摘要：低压电网三相不平衡问题普遍存在于配电网中，直接增加配网线路损耗，降低经济运行水平。本文通过对低压电网三相不平衡治理现状的分析以及对一些应用技术的研讨，充分利用了配网用电采集系统的数据资源，建立了三相不平衡实用化分析模型，针对温岭地区六个试验点进行数据监测，数据分析，确定了三相不平衡调整的优化方案，确定三相电流优化调整系数，较好减少三相不平衡引起的额外损耗。
关键词：三相不平衡；分析模型；数据检测；调整系数
（Research and application of three-phase unbalanced control technology for low-voltage power grid）
Abstract:The three-phase unbalance problem of low-voltage power grids is common in distribution networks, directly increasing the loss of distribution network lines and reducing the economic operation level. Based on the analysis of the current situation of three-phase unbalanced treatment of low-voltage power grids and the discussion of some application technologies, this paper makes full use of the data resources of the distribution system for electricity distribution, and establishes a practical analysis model for three-phase unbalance, targeting six in Wenling area. The test point carries out data monitoring and data analysis to determine the optimization scheme of the three-phase unbalance adjustment, determine the three-phase current optimization adjustment coefficient, and better reduce the additional loss caused by the three-phase imbalance.
Key words: Three-phase unbalance; analytical model; data detection; adjustment factor;
一、低压电网三相不平衡治理技术背景
2017年5月份国网公司发布了《国网运检部关于开展配电台区三相负荷不平衡问题治理工作的通知》（运检三[2017]68号）文件，明确了三相不平衡的治理范围，就开展“配电台区三相负荷不平衡问题治理工作”给出了部署及建议。要求各地市公司按照“源头预防、常态检测、科学策略、动态治理”的原则，加强单相负荷接入均衡分配管理，采用运维管控为主、技术改造为辅，建立配电台区三相负荷常态检测与动态调整管理机制，多举并措，最大限度将配电变压器负荷不平衡控制在允许范围内，切实提高配电台区供电质量，提升配电网安全经济运行水平[1]。同时文件中又明确了三相不平衡的治理范围。
台州公司响应文件积极成立“低压电网三相不平衡治理有关技术研讨”课题团队，并对现已投运的三相不平衡台区治理设备效能进行分析评估，总结治理成效对台区三相不平衡情况进行全方位诊断，针对每个台区三相不平衡情况，通过对数据的深入挖掘，从运维管控、技术改造等多角度治理手段出发，实现“一台区一方案”，为运维人员提供有针对性的多种台区三相不平衡分析解决方案。因此，从政策上、管理上以及技术上分析，台州公司认为一次性治理长期解决配电台区三相不平衡的时机已成熟。
二、三相不平衡产生的危害
由于大量单相负荷在低压配电台区中的存在，导致三相负载出现严重的不平衡，其结果必将会给配电变压器、线路损耗等带来严重影响，造成供电企业经济效益降低和用户的电能质量受到很大的影响。
（一）影响供电可靠性
在三相负荷不平衡状态下的配电变压器运行时，零序电流就会在其低压侧出现，而配电变压器多为铁心柱结构，其一次侧没有中性线无零序电流，三相负荷不平衡就会导致二次侧出现零序电流[2]，其产生的零序磁通不能被抵消，需通过油箱壁及其钢铁构件闭合，磁滞和涡流就会在配电变压器钢铁构架内发热，导致配电变压器散热性能下降，内部温度升高，情况严重下会导致其绝缘损坏，甚至烧损配电变压器，影响配网供电可靠性[3]。
（二）增加变压器额外损耗
配电变压器在正常运行时，会产生铁损和铜损等功率损耗。如上所述，当三相负荷不平衡时，产生的零序电流会在配电变压器油箱壁及其钢铁构件发热引起额外的功率损耗。
（三）造成配电变压器出力减小
一般而言，变压器绕组结构是按三相平衡工况下设计的，其每组绕组结构性能一样，所配置的每相额定容量是相等的。配电变压器所允许的最大出力值受到三相负荷中最大一相限制，在三相不平衡运行时，负荷轻的一相就会出现富余容量，影响整个配变的出力状况。配电变压器三相负荷不平衡越严重，其出力减少就会越多[4]。最终造成配电变压器无法达到额定输出值，备用容量亦相应减少。
（四）增加线路损耗
电流流过导线必将产生一定的损耗，且与电流的平方和导线阻值成正比。低压配电网中一般采用的是三相四线制，除A、B、C三相外，还存在中性线N，当三相平衡状态下，中性线N是没电流的，只要配电网出现三相不平衡，就会出现中性电流，这样在中性线N上就会出线额外的线路损耗，配电网三相不平衡越严重，线路损耗就会越大。
（五）减少电动机输出功率
如果配电网中出现三相不平衡，将会在线路中产生负序电压。在接入电网中的电动机在工作时，负序电压便会在其定子中产生一个逆序旋转磁场，正好与正序旋转磁场相反。因为正序旋转磁场要大于逆序旋转磁场，所以电动机旋转方向还是按照正序旋转磁场作用下工作，但是逆序磁场产生的逆序方向制动力矩，减小了电动机输出功率。另外负序电压在转子中产生逆序电流，造成绕组温度升高，从而减小了电动机的使用寿命
（六）危机安全
在配电网三相不平衡下，配电变压器输出的各相电流就会不同，这就导致各相电压值不等，最终造成配电变压器输出电压不平衡[5]。配电变压器在电压不平衡下长期对电网供电，会造成：
1、在配网线路中，中性线标准往往要比相线低一级，导线相对较细，阻值比相线大，三相不平衡状态下，流过中性线上的电流过大，容易烧坏中性线，同时相电压也可能变成线电压，给人身和设备造成很大的安全隐患。
2、当配网三相不平衡较严重时，各相电压最大、最小值偏差会比较大，接入电压最大一相中的用电设备可能会烧毁，而接入电压最小一相中的用电设备可能会无法正常使用。
3、当配网三相不平衡较严重时，负荷超载过多的相可能或超过其承受能力，造成相导线烧毁或低压开关烧毁的危险，甚至变压器烧毁的后果。
三.温岭公司三相不平衡治理
（一）坚持源头预防，加强台区设计与负荷接入管理
温岭公司重视低压配电网的提前规划工作，配电网新建或改造时，要求必须遵循“小容量、多布点、短半径”的配变选址原则，须加强与地方政府规划等部门的工作沟通，使配变布点尽量接近负荷中心，避免出现扇形供电、迂回供电和近电远供等现象，避免配电网建设无序，尤其避免在低压配电网中出现头痛医头，脚痛医脚的局面，在配电网建设和改造当中对低压台区进行合理的分区分片供电，以减少集中连接造成不平衡度严重超标并反复出现的问题。
（二）坚持科学施策，因地制宜确定有效治理措施
温岭公司针对三相不平衡治理设立六个典型点，结合六个典型点的不同特征以及三相不平衡原因形成原因选取三种自动调节装置，分析依据参考如下：以温岭公司石粘供电所横峰下洋林村8号公变（容量均为630KVA）为例，该配电台区辖下用户的经济产业制鞋业用电为主要用电，而且家庭作坊业辅助整个鞋业作为一个下游产业带也发展非常彭渤。家庭作坊业以两相用电为主，而且用电负荷相当不确定，因用电负荷变化完成跟随客户订单走，客户接到订单，该户用电负荷就高，甚至一个月一只单相居民电表超2万多度电度。且因政府“三合一”企业整治、危房整治、“三改一拆”，“城中村”改造等原因,政府推行出租私房旅馆式服务，因此造成外来人口越住越集中，一间6层楼居民出租房住有10户外地人，一只照明表照明用电有1.3万度。因负荷变化多、不确定性大、流动性快，导致该配电台区的三相不平衡治理难以收到实效。通过对该配电台区进行分析后，决定采用安装“换相开关型三相负荷自动调节装置+STUR（SVG）电力电子型三相不平衡智能调节器”的措施综合治理该台区的三相不平衡，使配电台区从变压器到用户表计上桩头的线路设备都受到保护。
六处典型点经专家团队考核分析其三相不平衡存在原因以及供电环境最后确定：1.由于泽国新村8号柱上公变，泽国新村3号柱上公变，泽国牧南村4号柱上公变负荷变化多、不确定性大、流动性快且配电台区供电半径较短选取（电力电子+电容）混合型三相负荷自动调节装置；2.考虑到泽国2农柱上公变供电半径较短，但是用户对电能质量要求较高，并且同时存在三相负荷不平衡、无功不足和谐波超限等多种问题，经研讨确定使用电力电子型三相负荷自动调节装置；3：对于横峰下叶村7号公变和横峰下洋林8号变，由于两个台区供电半径比较大，配电变压器低压侧功率因数＞0.85，并且低压主干线和主要分支线为三相供电方式的配电台区上，且供电范围内并无对可靠性要求高的敏感性负荷，经研讨分析决定采用（换相开关+电力电子型）混合型三相负荷自动调节装置
（三）坚持常态监测，加强三相负荷在线统计分析
为了更好的进行配网的监控以及问题预测，温岭公司对于配电网的管理方式由粗放型向精细型转变，争取配网管理的“透明化、实时化、全景化”，温岭公司积极响应时代背景在互联网+大数据时代背景下，引入电能质量数据监控云平台，结合数据监控，数据分析，数据管理等数据处理功能实现数据可视化的同时加入了数据分析预测功能，第一时间发现甚至预测负荷可能存在的问题隐患。该平台对三相负荷数据实现了在线实时采集，对现场工作开展提供第一手资料和基础数据。平台将三相负荷自动调节装置状态数据、用电信息采集终端、DTU、TTU等终端整合并上传到主站服务器，使得台区运行数据、运行状况一目了然，通过自动终端采集信息进行识别和分析。
由于三相不平衡的治理是需要常年累月加强管理和反复治理的一个过程，温岭公司在反复治理的过程中不断累计经验并且搜集数据，通过物联网形式实现三相负荷的在线统计。以温岭公司石粘供电所横峰下洋林村8号公变（容量均为630KVA）为例。选取2017年8月份，每日配变三相负荷电流及不平衡度如下表所示。
数据分析：从三相电流曲线可知，A、B两相电流比较接近，C相电流明显偏低。
改造后选取2018年5月份，每日配变三相负荷电流及不平衡度如下表所示。
下洋林村8号公变改造后典型日负荷曲线如下图所示：
数据分析：从三相电流曲线可知，不平衡治理装置运行后，三相电流基本平衡。
下洋林村8号公变改造后三相电压数据如下表所示：
数据分析：从三相电流数据可知，补偿前A、B两相电流分别为229A和225A，A、B两相电流很接近，C相电流为69A，C相电流明显偏低，C相电流与A相电流的差值高达160A，中性线电流高达170A。补偿后A、B、C三相电流分别为176A、183A、169A，三相电流基本平衡，中性线电流降低为8A。
结合上述数据对不平衡治理进行简单的效益评估，评估结果如下：
1.直接经济效益
（1）变压器带载能力提升
补偿前，以电流最大的A相为基准进行计算，630KVA的变压器额定电流909A，以当前三相不平衡工况进行换算，当A相电流达到额定电流909A时，B、C两相电流分别为893A、274A，则Smax=SA+SB+SC=479.4KVA，负荷率为76.1%，即带载能力下降为76.1%。
补偿后，变压器带载能力提升23.9%，由此可减少新增变压器容量为630KVA*23.9%=150.57KVA，假定变压器市场平均价格P=80~110（单位：元/KVA），则节约购买变压器的直接投资C=150.57P，以P=80代入计算得出C=12000元，同时可减少其他配套设施（线路、开关等）的投资。
（2）变压器损耗降低，提升变压器的使用寿命
通过测试得到，630KVA变压器的零序电阻R0=0.13Ω，零序电抗X0=0.18Ω，低压侧绕组电阻为R=0.0092Ω。
变压器损耗降低计算
1）补偿前损耗计算：
运行电流：Ia=229A，Ib=225A，Ic=69A，零序电流I0=170A
零序电流损耗：P01=I02*R0=3.757kW
变压器铜损：Pf1=（Ia2+Ib2+Ic2）*R=0.992kW
总损耗功率P1=P0+Pf=4.749kW
2）补偿后损耗计算：
运行电流：Ia=176A，Ib=183A，Ic=169A，零序电流I0=8A
零序电流损耗：P02=I02*R0=0.00832kW
变压器铜损：Pf2=（Ia2+Ib2+Ic2）*R=0.856kW
总损耗功率P2=P02+Pf2=0.864kW
补偿后变压器损耗减少△P=P1-P2=3.9kW，假定不平衡工况每天持续12小时，一年持续300天，电费按0.6元/度计算，则补偿后因变压器损耗降低而带来的电费节约=12*300*3.9*0.6=8424元。
（3）变压器使用寿命提升计算
油浸变压器的使用寿命遵循6度法则，即当变压器绕组温度在80～130℃范围内，温度每升高6℃，其绝缘老化速度将增加一倍，即温度每升高6℃，其绝缘寿命就降低1/2。变压器由于严重的三相不平衡而造成的额外温升不只6度，以温升6度为基准计算变压器使用寿命的减少，常规油浸变压器的使用寿命为10年，630KVA变压器的价格为630P，严重三相不平衡下的变压器使用寿命减少5年，则折合变压器的年折旧费为630P/5=126P。
通过三相不平衡治理后的油浸变压器，变压器的年折旧费为630P/10=63P，节约年折旧费126P-63P=63P，以P=80代入计算，可减少年折旧费5040元。
2.间接经济效益
（1）降低中性线电流，减少中性线损耗，提升线路使用寿命；
（2）提升运行的可靠性和安全性，最大限度的保护人身和财产安全。
电能质量数据监控云平台通过建设大数据平台以及实时监控负荷状态信息，实现了三相负荷的监控以及数据存储，用于公司治理成效的判断评价，为配电网精益化运维提供了有效的数据支撑。通过大数据平台的应用，可辅助工作人员快速识别三相不平衡台区，并结合台区负荷曲线图分析不平衡的原因，初步制定三相不平衡治理方案，形成大数据背景下三相不平衡治理原则和治理流程。
随着电能质量数据监控云平台的应用，温岭横峰下洋林村8号公变的三相不平衡问题得到实时监测，并通过三相负荷自动调节装置实现配电低压台区三相负荷不平衡度最小。
4.坚持动态治理，建立台区负荷精益化管控机制
强化运维检修部的引导及管控作用。运检部保持对三相不平衡指标采取每月根据供电所指标情况制定管控计划，进行动态考核；每周对难治理台区专项分析和对上周治理过的反复三相不平衡台区专项分析总结；每日OA、微信群滚动发送“配电台区三相不平衡明细清单”和“配电台区三相不平衡明细清单管理、技术日分析表”的措施，提升各供电所及设备主人（台区经理）对三相不平衡治理的重视意识和降低设备主人治理难度。
四.治理效果分析总结
温岭公司对于低压台区三相不平衡的综合治理，通过理论结合实际，以探索实践的方式建章立制并逐步付诸实施，分别对管理层面的治理方法、技术层面的治理方法、传统上的治理方法以及新科技设备治理方法，通过实际数据综合对比分析，选取各种条件下的费用最经济、方法最简易、效果最显著和有效期最长久的各种治理方法，一次性治理长期解决配电变压器及低压配电台区线路设备三相不平衡运行问题，尽可能减少因三相不平衡给配电台区带来的危害。
通过实际数据综合对比分析得出如下结论：
1、配电台区三相不平衡治理必须建章立制，强化台区经理责任落实，强化台区三相负荷分析，强化日常管理，使台区经理能掌控配电台区的基础信息资料。
2、对于用电性质单一且用电较有规律的三相不平衡配电台区，可采用均匀分布负荷法治理该台区的三相不平衡。
3、对于只有一两家用户在用电的无法采用均匀分布负荷法治理的特殊三相不平衡配电台区，因这种特殊台区的数量不多，可采取在配变二次侧安装STUR（SVG）电力电子型三相不平衡智能调节器治理该台区的三相不平衡。
4、对于台区负荷较轻的三相不平衡配电台区，采用换相开关型三相负荷自动调节装置治理该台区的三相不平衡。如果个别
分支线采用两线的，可局部更换成三相四线后，再安装该装置。
5、对于台区负荷重且有无功容量不足、电压闪变、谐波等因素三相不平衡严重的配电台区，采取“换相开关型三相负荷自动调节装置+STUR（SVG）电力电子型三相不平衡智能调节器”综合治理该台区的三相不平衡，结合“换相开关型”和“电力电子型”的优点，取长补短，优势互补，以换相开关把变压器每条出线回路进行平衡粗调，以SVG细调变压器端的三相负荷平衡度，即可减少换相开关安装数量，还可大幅降低SVG配比容量,弥补SVG损耗高的不足还可利用SVG富余容量实现谐波治理和精细无功补偿，装置利用率高，并且达到从配变台区的首端和后端综合治理三相不平衡问题。
6、对于单相最大负载率＞80%的配变台区，安排进行负荷割接，使负荷分布趋于平衡，再采用换相开关型三相负荷自动调节装置治理该台区的三相不平衡。
参考文献
[1]《浅析配电台区三相负荷不平衡问题》作者：杨明俊作者单位：国网福建省电力有限公司泉州供电公司
[2]《如何减少配电网三相不平衡运行的配网线损》作者：梁志祥作者单位：广东电网公司,中山供电局,广东,中山,528400
[3]《配电变压器故障原因及对策》作者：卢娅作者单位：四川泸州电业局,四川泸州,646000
[4]《配电变压器三相负荷不平衡的危害与解决措施》作者：李红斌陈凌云作者单位：475100,河南省开封县供电有限责任公司；425000,湖南省永州供电公司
[5]《浅析配电变压器三相负荷不平衡的原因及技术补救措施》作者：刘洪峰徐风叶作者单位：国网山东省电力公司平原县供电公司
作者简介
陈琳（1986-04-10），男，汉族，籍贯：浙江省温岭市，当前职务：温岭市非普电气有限公司工会副主席、温岭市非普电气有限公司太平分公司经理助理兼国网浙江温岭市供电有限公司运维检修部配电运检专职，当前职称：二级建造师、助理工程师，学历：大学本科，研究方向：电气工程及其自动化。
厉剑雄（1991-02-04），男，汉族，籍贯：浙江省临海市，当前职务：运检部副主任，当前职称：助理工程师，学历：大学本科，研究方向：电气工程及其自动化。
颜玲雲（1991-01），女，汉族，籍贯：浙江省温岭市，当前职务：实物资产专职，当前职称：工程师，学历：硕士，研究方向：电气工程。
论文作者:陈琳,厉剑雄,颜玲雲
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/15
标签：不平衡论文; 变压器论文; 负荷论文; 温岭论文; 电流论文; 数据论文; 低压论文; 《电力设备》2018年第26期论文;