电网三相不平衡感知与寻源方法_石文江.pdf

3232电世界(2023 1)电网三相不平衡感知与寻源方法石文江杨群商懿苑杉贾磊(国网大连供电公司，116011，辽宁大连)在电网运行中，三相不平衡状态普遍存在，尤其在低压供电网中。三相不平衡主要体现为三相电压不平衡、三相电流不平衡、三相功率不平衡。在日常生活中，要检验三相不平衡的存在情况，可以用万用表测量插排 N 和 PE 插孔之间的电压，电压大于 0 就意味着三相不平衡。这是因为三相不平衡的电流流过 N和 PE 之间的电阻，形成 N 和 PE 之间的电压。但在电网调度运行监视工作中，调控员往往容易忽视对电网三相不平衡运行状态的监控，一方面反映出业内人员对电网三相不平衡给电网带来的损失重视不够，另一方面反映出目前的 SCADA 系统中缺乏辨识电网三相不平衡状态的有效监视手段，如动态着色、报警等。文献 1 10 分别就配电网三相不平衡问题进行了理论研究并提出了尝试性的解决方法。本文在此基础上提出基于调度主站自动化系统和变电站监控系统的电网三相不平衡感知和寻源系统的实现方法。1三相不平衡状态给电网带来的损失11安全隐患电网三相不平衡会带来安全隐患，造成变压器和三相用电设备的中点电压升高，单相供电线路的 N 和 PE 之间的电压升高，变压器和用电设备的绝缘损坏，导致火灾和人身触电事故。如家里卫生间的等电位联结端子箱是严禁触动的，因为联结端子箱将卫生间的洗浴设备(水龙头的金属管、浴霸的金属壳)及插座的PE 插孔进行可靠接地，如果联结端子箱中的接线松动，三相不平衡导致的 N 和 PE 之间的电压将会使洗浴中的人触电。12电网损耗121中性线损耗三相四线制配电网接线如图 1 所示。图 1三相四线制配电网接线三相不平衡会在三相四线制的中性线中流过较大的电流 IN，中性线的线径较细，电阻较大，中性线损耗会较大。如 10 的中性线通过 10 A 电流，中性线的损耗功率是 1 kW，负载端的中性线电压相比配电变压器的中点(接地点)电压高 100 V，供电安全受到严重影响。中性线损耗是电网的损失，用户的电费计算:P=UpIpcos(1)式中:Up 相电压Ip 相电流cos 用户负载的功率因数计费中没有中性线损耗部分，中性线损耗由供电企业买单，成为电网网损的一部分。中性线电流 IN存在于三相配电箱与配电变压器中点之间，规程规定 IN 25%IL(IL为相电流)，中性线电流要求不超过相电流的 25%。低压配电网的负荷往往是动力及照明的混合，很难避免三相不平衡的发生。122线损增加在总负荷相同的情况下，对比三相均衡负荷与三相不平衡负荷给同一条线路带来的损耗变化。三相不平衡增加的线损示例如图 2所示。图2(a)线路带一个三相平衡的负荷，发 输 变 电 电世界(2023 1)3333图 2三相不平衡增加的线损示例三相电阻均为;图 2(b)为相同的线路，带一个三相不平衡的负荷。图 2(a)线路功率 Pa=3UpIp，图 2(b)线路功率 Pb=2UpIp+0 5UpIp+0 5UpIp=3UpIp，既 Pa=Pb，两负荷的三相总功率相同;但图 2(a)线路损耗 La=3Ip2，图 2(b)线 路 损 耗 Lb=(2Ip)2+(0 5Ip)2+(0 5Ip)2=4 5 Ip2。得出:本案例的三相不平衡导致线路损耗增加 50%。123变压器损耗下面对 220 kV YNd11 变压器低压侧发生金属性单相接地故障时的变压器损耗进行分析。变压器的基本参数:容量18 万 kW，高压侧电压 242 kV，低压侧 15 75 kV，变比 1536，负载损耗 450 kW，空载损耗 86 kW，短路阻抗13%，油重34 t，强迫油循环风冷却器风冷却容量 50 kW 800 kW，风冷动作油温70，允许最高的运行油温 95，正常工作时油温 50，变压器油比热容 0 5。故障发生时，零序电压的幅值等于正常相电压的幅值(U0=Up)，分别加在变压器低压侧角接的三相绕组上，相当于 3 倍的单相电压给串联的三相绕组供电。当变压器二次绕组短路(稳态三相短路)，一次绕组流过额定电流时所消耗的有功功率称为负载损耗。金属性单相接地时变压器损耗与变压器负载损耗对比电路图如图 3 所示。图 3 中，Zp为变压器二次侧三角接线绕组的阻抗，Zp为变压器二次侧等效星形接线的绕组阻抗，Zp=Zp/3。变压器二次侧发生单相金属性接地时，二次侧单相绕组的等效电路如图 3(a)所示，变压器负载损耗试验单相等效电路如图 3(b)所示。变压器负载损耗为变压器二次绕组发生金属性单相接地导致的变压器损耗的 3 倍，变压器损耗为 150 kW(450 kW/3)。这部分损耗将转化成热能，变压器油从 50 开始上升到风冷动作油温70 仅需2 3 s (34 1 000 (70 50)0 5/(150 1 000)=2 27。假设风冷却器效率为 0 85，则风冷却器至少要消耗176 kW 的功率(150/0 85=176 47)。假设这种状态持续了 2 h，损耗电能至少 652 kWh(150+176)2=652。这是普通家庭四个月的用电量。图 3金属性单相接地时变压器损耗与变压器负载损耗对比电路图2电网三相不平衡感知与寻源方法21电网三相不平衡重点感知对象电网的三相不平衡会显著地增加网损(中性线损耗、线路损耗等)和变压器损耗，由于缺少量测数据，网损不容易定点监测，而变压器损耗容易定点监测，因为变压器间隔配备了完善的保护、测控、安全自动装置。变压器损耗增加会表现在油温、绕组温度异常升高，出现风冷信号;变压器中性点电压和电流升高，中性点不接地或经消弧线圈接地的变压器中性点电压或升高;中性点直接接地或经小 发 输 变 电 3434电世界(2023 1)图 4三相不平衡感知报警方法电阻接地的变压器的中性点电流增加。另外，变压器的高低压侧均连接母线，通过母线上的电压互感器可获得三相电压和开口三角电压，可以和变压器中性点电压互相印证。因此，变压器是电网三相不平衡感知的最佳监测对象，可以提供三相电压不平衡、三相电流不平衡、三相功率不平衡的判别信息，很多信息是冗余的，可以互相印证。下面以 YNyn0d11 组别 220 kV 变压器的三相不平衡感知为例描述电网三相不平衡感知与寻源系统的工作原理。三相不平衡感知报警方法如图 4 所示。感知事件由“高压侧母线电压互感器开口三角电压 3U0越限”或“变压器高压侧中性点电流 3I0越限”启动，3U0越限反映的是三相电压不平衡，3I0越限反映的是三相电流不平衡。系统接下来判断 3U0和3I0反映的是否是事故状态，3U0或 3I0大于事故设定值即触发事故报警，三相不平衡状态感知程序返回。如果不是事故状态，则继续判断主变绕组温度是否大于设定值。三相不平衡状态会引起变压器的损耗增加，变压器的绕组温度比正常值偏高，如果不大于设定值，说明3U0或3I0的测量数据存在问题，感知程序输出告警信息，并返回。如果变压器温度高于设定值，则进一步判断变压器冷却系统(如风冷 I组、2 组、3 组)是否投入。如果变压器冷却器投入信号未出现，说明变压器冷却控制系统出现问题，或者绕组温度测量值有问题，感知程序输出告警，并返回。22电网三相不平衡寻源方法当电网三相不平衡感知与寻源系统通过监测变压器发现三相不平衡状态时，如高压侧出现三相不平衡状态，则启动相应电压等级的三相不平衡寻源工作。高压侧三相不平衡寻源方法如图 5 所示。母线是功率交换的汇集点，母线功率等于流入功率减去流出功率，如果母线功率明显大于 0(如 5 kW)，则三相不平衡寻源程序发出母线故障告警。接下来进行母线上各间隔的连结点测温排查等工作，找出故障点。如果母线功率接近 0，则进行母线上各间隔的三相不平衡排查工作，计算各间隔的三相功率，找出三相不平衡的间隔。三相不平衡寻源程序根据三相不平衡寻源的计算结果进行监视画面的动态着色和报警显示。23电网三相不平衡感知与寻源系统电网三相不平衡感知与寻源系统可以作为调度主站自动化系统或变电站监控系统中的一个子系统，由变压器三相不平衡感知模块、发 输 变 电 电世界(2023 1)3535图 5高压侧三相不平衡寻源方法三相不平衡寻源模块和数据接口三部分组成，电网三相不平衡感知与寻源系统如图 6 所示。数据接口根据变压器三相不平衡感知模块的请求可以直接读取调度主站自动化系统或变电站监控系统中的实时数据库和关系数据库，并能够过滤接收实时测量和报警信息。变压器三相不平衡感知模块实时读取变压器高低压侧母线的 3U0和高低压侧绕组中性点的 3I0，进行越限比较，判断变压器低压侧还是高压侧发生了三相不平衡状态。通过参数调用三相不平衡寻源模块，进行高压侧或低压侧母线的三相不平衡寻源工作。电网三相不平衡感知与寻源系统通过监控画面动态着色和报警等手段向调控员传递三相不平衡的寻源结果。3结语供电企业通过消除电网三相不平衡状态可以显著提升效益。国网大连供电公司通过监测变压器的三相不平衡状态进行电网三相不平衡快速寻源工作，通过合理摆布电网运行方式和综合运用分布式电源参与电网三相不平衡的治理，调节电网低压侧分布式电源逆变器的三相不平衡出力对冲电网三相不平衡负荷，实现了上游电网的三相均衡。2020年与2019年相图 6电网三相不平衡感知与寻源系统比，电网网损降低近 1%。参考文献 1 朱明星，钱辰辰，胡婷芳 配电网三相不平衡源的定位研究J 电气应用，2012，31(17):28 31，63 2 艾芊 电能质量讲座第九讲浅谈三相电压不平衡 J 低压电器，2007(18):58 62 3 林海雪 电力系统的三相不平衡讲座:第一讲 电力系统三相不平衡的基本概念及其计算式J 供用电，1997，14(4):51 54 4 金文佩，曾若锋，王国庆 三相不平衡问题探究 J 电子测试，2016(24):48 49 5 李志庚 低压配电系统三相不平衡问题的判断与解决 J 天津科技，2019，46(9):43 45，49 6 迟丹一，李爽，耿丽娜，等 500 kV 变压器 66 kV无功补偿侧三相不平衡分析J 东北电力技术，2018，39(3):25 26 7 任俊祥 浅析用电负荷变化对线路损耗的影响 J 蒲白科技，2008(1):3 8 毛先峰 低压配网三相不平衡运行的影响及治理 J 电工技术，2017(6):99 100 9 牛军萍 简述三相不平衡对电力系统的影响及改善措施 J 通讯世界，2017(11):173 174 10 魏宏亮 配电网三相负荷不平衡研究J 中国科技博览，2014(45):1(编辑叶帆)发 输 变 电