三相不平衡调节装置在农村电网应用分析

三相不平衡调节装置在农村电网应用分析

张涛1张辉2

(1渭南供电分公司714000;2华州区供电分公司714000)

摘要：本文针对农村电网存在的三相不平衡带来的危害，采用三相不平衡调节装置对三相不平衡进行治理。概括了三相不平衡调节装置的基本工作原理，通过计算分析对应用了三相不平衡调节装置电网进行效益分析，通过效益分析证明了三相不平衡调节装置在农村电网中针对三相不平衡治理的正确性。

关键词：农村电网；三相不平衡；效益分析；三相不平衡调节装置

0引言

随着社会、经济建设的快速发展，农村多样化的经济体系也通过快速发展得到逐渐稳固，农村家庭生活也逐步得到提高，与之相对的农村用电负荷也呈现几何增长。各种电器、生产工厂等含有大量的单相负载，由于单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等，使得农村配电系统基数在越来越大的同时三相不平衡、功率因数低、电能质量差等问题也日益凸显。三相不平衡的出现会增加电网线路的损耗，增加零线温升，同时增加配变电能损耗、配变出力减少、产生零序电流、配变温升增加、寿命降低，因此解决农村用电三相不平衡成为新农村建设的主要任务之一。

三相负载不平衡的影响

1．增加线路的电能损耗。在三相四线制供电网络中，电流通过线路导线时，因存在阻抗必将产生电能损耗，其损耗与通过电流的平方成正比。当低压电网以三相四线制供电时，由于有单相负载存在，造成三相负载不平衡在所难免。当三相负载不平衡运行时，中性线即有电流通过。这样不但相线有损耗，而且中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。

2．增加配电变压器的电能损耗。配电变压器是低压电网的供电主设备，当其在三相负载不平衡工况下运行时，将会造成配变损耗的增加。因为配变的功率损耗是随负载的不平衡度而变化的。

3．配变出力减少。配变设计时，其绕组结构是按负载平衡运行工况设计的，其绕组性能基本一致，各相额定容量相等。配变的最大允许出力要受到每相额定容量的限制。假如当配变处于三相负载不平衡工况下运行，负载轻的一相就有富余容量，从而使配变的出力减少。其出力减少程度与三相负载的不平衡度有关。三相负载不平衡越大，配变出力减少越多。为此，配变在三相负载不平衡时运行，其输出的容量就无法达到额定值，其备用容量亦相应减少，过载能力也降低。假如配变在过载工况下运行，即极易引发配变发热，严重时甚至会造成配变烧损。

4．配变产生零序电流。配变在三相负载不平衡工况下运行，将产生零序电流，该电流将随三相负载不平衡的程度而变化，不平衡度越大，则零序电流也越大。运行中的配变若存在零序电流，则其铁芯中将产生零序磁通。(高压侧没有零序电流)这迫使零序磁通只能以油箱壁及钢构件作为通道通过，而钢构件的导磁率较低，零序电流通过钢构件时，即要产生磁滞和涡流损耗，从而使配变的钢构件局部温度升高发热。配变的绕组绝缘因过热而加快老化，导致设备寿命降低。同时，零序电流的存也会增加配变的损耗。

5．影响用电设备的安全运行。配变是根据三相负载平衡运行工况设计的，其每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。当配变在三相负载平衡时运行，其三相电流基本相等，配变内部每相压降也基本相同，则配变输出的三相电压也是平衡的。

假如配变在三相负载不平衡时运行，其各相输出电流就不相等，其配变内部三相压降就不相等，这必将导致配变输出电压三相不平衡。同时，配变在三相负载不平衡时运行，三相输出电流不一样，而中性线就会有电流通过。因而使中性线产生阻抗压降，从而导致中性点漂移，致使各相相电压发生变化。负载重的一相电压降低，而负载轻的一相电压升高。在电压不平衡状况下供电，即容易造成电压高的一相接带的用户用电设备烧坏，而电压低的一相接带的用户用电设备则可能无法使用。所以三相负载不平衡运行时，将严重危及用电设备的安全运行。

6．电动机效率降低。配变在三相负载不平衡工况下运行，将引起输出电压三相不平衡。由于不平衡电压存在着正序、负序、零序三个电压分量，当这种不平衡的电压输入电动机后，负序电压产生旋转磁场与正序电压产生的旋转磁场相反，起到制动作用。但由于正序磁场比负序磁场要强得多，电动机仍按正序磁场方向转动。而由于负序磁场的制动作用，必将引起电动机输出功率减少，从而导致电动机效率降低。同时，电动机的温升和无功损耗，也将随三相电压的不平衡度而增大。所以电动机在三相电压不平衡状况下运行，是非常不经济和不安全的。

1三相不平衡调节装置工作原理

本文设计的三相不平衡调节装置主要由主控制器和智能换相开关组成。主控制器通过检测配电网总线的电压，结合换相开关所监测到的电流，通过分析计算三相之间的不平衡度，结合计算结果对存在不平衡的各相进行调节控制，从而达到三相平衡的治理效果。

智能换相开关主要采用双相晶闸管并联接触器结构，该种结构能够实现换相过程快速无误的目的。换相开关可根据需要采集的负载电流的位置安放，其主要目的是采集各负载端的负载电流，通过线路回馈给主控制器进行对比分析，同时接受主控制器的调节信号，对三相不平衡进行调节。

2三相不平衡调节装置计算分析

本文所采用的三相不平衡调节装置一般安装在配变二次进线侧，三相不平衡调节装置的节能效果主要体现在减少配变的损耗上，以下对配变效益进行分析和相关计算。

2.1配变损耗节能计算

以250kVA10/0.4kV变压器为例，设R1为变压器绕组等效电阻，R0为零序电阻，取R1=0.00849Ω，R0=0.122Ω。设有三相负载电流分别为IA=220A,IB=130A,IC=290A,功率因数均为0.86,则I0=61A。

则平衡及补偿后，

IA′=213A,IB′=213A,IC′=213A，I0′=0A,功率因数均为1

减少铜损：

△P1=(IA2+IB2+IC2)×R1-[(IA′)2+（IB′）2+（IC′）2]×R1=112.8W

减少铁损：

P0=I02×R0-I0′2×R0=454W

减少零序电流：61A

总共减少损耗112.8W+454W=566.8W。

每年按运行8760h计算，负载率0.7，那么：

总电能=运行时间×负载率×额定功率；

总电能：8760×0.7×250000=1533000(kWh)

节约电能：566.8×8760=4965(kWh)

减少线损率：4965/1533000×100%=0.32%

2.2配变增容效益计算

跟据视在功率计算公式：

S=√3UIcosφ（1）

平衡补偿后变压器相当于增容：

△S＝√3×0.4×（290-213）＝53.3kW

负荷率按0.7，带载负荷功率因数按0.8，每年按运行8760h计算，每年可多供电量：

53.3×8760×0.8×0.7＝261468(kWh)

渭南供电分公司在华州区安装的三相不平衡调节装置，依据现场设备运行情况分析，本次安装5台设备全部到达设计要求，设备运行正常。从运行数据可以看出，设备投运后，变压器出线侧三相电压基本一致，三相电流基本一致，功率因数趋近于1，由此可以看出变压器工况非常好。变压器出线侧三相达到平衡后，可以大幅降低低压配电网线路损耗。使无功达到就地平衡，提高配电网时机输出容量。实时改善电压质量，稳定系统电压，提高配电质量，改善用电环境。

3三相不平衡调节装置配电效益

3.1配变延长使用寿命效益分析

三相不平衡时重负荷相电流过大，超载过多，造成绕组和变压器油的过热。绕组过热，绝缘老化加快；变压器油过热，引起油质劣化，迅速降低变压器的绝缘性能，减少变压器寿命（温度每升高8℃，使用年限将减少一半），甚至烧毁绕组。按变压器单价3万元使用寿命15年，使用本装置后增加寿命2年，变相减少变压器投入成本。

3.2配变维护效益分析

配变是根据三相负载平衡运行工况设计的，其每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。当配变在三相负载平衡时运行，其三相电流基本相等，配变内部每相压降也基本相同，则配变输出的三相电压也是平衡的。假如配变在三相负载不平衡时运行，其各相输出电流就不相等，其配变内部三相压降就不相等，这必将导致配变输出电压三相不平衡。同时，配变在三相负载不平衡时运行，三相输出电流不一样，而中性线就会有电流通过。因而使中性线产生阻抗压降，从而导致中性点漂移，致使各相相电压发生变化，影响用电安全。增加运维成本。

4总结

通过上述分析可以看出，采用三相不平衡调节装置，可以达到提升电压质量，减少铜耗、铁耗、零序电流等相关的电网消耗，同时在同等用电情况下还能够节省电能，并且通过配电分析可以看出，通过采用该装置可以达到增容效果，使得每年供电量达到增加，证明了该装置的正确性。该装置提供了一种三相不平衡治理的方法，计算过程给三相不平衡治理提供了一定的参考。

参考文献:

[1]雷志涛；唐云峰.新型三相不平衡负荷无功补偿算法[J],电力电子技术,2010。

[2]黄国栋；杨仁刚；冯小明.三相不平衡负载无功补偿方法的研究[J],电测与仪表,2011。

[3]潘志；李湘华；陈岳；平杰.三相不平衡负荷的管理和降损技术研究[J],电力学报,2012。