配电变压器三相负荷不平衡对变压器损耗影响的仿真实验研究

【摘 要】在配电系统中，三相负载不平衡使配电变压器的损耗增大，不平衡度越大，其损耗也就越大。通过调整相间负载可以减少相间负载不平衡度，使三相负载接衡，从而减少配电变压器的损耗。本文通过采用三相低压变压器和纯电阻来模拟配电变压器和负载进行仿真实验。仿真研究了三相负载不平衡度为不同值时对变压器损耗的影响，绘制了配电变压器相间负载不平衡度与变压器损耗的曲线图，为方便调整配电变压器相间负载和减少配电变压器的损耗提供了参考依据。

【关键词】配电变压器；三相负载不平衡；损耗；仿真实验

引言

在配电网中，给居民供电的配电变压器，供电区域大、线路长、负载分散，既给居民供电也给小型工业和农业供电，三相和单相负载都存在，一般都会存在三相负载不平衡现象。

三相负载不平衡时，变压器处于不对称运行状态，造成变压器损耗增大。三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大，从而导致局部金属部件温升增大，严重时会导致变压器烧毁。

本文仿真研究了配电变压器三相不平衡对配电变压器内部损耗的影响。以曲线图的形式直观反映三相负载不平衡度为不同值时对变压器损耗的影响。从而为调节配电变压器三相负载平衡，减少变压器损耗提供了一个直观简便的依据。

1 三相负载不平衡度的计算方法

当配电变压器三相负载不平衡时，其三相负载间存在着最大负载和最小负载。最大负载和最小负载分别对应着相间最大负载不平衡度和相间最小负载不平衡度。

1.1 三相负载不平衡度

三相负载不平衡度 是指：三相负载中的最大负载 减去三相负载中的最小负载 ，然后除以平均负载 。其计算公式为

由上式可知：当 ，也就是 时， ，因此三相负载不平衡度的上限值为3当 时， ，因此三相负载不平衡度的下限值为0。所以三相负载不平衡度的变化范围是0～3。

由以上三式可以看出，相间最大负载不平衡度减去相间最小负载不平衡度就是三相负载不平衡度。即

1.2 变压器三相负荷不平衡时的损耗计算

变压器的功率损耗由空载损耗和负载损耗两部分组成。空载损耗随变压器运行电压而变化。正常情况下变压器运行电压基本不变，故空载损耗可视为不变。而负载损耗则随变压器运行负载的变化而变化，在三相负载平衡条件时，变压器功率损耗可表示为：

（5）

当三相负载不平衡时，变压器功率损耗表达式为：

’= （6）

式中： 为变压器空载损耗；

为变压器短路损耗；

、 、 分别为变压器各相电流负载率， 、 、 ；

、 、 分别为各相负载电流；

为变压器额定电流；

举例计算如下，一台S9-1000/10型，10/0.4kV的变压器。已知 为1.1kW， 为10.3kW， 为1250A， 为550A， 为300A， 为1443A。

当三相负载平衡，且 = = =700A时其功率损耗为： =3.52kW

当三相负载不平衡时其功率损耗为： =4.32kW。两种状态下的损耗差为： =0.8kW。因此，当变压器输出容量相同时，三相不平衡时的损耗会比平衡时大。

2 仿真试验

配电变压器的接线方式一般分为Y-Δ和Y-y接线。本文模拟这两种接线方式进行实验负载用纯电阻来模拟。

2.1 配电变压器Y-Δ接线方式的试验

2.1.1 负载试验

按变压器Y-Δ接线负载试验连接方式接好线路，测量时保持低压侧负载的总功率不变，即总功率为90W不变。保持低压侧总功率不变，是因为要排除负载不同对变压器损耗带来的影响。调节各相电阻和调压器使得总功率为90W，分别读取高、低压侧功率表的读数和低压侧电流的读数。读取高压侧的相电压和低压侧的线电压。

2.1.2 空载试验

将三相负载断开，按变压器Y-Δ接线空载试验连接方式接好线路。将高压侧电压调到250V，记录高压侧的功率和高、低压侧电压。将高压侧电压调到200V，记录高压侧的功率和高、低压侧电压。

2.1.3 短路试验

将三相短路，按变压器Y-Δ接线短路试验连接方式接好线路，将低压侧的电流分别调到1.3A、1A、0.8、0.5A，记录高压侧的功率，和高、低压侧电压。

2.1.4 配电变压器Y-Δ连接时三相负载不平衡度与变压器损耗的关系

高压侧功率为电源输出总功率，它是由低压侧电阻损耗、变压器空载损耗、负载损耗及因变压器三相负荷不平衡造成的附加损耗组成。将高压侧功率减去低压功率表功率，就为变压器的空载损耗、负载损耗和因三相不平衡造成的附加损耗。实验得到Y-Δ接线变压器三相不平衡损耗曲线如图5所示。

图1 Y-Δ接线变压器三相不平衡损耗曲线

由图5可看到，Y-Δ接线方式的变压器三相不平衡时其损耗与三相负载不平衡度的关系。随着三相负载不平衡度的增加，变压器的损耗是逐渐增大的。

2.2 配电变压器Y-y接线方式的试验

2.2.1 负载试验

按变压器Y-y接线负载试验方法接好线路。测量时保持低压侧功率不变，即总功率为90W不变，调节电阻和调压器使得总功率为90W，分别读取高、低压侧功率表的读数和低压侧电流的读数。读取高压侧的相电压和低压侧的线电压。

2.2.2 空载试验

将三相负载断开，按变压器Y-y接线空载试验接好线路，将高压侧电压调到250V，记录高压侧的功率和高低压侧电压。

2.2.3 短路试验

将三相短路，按变压器Y-y接线短路试验连接好线路，将低压侧的电流分别调到0.2A、0.6A、1A，记录高压侧的功率和高低压侧电压。

2.2.4 配电变压器Y-y时三相负载不平衡度与变压器损耗的关系

试验数据处理同变压器Y-Δ连接。

图2 Y-y接线变压器三相不平衡损耗曲线

3 试验结果分析

试验结果表明，在总负荷不变的情况下，配电变压器的损耗在大趋势上随着不平衡度的增加而增大

4 总结

在相同负载的条件下，配电变压器相间负载平衡和相间负载不平衡，变压器的空载损耗是固定不变的，但变压器的负载损耗却会有较大的变化。随着三相负载不平衡度的增大，变压器的负载损耗也在增大。所以通过调整变压器相间的不平衡负载，就能降低相间负载不平衡度，从而可以有效的降低变压器的损耗。

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