低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡不僅將增加變壓器和線路損耗，而且會(huì)影響設(shè)備安全運(yùn)行，因此治理三相負(fù)荷不平衡具有很重要的實(shí)際意義。本文首先研究了低壓配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)負(fù)荷不平衡機(jī)理及分類。其次，對(duì)比幾種三相負(fù)荷不平衡治理裝置的原理及工程適用性。最后，給出了基于智能選相開關(guān)的新方案的工程運(yùn)行數(shù)據(jù)。15個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，本技術(shù)可以解決配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)低壓負(fù)荷不平衡問(wèn)題，具有效果明顯、成本低、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，適于推廣應(yīng)用。
低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡是長(zhǎng)期客觀存在的問(wèn)題。低壓配電網(wǎng)通常采用三相四線制供電模式，用戶多為單相負(fù)荷或單相與三相混和負(fù)荷。無(wú)論是城市配網(wǎng)的居民小區(qū)、寫字樓，還是農(nóng)網(wǎng)的照明、水泵、電機(jī)等負(fù)荷，都呈現(xiàn)出較大的用電時(shí)空特性離散性。低壓配電網(wǎng)的三相負(fù)荷不平衡將增大損耗并影響設(shè)備安全運(yùn)行。隨著分布式新能源的大規(guī)模接入，尤其是220V單相新能源的接入，配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡問(wèn)題將會(huì)更加突出。
1.配電網(wǎng)低壓負(fù)荷不平衡機(jī)理
配電網(wǎng)三相之間低壓負(fù)荷的不對(duì)稱接入是不平衡的基本機(jī)理。進(jìn)一步根據(jù)三相負(fù)荷不對(duì)稱的表現(xiàn)特點(diǎn)，有以下分類:
I類-用戶接線原因的不平衡
由于低壓臺(tái)區(qū)規(guī)劃管理缺位，三相間承擔(dān)的用戶數(shù)量分配不均，或者各相用戶用電差異性較大。此類表現(xiàn)為負(fù)荷大的相總是大，負(fù)荷小的相總是小，相差的比例在全天的各個(gè)時(shí)段基本沒(méi)有變化。
II類-時(shí)段性的不平衡
II類-時(shí)段性的不平衡。在白天輕負(fù)荷時(shí)段，三相負(fù)載基本平衡，晚上負(fù)荷高峰時(shí)段不平衡程度嚴(yán)重?；蛘吖S三相生產(chǎn)用電和單相生活用電混合的場(chǎng)合，白天主要是三相生產(chǎn)用電，相間電流較平衡，晚上生活用電高峰時(shí)段，三相電流相差很大。
III類-季節(jié)性的不平衡
III類-季節(jié)性的不平衡。由于各個(gè)季節(jié)三相生產(chǎn)用電和單相生活用電的比例在變化，而單相負(fù)載在三相上分配不均造成的。典型如農(nóng)忙時(shí)節(jié)的灌溉、夏季空調(diào)等。
IV類-隨機(jī)性的不平衡
各相電流大小隨時(shí)間變化，沒(méi)有規(guī)律性。這種情況反映了單相負(fù)載波動(dòng)大，而該波動(dòng)在三相上是不同步的。
圖1配電壓低壓不平衡分類
根據(jù)配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡類型，可以采取相應(yīng)的不平衡控制策略以及調(diào)節(jié)裝置。對(duì)于I類和IV類長(zhǎng)期規(guī)律性和季節(jié)性的不平衡，采用人工或自動(dòng)化智能設(shè)備定期改變負(fù)荷接入相別來(lái)平衡相間負(fù)荷，對(duì)于II類和III類隨機(jī)變化的不平衡，宜采用自動(dòng)化智能設(shè)備來(lái)調(diào)整相間負(fù)荷。
2.幾種不平衡治理裝置工程適用性
在國(guó)家電網(wǎng)公司《國(guó)網(wǎng)運(yùn)檢部關(guān)于開展配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡問(wèn)題治理工作的通知》（運(yùn)檢三〔2017〕68號(hào)）文中，給出了以下治理措施：
采取運(yùn)維管控措施；
三相四線制供電入戶，盡量減少兩線制供電；
對(duì)于功率因數(shù)大于0.85，應(yīng)結(jié)合配變臺(tái)區(qū)建設(shè)改造選用低壓負(fù)荷自動(dòng)換相裝置進(jìn)行治理。
對(duì)于功率因數(shù)低于0.85的配變臺(tái)區(qū)，應(yīng)結(jié)合配變臺(tái)區(qū)實(shí)際情況，選用其中一種措施進(jìn)行治理：
在配變低壓側(cè)加裝或改造電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置同時(shí)加裝低壓負(fù)荷自動(dòng)換相裝置進(jìn)行治理。
對(duì)于低壓分支線路較少、負(fù)荷主要集中在少數(shù)幾條分線上的配變臺(tái)區(qū)，采用相間無(wú)功補(bǔ)償裝置獨(dú)立分散補(bǔ)償”模式。
對(duì)于低壓分支線路較少、負(fù)荷主要集中在少數(shù)幾條分線上的配變臺(tái)區(qū)，采用電能質(zhì)量綜合治理裝置獨(dú)立分散補(bǔ)償模式。
采用“電能質(zhì)量綜合治理裝置獨(dú)立集中補(bǔ)償”或“電能質(zhì)量綜合治理裝置集中補(bǔ)償+低壓負(fù)荷自動(dòng)換相裝置”模式。
其中，改變負(fù)荷接入相別，平均分配各相承擔(dān)的負(fù)荷容量是最直接和根本的方法。其中負(fù)荷的接入開關(guān)可以采用晶閘管、復(fù)合開關(guān)、智能選相開關(guān)等?；谙嚅g跨接電容器的三相負(fù)荷不平衡控制裝置、低壓靜止無(wú)功發(fā)生裝置（SVG）主要是通過(guò)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)阻抗，實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷阻抗平衡。
選取現(xiàn)有主流的兩種技術(shù)方案（a）、（d）與最新方案（c）對(duì)比，典型應(yīng)用場(chǎng)景與工程適用性對(duì)比如下：
表2工程適用性對(duì)比
通過(guò)以上對(duì)比，基于智能選相開關(guān)的低壓配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡治理技術(shù)，采用二極管、接觸器、繼電器的電力電子組件作為電力電子開關(guān)，簡(jiǎn)化了控制電路，相間切換時(shí)間短，無(wú)弧切換，可以大幅度延長(zhǎng)接觸器和輔助繼電器的壽命，提高了設(shè)備可靠性。因此，在實(shí)際工程中選用此方案進(jìn)一步開展效果評(píng)估。其他方案的運(yùn)行效果可參考現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。
3.工程應(yīng)用效果
選取山西省陽(yáng)泉市某小區(qū)為示范應(yīng)用臺(tái)區(qū)。臺(tái)區(qū)由1路10kV供電，臺(tái)區(qū)變壓器為630kVar，共有372低壓用戶。低壓配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)由一臺(tái)10kV變壓器供電，其低壓側(cè)連接多個(gè)電纜分接箱，每個(gè)電纜分接箱具有一路三相輸入，多路單相輸出。臺(tái)區(qū)內(nèi)的低壓負(fù)荷分別接在電纜分接箱的出線側(cè)。供電臺(tái)區(qū)結(jié)構(gòu)如圖3所示：
圖3臺(tái)區(qū)接線圖
在電纜分接箱中裝設(shè)智能選相開關(guān)可以提升智能化水平，而且只需要約30%～50%總量的智能化電纜分接箱就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)臺(tái)區(qū)的負(fù)荷不平衡治理效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在1#、2#、3#、4#和5#電纜分接箱處安裝本項(xiàng)目的智能選相開關(guān)，通過(guò)換相操作平均調(diào)配三相各自承擔(dān)的負(fù)荷。
裝置投運(yùn)后獲得良好的調(diào)節(jié)效果：
圖4切換過(guò)程波形
圖4中，波形1為上級(jí)控制發(fā)出的切換控制命令，波形2為換相操作過(guò)程中的負(fù)荷電壓。波形顯示，智能選相開關(guān)可以5ms內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)換相切換操作，可以保障負(fù)荷可靠連續(xù)供電。
根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)農(nóng)村配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，選取2016年1月1日19:00用電晚高峰時(shí)刻為代表時(shí)刻，臺(tái)區(qū)運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖5所示：
圖5運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)
同時(shí)，選取2016年1月1日為代表日，全天的不平衡度如圖6所示：
圖6投運(yùn)后臺(tái)區(qū)全天不平衡度
對(duì)比投運(yùn)前后臺(tái)區(qū)代表日的數(shù)據(jù)，見表3：
表3投去前后數(shù)據(jù)對(duì)比
目前，裝置已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定安全運(yùn)行15個(gè)月。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，通過(guò)使用該裝置，臺(tái)區(qū)可獲以下效益：
改善了供電質(zhì)量，保障三相負(fù)荷平衡。臺(tái)區(qū)不平衡度在運(yùn)行期間保持長(zhǎng)時(shí)間小于10%。
調(diào)整三相不平衡電流，能夠有效地降低變壓器和線路損耗。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司農(nóng)村配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，裝置運(yùn)行期間，臺(tái)區(qū)線損平均降低2.37%，臺(tái)區(qū)全年可以節(jié)約5萬(wàn)度左右電量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。
調(diào)整三相不平衡電流，使三相負(fù)荷平衡，提高了變壓器的設(shè)備利用率，降低了變壓器和中性線因過(guò)負(fù)荷燒毀的機(jī)率，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命。
提高了配電設(shè)備自動(dòng)化水平，避免了電力工人頻繁手動(dòng)換相的操作。
4.結(jié)論
治理配電網(wǎng)低壓三相負(fù)荷不平衡具有很重要的實(shí)際意義。根據(jù)治理要求，對(duì)比了三種不平衡治理裝置的基本原理和工程適用性。給出了其中一種智能選相開關(guān)的工程驗(yàn)證。實(shí)際運(yùn)行證明，基于智能選相開關(guān)的低壓配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡治理技術(shù)具有效果明顯、成本低和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，是解決低壓配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡問(wèn)題的有效方法之一。
圖2不平衡治理裝置原理圖對(duì)比