云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局 李 虹

配電網(wǎng)直接面向用戶，是保證供電質(zhì)量、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、創(chuàng)新用戶服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來(lái)各電網(wǎng)公司不斷加大配電網(wǎng)投入，據(jù)統(tǒng)計(jì)南方電網(wǎng)公司配電線路及設(shè)備資產(chǎn)原值已占其資產(chǎn)原值28%，其中配電變壓器數(shù)量達(dá)60余萬(wàn)臺(tái)。配電變壓器的運(yùn)行工況很大程度上影響配網(wǎng)安全及用戶用電質(zhì)量，三相負(fù)荷不平衡(下稱三相不平衡)是配電變壓器運(yùn)行中面臨的一個(gè)普遍性問(wèn)題，且通過(guò)管理手段較難解決，而配變?nèi)嗖黄胶庠斐稍O(shè)備損壞、損耗增加、用戶電壓質(zhì)量低等諸多問(wèn)題，各供電單位每年配電變壓器負(fù)荷調(diào)整需付出大量人力物力。文獻(xiàn)[1]分析和總結(jié)農(nóng)村配電變壓器三相負(fù)荷不平衡原因及常用措施；文獻(xiàn)[2]以降低配電網(wǎng)的總體三相不平衡度為優(yōu)化目標(biāo)，利用圖論代數(shù)連通度理論對(duì)輻射狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束條件進(jìn)行快速求解，該方法難以解決局部配電變壓器三相不平衡問(wèn)題；文獻(xiàn)[3]提出了基于dq 變換的補(bǔ)償算法，但未給出工程應(yīng)用效果。

1 配電變壓器三相不平衡現(xiàn)狀及問(wèn)題

配電變壓器三相不平衡嚴(yán)重性：作者對(duì)云南電網(wǎng)某地區(qū)的配電變壓器三相不平衡度情況開(kāi)展調(diào)查統(tǒng)計(jì)如下：公用配電變壓器三相不平衡度超過(guò)80%配電變壓器數(shù)量占公用配變總數(shù)的8%；而三相不平衡度分布在50%～80%的配電變壓器占比達(dá)15%，不平衡度在30%～50%的配電變壓器最多，具體為32%；不平衡度在15～30%的配電變壓器占公用配變總數(shù)的30%，而不平衡度在15%以下只有15%。據(jù)南方電網(wǎng)《中低壓配電運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，配變變壓器的三相負(fù)荷應(yīng)力求平衡，不平衡度不應(yīng)大于15%。只帶少量單相負(fù)荷的三相變壓器中性線電流不應(yīng)超過(guò)額定電流的25%，不符合上述規(guī)定時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整負(fù)荷。調(diào)查地區(qū)配電網(wǎng)公用配電變壓器有80%左右不滿足不平衡度要求，因此配電變壓器三相不平衡度問(wèn)題是普遍且嚴(yán)重的。本文計(jì)算配變變壓器三相負(fù)荷不平衡度公式為：（最大相電流—最小相電流）/最大相電流×100%。

配電變壓器三相不平衡的主要危害：發(fā)生三相不平衡時(shí)，因存在負(fù)序或零序分量，對(duì)各種電氣設(shè)備產(chǎn)生不同的負(fù)面影響，其對(duì)幾種典型電氣設(shè)備危害總結(jié)如下：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。在不平衡電壓作用下，負(fù)序電流產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和輸出功率下降，引起電動(dòng)機(jī)振動(dòng)。負(fù)序電流使電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的銅耗增加，電動(dòng)機(jī)過(guò)熱并導(dǎo)致絕緣老化程序加快，運(yùn)行壽命降低；變壓器。其負(fù)載不平衡時(shí)，如最大相電流為額定電流、變壓器容量不能充分利用。如變壓器運(yùn)行于額定容量，造成局部過(guò)熱。另外由于磁路不平衡、大量的漏磁通經(jīng)箱壁使其發(fā)熱。相關(guān)研究表明，變壓器在額定負(fù)荷下，電流不平衡度10%其絕緣壽命約縮短16%；線路三相負(fù)荷不平衡，負(fù)序電流會(huì)產(chǎn)生附加損耗，同時(shí)使輸、配電線路電壓損失增加，降低電能質(zhì)量，影響用戶的電器使用。

配電變壓器三相不平衡治理存在的困難：除相關(guān)報(bào)道外，通過(guò)查清某地區(qū)用戶所接相別、分析負(fù)荷規(guī)律后發(fā)現(xiàn)，因負(fù)荷隨機(jī)性引發(fā)配電變壓器三相不平衡度問(wèn)題呈現(xiàn)隨機(jī)，其造成人工調(diào)整極其困難，是治理配電變壓器三相不平衡問(wèn)題的關(guān)鍵難點(diǎn)。圖1是某地區(qū)某臺(tái)區(qū)日電流變化趨勢(shì)曲線圖，橫坐標(biāo)時(shí)間、縱坐標(biāo)是電流，可明顯看出該配電變壓器三相負(fù)荷具有很強(qiáng)隨機(jī)性，負(fù)荷最大相交替出現(xiàn)，零序電流較大。下午17點(diǎn)～早上5點(diǎn)最大負(fù)荷主要是在C 相，早上5點(diǎn)～下午14點(diǎn)最大負(fù)荷主要出現(xiàn)在A 相，其間短時(shí)出現(xiàn)在B 相。此配電變壓器在不同時(shí)段最大負(fù)荷出現(xiàn)的相別不一致且三相負(fù)荷呈不規(guī)律變化，不同時(shí)間段配變不平衡度差異較大。

圖1 某配電變壓器日負(fù)荷曲線圖

2 治理措施

現(xiàn)有的配電變壓器三相不平衡度問(wèn)題治理措施和方法較多，下面對(duì)其中常見(jiàn)5中方法進(jìn)行闡述和分析。

調(diào)整負(fù)荷。即將負(fù)荷重的相所帶部分用戶轉(zhuǎn)移至負(fù)荷輕的相上。措施耗費(fèi)較多的人力物力，加之用戶負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化，因此實(shí)際操作效果不佳；均分負(fù)荷。配網(wǎng)中常使用平均負(fù)荷法來(lái)解決三相系統(tǒng)對(duì)單相負(fù)荷供電。適用于單相供電的用戶，可根據(jù)用戶的供電功率分相分配，使總的不平衡度減小；加裝電力變流器。其利用三相輸入單相輸出的電力電子變流器對(duì)功率較大的或者是很大的單相負(fù)荷提供高質(zhì)量電能。三相電流必然平衡，當(dāng)采用PWM 整流電路時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入功率因數(shù)的調(diào)整及對(duì)諧波的抑制。但是使用的開(kāi)關(guān)器件較多，控制也比較復(fù)雜，需要改變目前配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，難以推廣；平衡變壓器。平衡變壓器是三相變兩相變壓器的總稱，其原邊接三相電網(wǎng)系統(tǒng)，副邊輸出為兩個(gè)相互正交的電壓，可以看作兩個(gè)單相電壓。當(dāng)兩相所接單相負(fù)載相等時(shí)，在三相側(cè)的電流是平衡且對(duì)稱的；當(dāng)兩相所接單相負(fù)載不相等時(shí)三相側(cè)的電流仍是平衡的，不會(huì)產(chǎn)生零序電流。簡(jiǎn)單可靠但應(yīng)用局限大，僅適用于變化不大的線性負(fù)荷且不具備抑制諧波的能力，不能滿足用戶對(duì)供電靈活性的要求。

基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，是電力電子器件技術(shù)發(fā)展水平中的第三代產(chǎn)品，器件驅(qū)動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快，飽和壓降低而容量大。根據(jù)對(duì)稱分量法，任何三相不平衡的電流、電壓和阻抗都可以分解成三組分別對(duì)稱的相量，即正序分量、負(fù)序分量、零序分量，該裝置對(duì)各相電流進(jìn)行序分量計(jì)算，然后補(bǔ)償電流中的負(fù)序分量與零序分量，即從而實(shí)現(xiàn)三相功率平衡。其工作過(guò)程主要為：實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)電流，判斷系統(tǒng)是否處于不平衡狀態(tài)，同時(shí)計(jì)算出達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)各相所需轉(zhuǎn)換的電流值，基于該結(jié)果將信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT 并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)作，其將負(fù)荷最大相的交流電整流為直流電并儲(chǔ)存在裝置內(nèi)部的母線電容中，然后對(duì)直流電進(jìn)行逆變，最后釋放到系統(tǒng)負(fù)荷小的相。在不改變負(fù)載總功率的前提下，對(duì)三相負(fù)載功率消耗進(jìn)行重新分配，使單相、兩相功率消耗或者三相功率消耗不平衡，向三相功率消耗均勻分配，實(shí)現(xiàn)配電變壓器三相負(fù)荷平衡。

該治理裝置優(yōu)點(diǎn)包括：響應(yīng)速度快，全響應(yīng)時(shí)間≦10ms；實(shí)時(shí)動(dòng)作，該治理裝置實(shí)時(shí)采集電流，時(shí)刻跟蹤系統(tǒng)電流的變化，動(dòng)態(tài)及時(shí)調(diào)整，可適應(yīng)負(fù)載實(shí)時(shí)變化；保證系統(tǒng)安全，IGBT 特性決定了其不會(huì)與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振或引起諧波放大的情況，也不存在過(guò)補(bǔ)償及無(wú)功反送的情況；諧波治理，基于IGBT 技術(shù)的治理裝置可對(duì)多種諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

綜上，配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理技術(shù)措施較多，但前四種都具有極限性，使用效果不理想。而基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置既能治理三相不平衡問(wèn)題，又可提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量，可認(rèn)為是當(dāng)前最佳治理技術(shù)措施之一。

3 工程應(yīng)用

工程應(yīng)用于云南電網(wǎng)公司某供電局，所使用的基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，容量配置靈活，可根據(jù)補(bǔ)償容量選擇相應(yīng)的補(bǔ)償模塊數(shù)量，其單個(gè)模塊容量為25kVA。實(shí)施前，根據(jù)配電變壓器負(fù)荷情況計(jì)算出需安裝的智能型無(wú)功補(bǔ)償裝置容量，按比略高于計(jì)算值選擇安裝容量?；贗GBT 智能型三相不平衡治理裝置并聯(lián)在線路中，根據(jù)負(fù)載三相功率情況對(duì)基波功率重新分配達(dá)到三相平衡。

應(yīng)用案例1：選擇該地區(qū)的安寧街公變開(kāi)展應(yīng)用，治理前該配電變壓器額定容量315kVA，低壓側(cè)額定電流455A，基于歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)最大不平衡度為60.4%，對(duì)應(yīng)的A 相電流為89A、B 相29.9A、C 相35.6A。在該公變安裝一臺(tái)50MVA的治理裝置后，以投運(yùn)當(dāng)天即2020年6月5日為例，在12點(diǎn)30分投入治理裝置，裝置投運(yùn)后，配變變壓器由投運(yùn)前的三相負(fù)荷不平衡迅速到整到平衡，零序電流及不平衡度快速下降。治理裝置投運(yùn)前配電變壓器三相不平衡，最大零序電流60.4A、最大不平衡度66.7%。投運(yùn)后配電變壓器三相電流基本平衡，零序電流最大零序電流4.8A，最大不平衡度6.4%。

應(yīng)用案例2：該配電變壓器額定容量315kVA，低壓側(cè)額定電流455A，歷史最大負(fù)荷A 相71.8A、B 相172A、C 相83.1A，不平衡度58.3。安裝了一臺(tái)75MVA 的三相不平衡治理裝置。從圖2、圖3可看出，裝置投運(yùn)后，配變變壓器由投運(yùn)前的三相負(fù)荷不平衡迅速到整到平衡，零序電流及不平衡度快速下降。治理裝置投運(yùn)前配電變壓器三相不平衡，最大零序電流48.9A，最大不平衡度66.8%。投運(yùn)后，配電變壓器三相電流基本平衡，零序電流最大零序電流10.5A，不平衡度6.3%。

圖2 治理裝置投入前后電流趨勢(shì)圖

圖3 治理裝置投入前后不平衡度變化趨勢(shì)圖

應(yīng)用案例3：該配電變壓器額定容量630kVA，低壓側(cè)額定電流909A，歷史最大負(fù)荷A 相481A、B 相348A、C 相364A，不平衡率27.7%。安裝了一臺(tái)100MVA 的三相不平衡治理裝置。裝置投運(yùn)后，配變變壓器由投運(yùn)前的三相負(fù)荷不平衡迅速到整到平衡，零序電流及不平衡度快速下降。治理裝置投運(yùn)前配電變壓器三相不平衡，最大零序電流171.4A，最大不平衡度47.7%。投運(yùn)后，配電變壓器三相電流基本平衡，最大零序電流21A，不平衡度3.6%。

4 結(jié)語(yǔ)

基于IGBT 智能型三相不平衡治理裝置治理效果明顯。治理裝置投運(yùn)后，三臺(tái)配電變壓器三相電流迅速調(diào)整至平衡，配變?nèi)嗖黄胶舛确謩e由66.7%、66.8%、47.7%下降到了6.4%、6.3%、3.6%，全部下降至15%以下，達(dá)到規(guī)程要求，保障了電網(wǎng)和設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)性。但應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)基于IGBT智能型三相不平衡治理裝置運(yùn)行中噪音偏大，安裝時(shí)應(yīng)避免離居民用戶過(guò)近，下一步應(yīng)對(duì)該裝置進(jìn)行優(yōu)化、減少噪音。同時(shí)，為減少硬件成本，生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)按先管理、后工程的方法，首先從配網(wǎng)負(fù)荷接入和運(yùn)行調(diào)整上來(lái)減少配變負(fù)荷不平衡，對(duì)于負(fù)荷隨機(jī)性強(qiáng)、不易平衡的配電變壓器宜安裝治理裝置實(shí)施工程治理。