器一般由三个铁芯构成，在其一次侧无零序电流，而在其二次侧有零序电流，而且二次侧的零序电压就是励磁电压。配电变压器的零序电流不能完全密封在铁芯上，需要密封气缸壁，将能量转移到磁性盒或附件，从而导致铁损耗。当中心柱磁流密度为1.4 t时，圆筒壁损耗仅为铁芯损耗的10%；当中柱磁流的能量密度增加到1.65 t时，圆筒壁损耗超过芯耗的50%。因此，当配电变压器三相负荷不平衡时，三相绕组的总损耗可用下式计算：

式中：Pf1为三相绕组的总损耗，kW；Ia、Ib、Ic为三相负荷电流，A；R1为变压器二次侧绕组电阻，Ω。

例如，型号为SJ 315 kVA、容量为10 kV/0.4 kV的变压器，其零序电阻R0=0.122 Ω，零序电抗X0=0.174 Ω，绕组电流Ia=100 A、Ib=200 A、Ic=300 A。

通过计算可得，零序输出电流I0=173 A，零序输出电流损耗功率P0=I02R=3.65 kW。再加上铜损ΔPf=0.17 kW，总损耗功率ΔP=P0+ΔPf=3.85 kW。一整年的损耗电量为W=3.85×8 760 kW·h=33 726 kW·h。中性点偏移电压为

综上，此种配电变压器在三相负荷不平衡运行时形成的电能损失、电流偏移都较大，不应被忽略。

2.2 降低配电变压器的出力

在配电变压器中，各相的输入线圈的结构、性能都相同，根据其容许最大输出电流，三相电源负载中各相一般能达到最大容量。然而，配电变压器在三相负荷不平衡的情况下运行时，它的出力会受到一定的影响。配电变压器输出容量的减小幅度与三相负荷不平衡的程度直接相关。三相负荷不平衡的程度越大，配电变压器的容量减小幅度也越大。当配电变压器处于三相负荷不平衡状态时，其输出容量将达不到最大额定值，备用容量和过载容量也将降低。如果接线电压相同，而且单相供电设备的最大额定容量和三相变压器的最大额定容量相等，则三相变压器的实际容量约为该变压器最大额定容量的58%。例如，针对100 kVA的变压器，如果其两侧的额定电流都是144 A，而且三相负荷的最大电流为-144 A和72 A，那么变压器的额定容量的最大利用率为60%～70%。

2.3 增加线路的损耗

配电变压器在传送电能时，经过线路的电压发生变化，形成了功率损失。线路的功率损失与经过线路的电流和电压的比值的平方成正比关系。若配电变压器在三相四线制系统线路中使用最高输送电流输送电能，此时的有功功率损耗可用下式计算：

式中：I0为中性线的电流；Ra、Rb、Rc为各相引线的电阻；R0为中性线的阻值。在三相负荷平衡时，Ia=Ib=Ic=I0。当I0=配电变压器的电流时，传过线路的电压将产生电量损耗。研究显示，当三相负荷不平衡时，配电变压器的线路损耗明显高于正常运行时的线路损耗。

2.4 降低发电机的效率

若配电变压器处于三相负荷不平衡的状态，会产生不规则的输出电流场，产生正序、负序和零序三个电流分量。当连接发电机时，负序电流将形成与等效正序电流方向相背的旋转磁场，因而形成对应的制动效果。在发电机工作时，如果三相负荷平衡，等效正序电流磁场比负序电流磁场大很多，电机仍然在与等效正序电流磁场一致的方位上工作；当三相负荷不平衡时，负序磁场的制动效能会在一定程度上减弱发电机的输出功率，此种效应会随着负荷不对称性的增加而增加。因此，配电变压器的三相负荷不平衡对于发电机的正常运行有危害，会导致发电机的效率降低。

3 配电变压器三相负荷不平衡的优化对策

3.1 加强变压器的规划管理

针对变压器规划管理中存在的问题，需要制订严格的管理制度，必要时可以建立负荷管理等级评价制度。在变压器的规划管理中，工作人员需要提升自身的工作责任感，确保各项制度的落实，不能存在侥幸心理。电力部门也需要对现场技术人员实施岗位培训，使其全面掌握相关技术规范，同时提高现场作业人员的专业技能。电力部门需要帮助相关工作人员树立责任观念，确保其在配电变压器的检测过程中，能够合理地分析其中存在的问题并及时处理，合理调整负荷结构[6]。除此之外，工作人员还需要分析当前的用电情况，并根据技术要求合理设置变压器；要充分结合实际需要，建立较完善的计算机控制系统，按照变压器工作的使用需求，监测变压器的具体运行情况。

3.2 加强用户管理

电网的运行与变压器存在密切关系，而变压器的负荷与用户存在一定的联系。因此，在实际生活中，供电部门需要根据季节用电需求及用户的情况，实施用电量的基础分配。需要充分结合用户的实际需要及其在用电过程中存在的问题，合理地开展系统管理工作，如制定用电策略，平衡用户用电量及变压器。基于用户在配电变压器应用中的主体地位，供电部门需要在操作过程中加强用户管理，以有效解决变压器三相负荷不平衡的问题。

3.3 开展无功补偿管理

配电变压器负荷受多种因素影响，供电部门需要结合实际情况，开展无功补偿管理工作，以此保障电网供电的稳定性。线路供电会受多种因素影响，产生线路磨损的问题。在统计无功补偿相关信息时，供电部门需要科学地计算、规划线路应用周期，以此保障各相负载量的平衡。利用无功补偿管理能够在一定程度上提升变压器的利用效率，通过计算故障处的用电量，可以准确找到三相负荷不平衡的原因。

3.4 加强对配电变压器三相负荷的监控

三相负荷不平衡问题会加大配电变压器的电能损耗，基于此，供电部门需要加强对配电变压器三相负荷的监控，确保及时地调节负荷，以此保障三相负荷的平衡[7]。可以用钳形电流表测量变压器出线及低压线分支位置的各相电流和中线电流，一旦其超过规定的不平衡度，需要在第一时间调整各相负荷，按照用户的数量、负荷类别及漏电情况，科学地分配单相负荷用户[8]。

4 结束语

近年来，我国经济水平显著提升，在此背景下电网改造也逐渐朝着大规模的方向发展。低电压的配电系统能促进电能的转换，在一定程度上保障用电系统供电，并提高配电电压系统的稳定性。但是，受人为因素及自然因素的影响，三相负荷不平衡的现象频繁发生，对配电线路会产生一定的破坏作用。因此，电力企业需要结合现实情况，调整变压器的负荷分布，以减少电能损耗，保障电力系统的平稳运行。