提高变压器的三相不平衡损耗精确度的方法

2022-08-03何兆磊古连蒙

数字通信世界 2022年7期

何兆磊，古连蒙，王景，何傲

(1.云南电网有限责任公司计量中心，云南昆明 650011；2.云南电网有限责任公司文山电力股份有限公司，云南文山 663000）

1 三相不平衡对配电变压器损耗影响分析

1.1 增加配电变压器的损耗

对于整个电力系统来说，配电变压器是其中主要的设备之一，若其长期处于三相负载不平衡的状态下，易导致低压侧形成零序电流，这样不仅会增强配电变压器的损耗，还可能缩短其使用周期，为电力企业带来经济损失。同时，变压器形成的无序电流往往会因三相不平衡的变化而出现波动。

1.2 降低配电变压器的出力

考虑到配电变压器所有线圈的结构性能都一致，虽然允许最大出力，但其数值不能超出额定容量，一旦超出的额定容量，会引发三相不平衡问题，致使输出容量无法满足设计标准，严重拉低设备的过载能力，情况严重还会导致配电变压器被损坏，造成不必要的维修费用。此外，若是配电变压器长期处于过载状态，将导致变压器内部温度升高，对配电变压器有着极大

的损害。基于此，须结合实际情况认真分析，充分保护好配电变压器，最大程度上提升其使用效率。

1.3 增加线路的电能损耗

对于三相四线制供电网络来说，在电流穿过线路导线时，考虑到负载不平衡的影响，会造成电能损耗，不仅拉低了工作人员的正常工作效率，还有可能加大对电网线路的磨损，干扰整个电力系统的运行。考虑到电能和电流的平方一直成正比关系，一旦低压电网按照三相四线制向外供电，会造成负载的影响，引发三相不平衡问题，损坏相线，给电力企业造成巨大的经济损失。

1.4 输出的电压不平衡

所有使用的配电变压器都是按照三相负载对称的模式设计的，在这种设计模式下，每相线圈的具体电阻、漏抗数值大体相等，若三相负载对称，此时穿过的电流也基本一致，因而输出的电压量也完全对称。但若是系统中存在三相不平衡的问题，就会形成励磁电流，导致电压出现偏移，输出的电压不对称，磨损配电变压器。

2 三相不平衡时配电变压器增加损耗的计算方法

在三相不平衡状态下，变压器存在不同程度的损耗，此处将其视为总损耗p’f，相比于变压器正常运行状态下的总损耗pf.而言，三相不平衡时存在增加的损耗，即：

从来源途径的角度来看，增加的损耗体现在两个方面：一是附加铜耗，指的是绕组直流电阻损耗的增加量；二是零序损耗，即漏磁通在压板、夹件等结构处的涡流损耗，而漏磁通的出现则与时序电流有关[1]。

2.1 变压器的联结方式

2.1.1 YynO联结方式

引入对称分量法，用于分解不对称的三相电流，经此途径后产生正序、负序和零序三部分分量，对于前两者，各自的等效电路、正序及负序阻抗均保持一致，损耗计算与三相对称稳态相同。对于零序分量，由于变压器一次绕组采用的是Y接线方式，无中性线，因此在对应的等效电路中，零序电流无通路；进一步分析二次侧，该部分采用的是yn接线的形式，有中性线，意味着此时的零序电流有通路。根据该思路，确定零序等值电路示意图，具体如图1所示。

图1 零序等值电路

图中，Z0,Z'0分别是一、二次侧的零序阻抗；Z1是一次绕组漏阻抗；Zm0是零序励磁阻抗；Z'2是折算至一次侧的二次绕组等效漏阻抗。

2.1.2 Dynll联结方式

Dynll联结方式的零序等值电路图，如图2所示。通过与前述的YynO联结方式对比发现，在正序和负序分量的分析中，两者的思路基本一致。对于零序分量，此时零序电流在一次绕组中形成环路，一次侧绕组内部呈闭合的状态，但相比之下外部则类似于开路的状态，结合图2分析可知，一次侧零序阻抗Z0有向无穷大方向发展的变化趋势，对于二次侧绕组，此部分采用的是yn接线的方式，对应于零序电流而言，有通路。

图 2 零序等值电路

零序电流在一、二次侧绕组内形成回路，对二次侧零序电流而言，虽然存在励磁电流，但相对较小，因此无明显的漏磁通，在夹板、压板等结构件上产生的涡流损耗甚微。因此，同为三相不平衡的变压器运行状态，相比于YynO联结方式，Dynll联结方式的零序损耗明显更小，由此也说明在Dynll联结方式下，有利于提升变压器带三相不平衡负载的能力，从而保证变压器的稳定运行。

2.2 仿真分析及试验研究

2.2.1 负荷不同引起的三相不平衡

动态调节三相负荷，由此营造不同的平衡度，采用此方式组织变压器温升试验。对此，整合仿真结果和实际试验结果，以便对比分析变压器的各类不平衡度所对应的损耗情况。

研究表明，仿真结果与试验结果具有高度的趋同性，意味着损耗计算模型的可行性较高。根据数据变化特点可知，在不平衡度增加之下，变压器损耗有加大的变化趋势。由此，引入MATLAB软件，在该平台上做进一步的函数拟合操作，从而确定损耗曲线的函数，具体如下：

根据公式（1）得知，不平衡度的增加会带来变压器损耗的增加，两者呈二次函数增加的规律。式中，二次项与一次项之和指的是变压器增加的损耗值（建立在负载率为0.6且发生三相不平衡状况的前提下）。

2.2.2 功率因数不同引起的三相不平衡

调节三相负载性质，由此改变变压器的不平衡度，此处考虑的是15%、25%两项参数，进行温升试验，结果如表1所示。

表1 三相不平衡时变压器仿真和试验损耗值

在确定具体的不平衡度后，将其代入公式（1），此时计算所得的损耗值与试验值和仿真结果高度趋同，意味着就不平衡损耗方面而言，功率因素差异、负载差异各自引起的该损耗的变化具有一致性。

各不平衡度对应的损耗情况，如图3所示。

图3 各不平衡度下损耗的堆积柱状图

分析发现，在不平衡度增加的变化条件下，对应的零序损耗也有加大的变化，并且在某个节点将超过负载损耗和空载损耗，此时各自的占比发生改变，即零序损耗成为主要的损耗形式。

零序电阻随零序电流变化的曲线，如图4所示。

图4 零序电阻与中性线电流的关系曲线

分析发现，当零序电流增加时，零序电阻随之发生改变，并且该值趋向于某特定的值，意味着在不平衡度增加时，对应的零序损耗也有加大的变化，且该类损耗的占比提高，最终大于负载损耗和空载损耗。究其原因，随着零序电流的加大，对应零序磁通开始增加并且随着变化的持续发生而趋于饱和，最终零序励磁阻抗达到某特定的值并保持相对稳定的关系，而此时零序电阻也将趋近于某特定值。

为深入探讨在不平衡度发生改变后，对应变压器带负载能力的变化情况，生成了具体的损耗曲线，同时将其与不同负载率时的损耗曲线进行整合，以便对比分析，具体如图5所示。

图5 不平衡度与负载率对损耗的影响曲线图

分析发现，在相同负载率时，为了有效控制变压器带三相不平衡负载时的温升，需要采取降负荷运行的模式，以免温度超出许可范围。

3 防止配电变压器三相不平衡的管理措施

3.1 加大对负载不平衡的管理力度

为了有效解决配电变压器三相不平衡的问题，必须提升对负载不平衡的管理强度，按照标准每隔一段时间进行一次电流监测。一旦在监测时排查出电流异常，必须立即排查引发异常的主要原因，第一时间制定相应的解决方案，尽可能避免因三相不平衡对配电变压器带来的磨损[2]。

3.2 加强对用户的管理力度

为有效保障变压器能够一直处于负荷平衡的状态，相关人员必须提升管理标准，严禁用户出现违规用电行为。正是因为用户用电情况同样会影响配电工作的情形，相关工作人员必须根据不同季节的用电特征制定对应的方案，最大程度提升配电变压器的工作效率，保障变压器一直处于安全运行状态下。不仅如此，工作人员还应掌握用户用电状况，根据具体用电需求制定电网年度运行方式，确保三相负载平衡，保证用户用电的安全。

3.3 加强无功补偿

可以通过加强无功补偿来维持三相负载的平衡，这样不仅能控制零相电流，还能够有效提升供电电压的稳定性，提升配电变压器的使用效率。基于此，工作人员应提前制定相应的解决方案，做好补偿，以此提升使用者的满意度，推动企业可持续发展。

3.4 加强对线损的分相管理

还应重视对线损的分相管理，借助配电变压器，尽可能避免出现三相不平衡的问题，维系电力系统的正常运行。在进行线损分相管理前必须保证三只单向电能表完全分开，统计系统内所有用户的用电情况，定期对线损分项报表展开分析，分析三相线路电流是否处于平衡状态下，这不仅能够提升工作人员的工作效率，还能够长期维系电力系统的安全运行。