1 绪论
1.1 课题背景及意义
现代社会中，电能属于使用相当普遍的一种能源，其被应用的比重是衡量一个国家发展水平的重要标志之一[1]。随着科学技术和国民经济的不断进步，人们对电能的依赖日益增长，与此同时，对电能质量的重视程度也愈来愈高。电能质量对于电网和用电设备的稳定、经济运行，对于保证企业的生产质量和人民生活的正常秩序都有极其重要的意义[2,3]。电能的质量，普遍用供电电压的频率、偏移、波动、闪变、间断、塌陷、尖峰、谐波、畸变、三相不平衡和高频干扰等指标来表示，其中三相不平衡属于电能质量的重要指标之一[4]。当今的电力系统中，包含着各类的不平衡因素，这些不平衡因素能够归纳为事故性和正常性两大类[5]。事故性的不平衡问题是因为电力系统某处发生故障造成的，这类运行状况在系统中是绝不允许的，普遍应利用保护装置切除故障部分，通过规范检修后再恢复系统的正常运行。正常性的不平衡问题是因为电网中存在的三相元件、线路参数或负荷不对称引起的，比如电气化轨道中的牵引负荷、冶炼系统中的电弧炉等。正常性不平衡状态可以较长时间存在或持续存在[6]。为此，针对正常性的不平衡运行问题，我国制订了“三相电压允许不平衡度”的电能质量国家指标。由于低压负荷普遍采用三相四线制接线供电，再加上单相负荷用电的随机性，导致配电变压器的三相负荷长期工作于不平衡状态，进而造成中性点发生偏移，整个低压电网的电压质量产生下降，造成某些相的电压较低，其他相的电压较高，烧毁电器，然而变配电压器三相负荷不平衡的危害远不止于此。配网的长期存在三相不平衡运行工况还会引起例如零序电流过大、电动机有功出力不足、配电变压器局部发热等相应问题，并导致配电变压器的出力减小、配电线路的损耗加剧，严重时甚至还会烧断零线，并损坏用户的用电设备。针对这种情况，国家电网公司制定的配电网运行规程中明确指出，配电变压器的三相不平衡度不应大于 15%，中性线电流不应超过额定电流的 25%。
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1.2 国内外研究现状
现阶段，国内外对电能质量问题的探讨十分火热，比如美国电子与电气工程研究所开展专门研究电能质量标准的课题，它们的研究主要包括：电能质量定义、谐波控制、电压闪变、数据交换、数据采集、电能质量监测等标准。加拿大利用连续地分析归纳出了对电能质量造成影响的 69 个稳态因素和 37 个暂态因素，通过对比这些因素得出 25 项指标来体现电能质量的好坏，为规划电能质量综合评估系统给予了充分的科学依据。伊朗电网对比了国际上存在的各种不同的电能质量标准，完成了不同电压等级的相应电能质量指标在相同规范下的评估。国外很早就开展电能质量的研究，从电能质量理论到对应评估指标系统的构成；从用电客户设备电气运行环境的定义到国家级的电能质量调研和监测；从各类电能质量问题研究方法的得出到“用户电力技术”等电能质量控制技术的创造和装置的设计等方面的研究都在如火如荼的开展[7]。在国内，随着电网规模持续扩大，电能质量引发的问题也愈发突出，各级供电公司已然将改善电能质量当作电网稳定运行及高效管理的重要目标之一[8-12]。城市配电网络整改项目，目的就是改善我国城市电网的供电可靠性与用电的电能质量，与此共同开展的农网改造，目的也是改善农村电网供电的稳定性。这些有关电能质量的政策与措施的提出，有力的证明了国家对电能质量问题的紧密关注。
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2 配电变压器三相不平衡的危害与现状分析
2.1 电能质量问题
供电是工业、商业和居民生活中最重要的基础服务之一。从用户的角度看，这项基础服务必须一直可用（即高连续性）且能够使用户的电气设备安全、良好地运行（即良好的电能质量）[24-27]。如果电能被看成一种商品，那么由于它的无形和瞬态属性而完全不同于其他任何商品，它存在于输送过程中的任何一瞬间，且在同一瞬间用于不同的用户。在输送过程中的每一点上均不相同。另外，它的质量取决于生产方式和供电方式。国际上的电气设备制造商将电能质量定义为：让终端用户电气设备良好工作的特性，在此定义下，对于不同类型的电气设备和生产过程，这种特性也有较大差别；美国电力科学研究院编写的电能质量工作手册将电能质量定义为：任何引起变电站和用户终端设备故障或误动作的、体现在电压、电流或频率上的偏差问题；国际电工委员会（IEC）推出的 1000-2-2/4 标准中定义的电能质量为：供电系统在正常运行情况下不中断和干扰用电用户使用电力的物理特性[28]。电能质量问题可以概括为以下三类：（1）由电力设备产生并作用于用户侧的电能质量问题：这类问题与电压调节装置、补偿电容的位置和容量、线路设计形式、变压器容量等有关。电力设备应当供给用电客户理想的电压（具备恒定频率的纯正弦波型）。由于变压器中的励磁电流可能会产生一些奇次谐波分量，这些谐波分量必须限定在标准允许的范围内。（2）由用户产生并作用于其他用户的电能质量问题：实际上，大部分电能质量问题都是由用户产生的，这些电气设备主要为变频器（VSD）、整流器、电焊机、电弧炉、电动机及其启动器等。（3）由用户产生并作用于自己电气设备的电能质量问题：通常，这类问题的出现是由于谐波、严重的负载不均衡、电气设备间的连接不良、低压网络布线的不足、开关电源等导致。
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2.2 三相不平衡度的概念和计算
通过 10/0.4kV 配电变压器降压后，低压网络（380/220 V）普遍按照三相四线制接线给用户供电，它的接线方式如图 2.1 所示。低压配电系统是三相生产用电和单相负荷用电混合使用的网络，在给单相用户供电时，电力公司可以把单相负载平均的分配在 A、B、C 三相线路上。在理想情况下，三相电压正序对称，A、B、C 三相电压正序相位相差 2π / 3，这样的系统称为三相平衡对称系统。不过在现场供电过程中，因为单相用电用户私自扩充用电负荷、大功率单相用电负荷的投入、单相负载用电的随机性等，都能够产生三相负载不平衡[29]。一般来讲，三相电压不平衡意指 A、B、C 三相电压在幅值大小不一致或相与相之间的相位差不再是2π / 3，或者三相的幅值和相位同时不符合标准。三相电压不平衡度是指三相供电系统中 A、B、C 三相电压的不平衡程度，用三相电压的负序分量与正序分量的均方根百分比来表示。如今，国内执行的 GB/T15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》属于电能质量相关方面的国家标准之一[30]。《标准》中明确定义了三相电压不平衡度，规定了系统三相电压不平衡度的限值、计算方法和采样方法。GB/T15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》第 4.1 条规定，电力系统公共连接点三相电压不平衡度限值为：电力系统正常运行时，三相电压不平衡度不得大于 2%，与此同时规定了短时的三相电压不平衡度不得大于 4%。对于公共连接点的母线电压，其由各个用户引起该公共连接点三相电压不平衡度一般不得大于 1.3％，短时允许值不得大于 2.6%。在 GB/T15543—2008《电能质量三相电压不平衡》，明确指出了时间的定义，短时的时间范围是指 3s～1 min。其短时允许值的概念表示在 3s～1 min 中的任意时间段内，三相电压不平衡度均不得超过的限定值，这规定才可以确保电力系统中的保护装置和安全自动装置可以可靠动作。这些规定是国家电网公司通过电力系统三相电压不平衡度的实际调查研究分析后，参考电力设备的相关规范，外加国际上相关标准和电磁兼容标准共同分析得出的规范[31]。
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3 配电变压器三相不平衡的检测与分析 ....... 17
3.1 数据采集装置 ...........17
3.2 LABVIEW 软件开发.........23
3.2.1 LABVIEW 数据采集软件 .........24
3.2.2 LABVIEW 数据分析软件 .........25
3.3 三相不平衡度算法在 LABVIEW 中的实现........26
3.4 焦作配电网测试 .......31
3.4.1 焦作配电网现状分析........31
3.4.2 焦作配电网测试 ......32
3.5 测量结果分析 ...........35
3.6 本章小结 ..........36
4 配电变压器三相不平衡的仿真与分析 ....... 37
4.1 MATLAB 与 SIMULINK ...........37
4.2 三相不平衡仿真 .......37
4.3 三相不平衡的计算 ............43
4.3.1 零线正常情况下的计算....43
4.3.2 零线断线后的计算 ...........45
4.3 本章小结 ..........47
5 配电变压器三相不平衡的治理措施 ........... 48
5.1 管理上的治理措施 ............48
5.2 技术上的治理措施 ............50
5.3 本章小结 ..........51
5 配电变压器三相不平衡的治理措施
针对河南省焦作市配电变压器三相不平衡运行状况，本文第三章、第四章分别做了现场检测分析和软件仿真分析，根据分析结果给出治理焦作市配电变压器三相不平衡的措施。在三相低压配电网中，若让配电变压器运行在三相完全平衡的理想状态是不可能实现的，但是电力公司应该从管理和技术两个方面，有针对性的采取一些措施，尽可能地改善配网的三相不平衡度。
5.1 管理上的治理措施
针对配电变压器三相不平衡问题，在管理方面的治理措施，主要包括电网规划、日常维护和不平衡相关指标规范的制定[64,65]：（1）三相负载电流不平衡时会增加电能损耗和恶化电压质量，电力公司应给予高度的重视，努力减小三相负载电流的不平衡度，把它当作对节能降损，提高电压质量的一项重要工作来完成，把它当作考核有关单位和部门的一项经济技术指标，充分保证三相负载电流的不平衡度不超过 10%。（2）定期对配变及重点支路进行现场测量, 尤其要关注高峰时段的负荷变化情况，对于三相不平衡度连续 15 天超过 15%以上，且零线电流大于额定相电流 25%的配变台区，应及时按照“计量点平衡、各支路平衡、主干线平衡和变压器低压出口侧平衡”的原则实施负荷调整。（3）配电变压器管理人员应及时掌握临时用户、季节性用户的资料及其变化的情况，特别是单相设备申请用电，要保证合理分配，并且及时绘制台区负荷分配接线图，加大对单相负荷的监管力度，保证任何单相负荷接入电网，必须兼顾到三相负荷的平衡。（4）及时整改配电网，尽可能把配电变压器建设在负荷中心，主干线及分支干线均按照三相四线制系统供电。合理地选择零线截面，为防止因截面过细而烧断零线，零线截面要与相线截面保持一致，还要确保不能在零线上加装熔断器、开关或刀闸。
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结论
本文针对河南省焦作市配电变压器三相不平衡较为普遍，造成零线断线、烧毁用户电器设备、危害人身安全的问题，设计电能质量检测装置和 LabVIEW分析软件，并进行实地调研和检测，选择工业区、居民区、商业区、城乡内等配电变压器为检测对象，深入探讨配电变压器三相不平衡的情况和负荷特征，利用对检测数据的计算、分析和建模仿真，给出治理配电变压器三相不平衡的方法和措施。本文的主要完成的工作有以下几个方面：
（1）首先归纳总结了电能质量的相关问题，由此引出了三相不平衡的问题，然后由于河南省焦作市配电变压器三相不平衡问题较为突出，进一步开展了本文的研究课题。
（2）详细概括了电能质量问题和三相平衡系统的概念，阐述三相不平衡度的概念和计算方法，综合概括了配电变压器三相不平衡的危害。
（3）详细介绍数据采集装置的组成和运行方法，然后介绍了 LabVIEW 数据采集软件和数据分析软件的编写过程和使用方法，着重分析了三相不平衡算法是如何在 LabVIEW 环境下实现的。在国网河南省电力公司焦作供电公司有关人员的配合下，深入调查和汇总了河南省焦作市配电变压器三相不平衡的状况。对焦作市 30 个测试点进行了数据采集，得到了现场测试数据进行分析，总结焦作市配电变压器三相不平衡的状况和原因。
（4）利用 MATLAB 中 Simulink 仿真，分别模拟零线正常和零线断开时，配电变压器三相不平衡情况下的运行特征，得到其各自的仿真分析结果，根据仿真分析结果和现场实际检测的数据，对配电变压器三相不平衡问题做了进一步分析工作。
（5）针对河南省焦作市配电变压器三相不平衡问题的现状，结合现场检测的结果和 MATLAB 仿真分析结果，分别从管理和技术方面，给出合理的综合治理措施。
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参考文献（略）