浅谈配网变压器负荷不平衡的危害与解决

　　
　　
　　摘要：本文分析了配网变压器负荷不平衡引起的危害，提出其相应的解决方法，并通过矢量图与算例分析证明了该解决方法的可行性与科学性。
　　关键词：配网变压器/三相负荷不平衡、危害
　　一、引言
　　由于目前我国城乡配电网中一般都采用了三相四线制接线方式，即大部分配电变压器均采用Y/Yo接线方式，但大部分居民用电、商业用电、个体经营工厂都是单相负载，即使是大型工厂由于其内部负荷分配不正确也会造成配网变压器三相负荷的不平衡，所以无法避免配电变压器在三相负荷不平衡的情况下运行。国标GB50052《变压器运行规程》、《供配电设计规范》中规定了Y/Yo接线的配电变压器运行时所允许的中线点电流不能超过变压器相电流及线电流的25%，而三相负荷不平衡必然引起中性点电压偏移，从而产生中性点电流，它与三相负荷不平衡的严重性成正比，一旦中性点电流增加就会引起变压器损耗与中性点电位的偏移超过规程允许值，必然导致配网变压器的损坏[1]。本文详细分析了这些影响，并据此提出解决方法以尽可能地解决三相负荷不平衡所带来的附加损耗与中性点电压偏移的危害。
　　二、配网变压器负荷不平衡的危害
　　2.1配变负荷不平衡的损耗分析
　　①配变负荷不平衡的附加铁损分析。Y/Yo接线的配网变压器多采用三铁心柱结构，当发生三相负荷不平衡或者出现接地故障时，其一次侧无零序电流存在，二次侧有零序电流存在，因此二次侧的零序电流完全是励磁电流，产生的零序磁通不能在铁心中闭合，需通过油箱壁闭合，从而在铁箱等附件中发热产生铁损。Y/Yno接线变压器的零序电阻比正序电阻大得多，变压器的正序电阻可测得，一般在铭牌上用Ud％表示，从资料上可以查得一般315kVA变压器的零序电阻是正序电阻的15倍[2]，因此零序电流所产生的附加铁损相当大的。
　　②配变负荷不平衡的附加铜损分析。配电变压器运行时三相绕组的总损耗（单位为kW）可计算为：Pf1=(Ia2+Ib2+Ic2)R1×10－3（1）
　　因此每相绕组的电流为：I相=(Ia+Ib+Ic)/3，三相电流平衡时，即I相=Ia=Ib=Ic，所以其三相绕组总的损耗为：
　　Pf2=3[(Ia+Ib+Ic)/3]2×R1×10－3（2）
　　故当三相电流平衡时Pf1=Pf2,就是说当变压器三相负荷平衡时，理论上是不会产生附加铜耗的。但是现实生活中，不可能存在着三相电流完全相同的情况，因此，当三相负荷失衡时，即Ia≠Ib≠Ic时所带来的附加损耗为：
　　△Pf＝Pf2－Pf1
　　△Pf＝{[(Ia-Ib)2+(Ib-Ic)2+(Ic-Ia)2]/3}×R1×10－3（3）
　　从以上的分析可知：当变压器运行时，所引起的附加损耗基本上是由变压器的附加的铁耗与铜耗所组成，可知变压器三相电流接近平衡时运行，附加损耗并不是很严重，可一旦变压器运行三相电流越来越不平衡时，附加损耗就很严重的，最严重时甚至于危害到电网设备的安全。
　　2.2配变负荷不平衡的电压偏移分析
　　由于Y/Yo接线的变压器负荷不平衡运行时，Y接的一侧没有零序电流，但由于每相电流不等，必然在Yo接线的变压器侧产生零序电流。因此在Yo接线侧产生的零序电流，就完全是励磁电流，产生的零序磁通重叠在主磁通上，感应出零序电动势，造成中性点电压偏移，而且是造成重负荷相电压降低，轻负荷相电压上升[3]。
　　2.3实例分析
　　为了进一步认识配网变压器三相不平衡运行时，产生大量的附加损耗和造成中性点电压严重偏移对电网产生极其严重的危害，在这里应用一个简单的算例来具体说明。型号为:S11-M.RL，315kVA，10kV/0.4kV的配网变压器；其零序电阻R0=0.122Ω，零序电抗X0=0.174Ω，绕组电阻R1=0.00849Ω。当它在Ia=100A，Ib=200A，Ic=300A，且cosψ=0.7的运行情况下，可以根据公式（1）、（2）、（3）计算可得：I0=173A，P0=I02×R0=3.65kW，P0=0.17kW，总损耗功率△P=P0+△Pf=3.82kW。因此一年下来在此运行方式下的损耗电量为：W=3.82×8760=33463kWh；如果按每度电0.6元计算，那么就是一台配网变压器一年的经济损失为20077.8元，如果再计算整个电网，那么损失就更加巨大了，我们无法接受。同时，通过计算得到中性点偏移电压为：
　　
　　由上述算例分析可知，Y/Yo接线方式的配电变压器负荷不平衡运行带来的损耗与电压偏移是很大的，就目前来讲，过于严重的负荷不平衡运行是不允许存在的。
　　三、配变负荷不平衡的调整方法
　　从以上可知配网变压器严重的负荷不平衡运行是不允许存在的，那么有没有方法，解决这种矛盾呢?答案是可以的，首先从源头上抓起，在配网变压器新安装的时侯，我们就尽量平衡分配负荷，使得配变负荷不平衡情况从源头加以遏制。但是随着用户的增加，配变负荷平衡必然被打破，短时间内又无法进行负荷调整，那么我们也可以通过无功的补偿，实现负荷不平衡的调整，从而实现电网的经济运行，同时提高电能质量。
　　3.1无功补偿装置的原理。在三相系统中，跨接在相线与相线之间的电容或电感元件具有转移相间有功功率的作用，由于相间电感或电容元件的电流相量与每相电压相量成60°或120°夹角，可通过一个简单的示例来说明这一原理（在这里称为三相不平衡–无功补偿方法）。有一单相负荷接于A相与零线之间，其电流IA=100A，功率因数cosφa=0.85，其中有功电流为85A，无功电流为53A。在A、B相间接入产生61A电流的电容器时，相量图如图1所示，图中，UA为A相电压相量，IAB为接于A、B相间的电容器电流相量，超前A相电压120º；A相负荷情况为：无功电流为零，有功电流为54A，有功电流相量与无功电流相量合成的总电流为54A，A相有功负荷减少了；B相负荷的情况为：B相有功电流为31A，无功电流为53A，有功电流相量和无功电流相量合成的总电流为61A。
　          　

　　由图1可见，通过在A、B相间跨接一电容器，A相的有功转移到B相一部分，而接电容器前后A相与B相的有功之和并未改变，这说明通过这种方法可以在变压器三相之间调整有功，也就是说变压器的三相不平衡是可以通过无功的补偿进行调整，重新分配的。对于三相不平衡系统，可采用对称分量法将电流分解为正序电流、负序电流和零序电流，而三相平衡系统的电流只有正序电流，因此只需补偿掉负序电流和零序电流，不平衡的三相电流就可转变成平衡的三相电流[4]。采用星角混合接法的电容、电抗元件可补偿掉或大大减少零序电流与负序电流，使系统转变成基本平衡系统。
　　3.2实例分析
　　三相不平衡—无功补偿方法的接线如图2所示。实例参数采用2.3中的模型参数。图中，Ia、Ib、Ic为负荷电流；Iao、Ibo、Ico为星接补偿元件电流；Iab、Ibc、Ica为角接补偿元件电流。
　　（1）采用三相不平衡–无功补偿方法得到如下数据：①Iab=140A，Ico=120A，Ica=110A，Ibc=0，Iab=0，Iao=0；②A相补偿后电流Iax=Ia+Iab¬-Ica+Iao，Iax=120A，功率因数为0.982（见图3(a)）；③B相补偿后电流Ibx=Ib+Ibc-Iab+Ibo，Ibx=140A，功率因数为0.9998（见图3(b)）；④C相补偿后电流Icx=Ic+Ica-Ibc+Ico，Icx=155A，功率因数为0.9999（见图3(c)）；⑤补偿后零序电流Io=45A。
　　                                      
　　（2）采用共补–分补的无功补偿装置将无功全部补偿[5]，补偿相量图如图4所示，补偿后A相电流Iax=Ia+Iao，Iax=70A；补偿后B相电流Ibx=Ib+Ibo，Ibx=140A；补偿后C相电流Icx=Ic+Ico，Icx=210A；补偿后零序电流Io=120A。
　　比较图3和图4可见，三相不平衡–无功补偿方法与分补–共补方法相比，零序电流下降很多，使不平衡系统基本恢复到平衡状态。表（一）为某供电线路采用三相不平衡–无功补偿装置补偿与采用普通的共补与分补补偿无功后相电流、零序电流、功率因数的对比情况，可以看出三相不平衡—无功补偿方法可以很好地降低零序电流，遏制中性点电压偏移，而采用一般的分补—共补进行无功补偿，则在补偿前后零序电流不一定会减少，而且还会增加，导致中性点电压偏移更严重，补偿的效果大打折扣。
　　                            
　　四、结论
　　从上述对配网变压器负荷不平衡的变压器附加损耗、电压偏差分析可知，负荷失衡对变压器的附加损耗、电压偏差的影响是很大的，如不及时解决，最终会导致变压器烧毁，供电中断。但由于配电网的负荷失衡是无法消除，所以提出利用三相不平衡–无功补偿对变压器负荷不平衡进行无功补偿的方法，从而减少其危害。通过矢量图结合算例的有效分析，对比分补—共补无功补偿方法，验证这种方法简单而更加有效地解决配网变压器负荷不平衡的危害问题。
　　参考文献：
　　[1]黄绍平．负荷不平衡对配电变压器的危害和相应的配电设计方法[J]．变压器，1996，33(5)：30-32．
　　[2]黄其励，高元楷，王世桢等．电力工程师手册电气卷[M]．北京：中国电力出版社，2000．
　　[3]林海雪．电力系统三相不平衡[M]．北京：中国电力出版社，1998．
　　[4]朱永强，刘文华，邱东刚等．基于单相STATCOM的不平衡负荷平衡化补偿的仿真研究[J]．电网技术，2003，27(8)：42-45,71．
　　[5]景翔，陈歆技，吴杰．三相不平衡系统的无功补偿控制[J]．电力自动化设备，2003，23(1)：1-3．