近年来，随着内蒙古经济的发展，供电单位将老旧小区原有的一表一户模式改造为集中式表箱。但由于原有线路保持不变，随着家庭电器的增多，尤其是大功率电器的使用，导致单相负荷激增，老旧小区单相负荷已成为主要的电力负荷。由于单相负荷投入的不同时性以及在低压电网建设改造和运行维护的不到位，导致低压配电网三相负荷分配不平衡，三相负载不平衡电流会增大线路及变压器的损耗，减小变压器的出力，甚至导致台区变压器烧毁，低压配电网电能质量状况较差，影响低压配电网的安全运行。因此三相负荷调平衡成为当前亟待研究的课题^[1]。

在配电网中三相负荷电流不平衡情况是普遍存在的现象，根据前期调研，目前存在的三相负荷不平衡情况的台区大致分为以下3类^[2]：

（1） 三相电流长期处于一相偏大（或偏小）状态；

（2） 三相电流在某一时间段内一相偏大（或偏小）状态；

（3） 三相电流在某一时间段内某一相偏大或偏小频繁变换状态。

前2类台区采用人工负荷调整的方式进行调整，会有一定的效果；第3类台区人工无法调整，必须借助其他装置才能实现负荷平衡调整。

（1） 第1、2类情况为台区负荷分配不均匀，造成某一相负荷较大，或在某一段时间内某一相负荷较大，出现偏负荷情况。原因为电力部门在配电网改造过程中，由于时间紧、任务重，在施工上未考虑周全（如三相负荷调平衡等），加之改造资金有限，为了最大限度降低费用，架设了一部分的单相两线线路，特别是农网低压分支线路中，单相两线线路占较大比例^[3]。

（2） 在下户线接火施工过程中，由于部分施工人员对三相负荷平衡概念的缺失，施工中随意搭接单相负荷，影响了三相不平衡度。部分地区电力部门对于只有单相负荷且量值较小的三相四线制线路，停用2根相线，只用单相两线供电，加重了三相不平衡度。

（3） 第3类情况是比较突出的三相负荷不平衡问题，此类问题主要是由于用户启用家用电器的不同时性，或启用家用电器负载大小不一致造成的。

电力人员对改造后的线路运行状况进行负荷调查分析，通过走访记录配电变压器各类负载最大平均负荷及发展趋势，对配电变压器负荷电流进行经常性跟踪测试，及时发现不平衡超标情况，反馈负荷分析结果的同时，进行相应调整。该方法操作简单，但调整时需断线、换相，费工费时，且对三相负荷的调整滞后、不准确，只能做到暂时性的三相平衡，实际效果并不理想。

电容补偿法是利用无功补偿原理，对三相四线制系统中存在的无功功率造成的三相负荷不平衡情况，通过调整系统的功率因数，达到提高电网电压的目的。

该方法比较适用于台区变压器做无功补偿使用，不适用三相四线制系统中因单相负荷分配不平衡造成的负荷电流不平衡问题。再者，由于三相四线制系统接入电容负载，虽电容负载本身不产生电力谐波，但电容负载会使电力系统中存在的谐波放大，如果电容负载和电力系统中的感性负载振荡频率与系统固有频率相近，则会造成电力系统谐波无限放大，导致停电事故的发生^[4]。

自动实时调整法是在台区表箱处安装自动换相设备，由台区管理终端监控台区单相负荷电流，并根据设置的三相负荷不平衡率对表箱负荷进行自动调整，以达到三相负荷自动调整的目的。较前2种方法，自动实时调整法优点如下。

能够及时采集到台区的用电负荷、电压、电流、功率等一系列配电变压器参数，利于台区基本数据的掌握。

可实时监测线路运行情况，当台区出现异常情况时，可通过台区终端实现第一时间告警、预警功能，并通过调度软件进行分闸、合闸、继电器控制等台区操作。

系统可通过人工或自动的方式对换相开关实现换相，用于自动调整负荷平衡，使其线路的不平衡率降至预设的不平衡率以下。此外，可通过软件查询当前线路负荷、用户在某相的使用情况等详细信息。

该系统利用先进的信息技术和网络技术，实现部门、县公司、地市公司、省公司之间的数据传输，促使各部门的信息和资源共享。

可减少在调整线路负载平衡中繁琐的工作环节，降低工作强度，工作人员只需进行系统操作来调整负荷，大幅提高工作效率。

系统内装置带有过流、过压、欠压、漏电等保护功能，可有效避免人体触电和因为过电压、欠电压造成的用户电器设备损坏事故，提高供电企业的服务水平和供电可靠性。

三相负载自动调平衡装置见图 1。该装置由计算机和软件构成系统主站，用于对数据的采集、分析、存档，并下发遥控指令，控制换相开关动作以达到三相调平衡的目的。由空气开关、三相剩余电流断路器、单相带有换相功能的剩余电流断路器及温度采集器等硬件组合，此外还可增加现场环境温度、湿度和烟雾报警灯功能，共同构成低电压监测及三相负载自动调平衡装置。

图 1

图 1 三相负载自动调平衡装置图

智能台区管理终端采用模块化结构设计（见图 2），支持带负荷热插拔技术，采用高速32位ARM10微处理器芯片，应用嵌入式Linux操作系统，拥有高速、高精度的采样芯片和强大的实时运算能力，智能台区管理终端具有RS485接口、热插拔电流载波模块或小无线模块接口。台区管理终端支持高速运算能力，可以采集电能表或分支开关的三相负荷电流数据，存储到存储芯片中，运算芯片利用采集的三相电流数据快速计算出各三相负荷不平衡率，当台区管理终端监测到三相电流不平衡率和时间达到或超过预设值时，根据各表箱处安装的自动换相开关的负荷电流大小，经自动运算选择1个最佳调整方案，下发换相切换指令至换相开关，实时调整三相负荷电流，达到自动治理三相负荷不平衡的目的。

图 2

图 2 智能台区管理终端设计结构

将智能剩余电流断路器安装在配电网台区低电压侧各供电支路，利用断路器或电能表电流监测功能，通过RS485通信接口将各支路相线电流数据上传至智能台区管理终端，从而实现三相负荷平衡自动调整的一级监测。

换相开关是具有带负荷相位切换功能的智能开关，由3组独立的开关触头机构组成，智能控制模块化系统控制运行，三相四线制输入，单相负荷输出，其CPU 控制芯片与智能台区管理终端组网运行，对表箱工作电源相位与负荷电流进行监测，并上传至台区管理终端，同时接收智能台区管理终端的负荷相位切换调整指令，实现换相开关与智能台区管理终端的双向通信功能。带负荷相位切换时间不大于200 ms。

2014年11月，呼和浩特供电局选取新城供电分局负责的团结小区西区13栋住宅楼48个单元作为试验台区，进行三相负荷自动调平衡改造。该台区为3类台区，台区中每个分支线路三相负荷电流变化幅度较大，且三相负荷电流变化交替偏负荷，属于人工无法调整三相负荷电流不平衡的台区。

针对团结小区实际情况，设计项目方案，拓扑结构如图 3所示。该项目共安装74个换相开关，每个换相开关配置1个防雨箱，具体配电设备数量见表 1所示。在项目实施过程中，要注意换相开关所接的相序与开关的换相模块相序一一对应，进线侧接入三相四线，出线侧出线为一零线一火线。在施工过程中，尽量停电安装，防止误操作造成人为触电事故，同时换相开关需要安装在防雨箱内以保证装置不受雨水侵入和外力破坏。在安装换相开关时，尽量选用离变压器较近且空间较开阔之处安装，便于数据传输。

图 3

图 3 团结小区设计方案拓扑结构

表 1 (Table 1)

表 1 配电设备安装明细

表 1 配电设备安装明细

改造前，各分支线路不平衡率较大（见图 4），改造后，各分支测量点的三相负荷不平衡率降低至20%左右（见图 5），可降低台区低压线损4%。通过三相负荷自动调平衡装置来降低台区的低压线损效果明显。

图 4

图 4 改造前分支线路不平衡率查询结果

图 5

图 5 改造后分支线路不平衡率查询结果

采用三相负载自动调平衡装置对电压和三相负荷不平衡的监测与调整，可以降低台区低压线损率4%左右。预装5个台区的年用电量约为4 GWh，通过低电压和负荷自动调整，每年可减少损耗达160 MWh，按0.6元/kWh计算，每年可节约9.6万元，5 a可节省费用约48万元，直接经济效益显著。

当线路负荷不平衡且偏差较大，变压器单相处于满负荷运行时会导致变压器过热，甚至烧毁^[5]。三相负载自动调平衡装置不仅可以采集统计变压器的油温，还可以监测变压器低压侧4个接线柱的温度，实时了解变压器的运行情况，及时掌握台区的经济运行情况。呼和浩特供电局每年因为线路负荷不平衡等原因导致烧毁的变压器达10台以上，若按此单项计算，则预计可节省20多万元，5 a可节省100多万元的成本。

三相负荷自动调平衡装置的效益主要还体现在台区配电设备的智能化管理方面。三相负载自动调平衡装置的使用可以使设备检修的针对性更强，变人工巡检为自动故障保修，变故障检修为状态检修，降低台区管理人员的劳动强度，提高检修工作效率，节约了台区设备的维护成本费用。通过对负荷的监控，合理分配负荷，还可以最大限度地保护供电设备投资，有利于提高设备的安全和健康水平，延长使用寿命。

从上述对配网变压器负荷不平衡的变压器附加损耗分析可知，台区三相负荷不平衡对变压器的附加损耗影响很大，如不及时解决，最终会导致变压器烧毁，线路烧断。采用三相负载自动调平衡装置可改善台区三相负载不平衡率，从而降低其危害程度，降低台区的低压线损，提高台区的智能化管理水平。该装置的应用具有可推广性，对农网智能化建设具有十分重要的现实意义。