低压电网三相电流不平衡治理的技术发展

低压电网三相电流不平衡治理的技术发展

窦 刚

盐城三新供电服务有限公司东台分公司 江苏盐城 224000

摘要：在低压三相四线制供电系统中，由于用电客户大多为单相居民，负荷电流大小不同、用电时间不同，导致多数供电台区存在着三相电流不平衡问题，并且这种电流不平衡的发生无规律性，更无法事先预测。三相电流不平衡对供电台区的影响主要包括3个方面：损耗方面，变压器和线路损耗增加，变压器出力降低，电能转换效率下降；电能质量方面，导致用户端三相电压偏差较大，电压质量得不到保障；据资料统计，电网电压偏低的各种原因中，三相负荷不平衡因素占比为46.52%，远高于其他原因；设备安全方面，造成变压器零序电流增大，引起的涡流损耗使变压器温度升高，使用寿命缩短。

关键词：低压电网；三相电流不平衡；治理技术

1三相不平衡的危害

三相不平衡的危害是多方面的，主要有：①增加供电线路的电能损耗；②增加配电变压器的电能损耗；③配电变压器功率减少；④配电变压器内部产生零序电流；⑤影响用电设备的安全运行；⑥电动机效率降低。在配电网络中，电流流过电网线路时，因存在阻抗，必将产生电能的损耗，其损耗与通过电流的平方成正比。由于电网中单相负载的存在，造成三相负载不平衡在所难免。三相四线制接线方式，当三相负荷平衡时线损最小；当一相负荷重，两相负荷轻的情况下线损增量较小；当一相负荷重，一相负荷轻，而第三相的负荷为平均负荷的情况下线损增量较大；当一相负荷轻，两相负荷重的情况下线损增量最大。当三相负荷不平衡时，无论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大，线损增量也越大，中性点位移也同样越大，即中性线有电流通过。这样不但相线有损耗，中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。配电变压器是生产、生活用电的主要设备，当其在三相负载不平衡的工况下运行时，变压器也处于不对称的运行状态，会造成变压器的损耗增大(包括空载损耗和负载损耗)。变压器运行规程规定，在运行中的变压器中性线电流不得超过变压器低压侧额定电流的25%。此外，三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件升温增高，甚至导致变压器烧毁。零序电流同样会导致多种保护发生误动作，直接威胁电网正常运行。同样对发电机、变压器而言，当三相负荷不平衡时，如果控制最大相电流为额定值，则其余两相就不能满载，因而造成设备利用率下降；反之如要维持额定容量，将会造成负荷较大的一相过电压，而且还会出现磁路不平衡致使波形畸变、设备附加损耗增加等不良影响。对三相异步电动机而言，三相电压不平衡的发生将导致数倍电流不平衡的发生，不平衡电流存在着正序、负序、零序3个分量，其中负序分量诱导电动机中逆扭矩增加，从而使电动机的温度上升、效率下降、能耗增加、发生震动、输出亏耗等。所以三相异步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。三相电压不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速设备部件更换频率，增加设备维护的成本。如断路器允许电流的余量会减少，当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象。

2低压电网三相电流不平衡治理的几种技术

1.1电容型三相电流自动调节技术

在相线间跨接电力电容器，实现有功功率转移，平衡相间有功功率；同时利用连接在相线与中性线之间的电容器对每一相进行不等量无功补偿，平衡相间无功功率，从而降低三相电流不平衡度，提升功率因数。该技术适合同时存在三相电流不平衡和无功不足状况的线路，能在一定程度上改善变压器出口侧的三相电流不平衡问题，但不能改善低压线路上的三相电流不平衡问题，并且当线路上感性负载不足的情况下，容易出现“过补”现象，降低电能质量。

1.2电力电子型三相负荷自动调节技术

包括低压静止无功补偿装置SVG，有源滤波器APF等，这些技术都是采用大功率可关断型电力电子开关技术的电能质量综合治理装置。此类装置通过快速检测出接入处无功、负序、谐波电流，根据空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制方法产生触发脉冲信号，驱动控制晶闸管输出与检测到的无功、负序、谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而综合解决供电台区无功、谐波、电压波动以及三相电流不平衡等问题。该技术适合客户对电能质量要求较高或同时存在三相电流不平衡、无功不足和谐波超限等问题的线路，但这一技术也同样只能改善变压器出口侧的三相电流不平衡度，并且电力电子器件不可避免地存在导通压降，因此自身功耗高、噪音大，抗雷击能力差。

1.3换相开关型三相负荷自动调节技术

换相开关由一个智能控制终端（负责电流监测与换相控制指令）和若干个换相开关单元（负责执行电流换相的操作机构）组成。智能换相终端实时监测变压器低压出线的三相电流，如果在一定监测周期内变压器低压侧三相电流不平衡度超限，则立即读取控制范围内所有换相开关单元的电流、相位实时数据，并进行优化计算，发出最优换相控制指令。各换相开关单元按照规定换相流程执行换相操作，实现客户电流相位的调整，最终实现供电台区三相电流平衡。该技术实质上是传统人工管理手段的自动化，同时解决了变压器和低压线路上的三相电流不平衡问题。但利用这种技术的换相开关，需要安装于低压供电线路的主回路中，因此对开关的可靠性要求较高。

2换相开关的技术发展

2.1可控硅式换相开关

可控硅式换相开关是最早出现的换相开关，其通过三个并联的可控硅元件的导通和关闭，切换客户电流的相位。该技术切换速度快，时间在10ms之内。但可控硅没有分断能力，没有可见断点，抗雷击能力差，无法做到机械互锁，外界干扰可能会造成三个可控硅同时导通，从而造成相间短路。同时可控硅的PN节有导通压降，功耗很高，在60—120W左右。其本质上属于“控制电器”，实际使用时需要断路器配合。

2.2固态换相开关

固态换相开关是将可控硅与磁保持继电器并联，继电器承载正常工作电流，可控硅负责切换电流相位，因此解决了可控硅导通时功耗过高的问题。但由于切换时需要可控硅与继电器配合工作，因此延长了切换时间，一般在20ms左右，对电压敏感的电器影响较大。这种开关本质上依然属于“控制电器”的范畴，使用时也需要断路器配合。

2.3永磁式换相开关

这种开关借鉴的是输电网中广泛使用的永磁技术，它以断路器为基础，融入快切技术研制的新型换相开关。目前部分厂家的永磁式换相开关，已经在换相时间和可靠性方面都满足了要求，个别换相开关产品的切换时间小于10ms，切换离散性小于1ms，且U，V，W三相具备机械互锁功能，避免切换过程中发生短路。这些技术性能都能满足目前低压电网三相电流不平衡治理的需求。

3结语

低压电网三相电流不平衡的治理技术发展至今，已日趋成熟。换相开关式三相不平衡治理模式，既解决了三相电流均衡分配的问题，也符合从源头管理的治理思路。其中永磁式换相开关，也是目前在三相不平衡治理方面效果最好的。但是换相开关不能像电容器那样提供无功功率，也不像SVG技术能够治理线路谐波。要满足低压电网对电能质量的全面要求，在今后的技术发展中，还需要将SVG，电容器、换相开关、调压器等多种技术进行整合，根据电网实际状况搭配应用，各司所长，才能实现在节能的同时，提高供电质量的目标。

参考文献

[1]邹林,张冲.三相四线电能表负载不平衡原理分析及危害[J].电子制作,2019(20):86-87.

[2]蔡欣灵,郝思鹏.电网三相不平衡的度量与治理综述[J].电力工程技术,2019,38(05):185-192.