摘要：本文分析了配網變壓器負荷不平衡引起的危害，提出其相應的解決方法，并通過矢量圖與算例分析證明了該解決方法的可行性與科學性。
　　關鍵詞：配網變壓器/三相負荷不平衡、危害
　　一、引言
　　由于目前我國城鄉配電網中一般都采用了三相四線制接線方式，即大部分配電變壓器均采用Y/Yo接線方式，但大部分居民用電、商業用電、個體經營工廠都是單相負載，即使是大型工廠由于其內部負荷分配不正確也會造成配網變壓器三相負荷的不平衡，所以無法避免配電變壓器在三相負荷不平衡的情況下運行。國標GB50052《變壓器運行規程》、《供配電設計規范》中規定了Y/Yo接線的配電變壓器運行時所允許的中線點電流不能超過變壓器相電流及線電流的25%，而三相負荷不平衡必然引起中性點電壓偏移，從而產生中性點電流，它與三相負荷不平衡的嚴重性成正比，一旦中性點電流增加就會引起變壓器損耗與中性點電位的偏移超過規程允許值，必然導致配網變壓器的損壞[1]。本文詳細分析了這些影響，并據此提出解決方法以盡可能地解決三相負荷不平衡所帶來的附加損耗與中性點電壓偏移的危害。
　　二、配網變壓器負荷不平衡的危害
　　2.1配變負荷不平衡的損耗分析
　　①配變負荷不平衡的附加鐵損分析。Y/Yo接線的配網變壓器多采用三鐵心柱結構，當發生三相負荷不平衡或者出現接地故障時，其一次側無零序電流存在，二次側有零序電流存在，因此二次側的零序電流完全是勵磁電流，產生的零序磁通不能在鐵心中閉合，需通過油箱壁閉合，從而在鐵箱等附件中發熱產生鐵損。Y/Yno接線變壓器的零序電阻比正序電阻大得多，變壓器的正序電阻可測得，一般在銘牌上用Ud％表示，從資料上可以查得一般315kVA變壓器的零序電阻是正序電阻的15倍[2]，因此零序電流所產生的附加鐵損相當大的。
　　②配變負荷不平衡的附加銅損分析。配電變壓器運行時三相繞組的總損耗（單位為kW）可計算為：Pf1=(Ia2+Ib2+Ic2)R1×10－3（1）
　　因此每相繞組的電流為：I相=(Ia+Ib+Ic)/3，三相電流平衡時，即I相=Ia=Ib=Ic，所以其三相繞組總的損耗為：
　　Pf2=3[(Ia+Ib+Ic)/3]2×R1×10－3（2）
　　故當三相電流平衡時Pf1=Pf2,就是說當變壓器三相負荷平衡時，理論上是不會產生附加銅耗的。但是現實生活中，不可能存在著三相電流完全相同的情況，因此，當三相負荷失衡時，即Ia≠Ib≠Ic時所帶來的附加損耗為：
　　△Pf＝Pf2－Pf1
　　△Pf＝{[(Ia-Ib)2+(Ib-Ic)2+(Ic-Ia)2]/3}×R1×10－3（3）
　　從以上的分析可知：當變壓器運行時，所引起的附加損耗基本上是由變壓器的附加的鐵耗與銅耗所組成，可知變壓器三相電流接近平衡時運行，附加損耗并不是很嚴重，可一旦變壓器運行三相電流越來越不平衡時，附加損耗就很嚴重的，最嚴重時甚至于危害到電網設備的安全。
　　2.2配變負荷不平衡的電壓偏移分析
　　由于Y/Yo接線的變壓器負荷不平衡運行時，Y接的一側沒有零序電流，但由于每相電流不等，必然在Yo接線的變壓器側產生零序電流。因此在Yo接線側產生的零序電流，就完全是勵磁電流，產生的零序磁通重疊在主磁通上，感應出零序電動勢，造成中性點電壓偏移，而且是造成重負荷相電壓降低，輕負荷相電壓上升[3]。
　　2.3實例分析
　　為了進一步認識配網變壓器三相不平衡運行時，產生大量的附加損耗和造成中性點電壓嚴重偏移對電網產生極其嚴重的危害，在這里應用一個簡單的算例來具體說明。型號為:S11-M.RL，315kVA，10kV/0.4kV的配網變壓器；其零序電阻R0=0.122Ω，零序電抗X0=0.174Ω，繞組電阻R1=0.00849Ω。當它在Ia=100A，Ib=200A，Ic=300A，且cosψ=0.7的運行情況下，可以根據公式（1）、（2）、（3）計算可得：I0=173A，P0=I02×R0=3.65kW，P0=0.17kW，總損耗功率△P=P0+△Pf=3.82kW。因此一年下來在此運行方式下的損耗電量為：W=3.82×8760=33463kWh；如果按每度電0.6元計算，那么就是一臺配網變壓器一年的經濟損失為20077.8元，如果再計算整個電網，那么損失就更加巨大了，我們無法接受。同時，通過計算得到中性點偏移電壓為：
　　
　　由上述算例分析可知，Y/Yo接線方式的配電變壓器負荷不平衡運行帶來的損耗與電壓偏移是很大的，就目前來講，過于嚴重的負荷不平衡運行是不允許存在的。
　　三、配變負荷不平衡的調整方法
　　從以上可知配網變壓器嚴重的負荷不平衡運行是不允許存在的，那么有沒有方法，解決這種矛盾呢?答案是可以的，首先從源頭上抓起，在配網變壓器新安裝的時侯，我們就盡量平衡分配負荷，使得配變負荷不平衡情況從源頭加以遏制。但是隨著用戶的增加，配變負荷平衡必然被打破，短時間內又無法進行負荷調整，那么我們也可以通過無功的補償，實現負荷不平衡的調整，從而實現電網的經濟運行，同時提高電能質量。
　　3.1無功補償裝置的原理。在三相系統中，跨接在相線與相線之間的電容或電感元件具有轉移相間有功功率的作用，由于相間電感或電容元件的電流相量與每相電壓相量成60°或120°夾角，可通過一個簡單的示例來說明這一原理（在這里稱為三相不平衡–無功補償方法）。有一單相負荷接于A相與零線之間，其電流IA=100A，功率因數cosφa=0.85，其中有功電流為85A，無功電流為53A。在A、B相間接入產生61A電流的電容器時，相量圖如圖1所示，圖中，UA為A相電壓相量，IAB為接于A、B相間的電容器電流相量，超前A相電壓120º；A相負荷情況為：無功電流為零，有功電流為54A，有功電流相量與無功電流相量合成的總電流為54A，A相有功負荷減少了；B相負荷的情況為：B相有功電流為31A，無功電流為53A，有功電流相量和無功電流相量合成的總電流為61A。
　          　

　　由圖1可見，通過在A、B相間跨接一電容器，A相的有功轉移到B相一部分，而接電容器前后A相與B相的有功之和并未改變，這說明通過這種方法可以在變壓器三相之間調整有功，也就是說變壓器的三相不平衡是可以通過無功的補償進行調整，重新分配的。對于三相不平衡系統，可采用對稱分量法將電流分解為正序電流、負序電流和零序電流，而三相平衡系統的電流只有正序電流，因此只需補償掉負序電流和零序電流，不平衡的三相電流就可轉變成平衡的三相電流[4]。采用星角混合接法的電容、電抗元件可補償掉或大大減少零序電流與負序電流，使系統轉變成基本平衡系統。
　　3.2實例分析
　　三相不平衡—無功補償方法的接線如圖2所示。實例參數采用2.3中的模型參數。圖中，Ia、Ib、Ic為負荷電流；Iao、Ibo、Ico為星接補償元件電流；Iab、Ibc、Ica為角接補償元件電流。
　　（1）采用三相不平衡–無功補償方法得到如下數據：①Iab=140A，Ico=120A，Ica=110A，Ibc=0，Iab=0，Iao=0；②A相補償后電流Iax=Ia+Iab¬-Ica+Iao，Iax=120A，功率因數為0.982（見圖3(a)）；③B相補償后電流Ibx=Ib+Ibc-Iab+Ibo，Ibx=140A，功率因數為0.9998（見圖3(b)）；④C相補償后電流Icx=Ic+Ica-Ibc+Ico，Icx=155A，功率因數為0.9999（見圖3(c)）；⑤補償后零序電流Io=45A。
　　                                      
　　（2）采用共補–分補的無功補償裝置將無功全部補償[5]，補償相量圖如圖4所示，補償后A相電流Iax=Ia+Iao，Iax=70A；補償后B相電流Ibx=Ib+Ibo，Ibx=140A；補償后C相電流Icx=Ic+Ico，Icx=210A；補償后零序電流Io=120A。
　　比較圖3和圖4可見，三相不平衡–無功補償方法與分補–共補方法相比，零序電流下降很多，使不平衡系統基本恢復到平衡狀態。表（一）為某供電線路采用三相不平衡–無功補償裝置補償與采用普通的共補與分補補償無功后相電流、零序電流、功率因數的對比情況，可以看出三相不平衡—無功補償方法可以很好地降低零序電流，遏制中性點電壓偏移，而采用一般的分補—共補進行無功補償，則在補償前后零序電流不一定會減少，而且還會增加，導致中性點電壓偏移更嚴重，補償的效果大打折扣。
　　                            
　　四、結論
　　從上述對配網變壓器負荷不平衡的變壓器附加損耗、電壓偏差分析可知，負荷失衡對變壓器的附加損耗、電壓偏差的影響是很大的，如不及時解決，最終會導致變壓器燒毀，供電中斷。但由于配電網的負荷失衡是無法消除，所以提出利用三相不平衡–無功補償對變壓器負荷不平衡進行無功補償的方法，從而減少其危害。通過矢量圖結合算例的有效分析，對比分補—共補無功補償方法，驗證這種方法簡單而更加有效地解決配網變壓器負荷不平衡的危害問題。
　　參考文獻：
　　[1]黃紹平．負荷不平衡對配電變壓器的危害和相應的配電設計方法[J]．變壓器，1996，33(5)：30-32．
　　[2]黃其勵，高元楷，王世楨等．電力工程師手冊電氣卷[M]．北京：中國電力出版社，2000．
　　[3]林海雪．電力系統三相不平衡[M]．北京：中國電力出版社，1998．
　　[4]朱永強，劉文華，邱東剛等．基于單相STATCOM的不平衡負荷平衡化補償的仿真研究[J]．電網技術，2003，27(8)：42-45,71．
　　[5]景翔，陳歆技，吳杰．三相不平衡系統的無功補償控制[J]．電力自動化設備，2003，23(1)：1-3．