★ 国网山东省电力公司沾化县供电公司 张明，张勇超，魏吉筠，李宽森，王国凯

关键词：三相不平衡；自动换相；过零投切；配电台区

近年来，随着城乡电气化水平的提升，以及“煤改电”等单相大功率电器的普及，配电台区三相负荷不平衡问题日益突出，易引发变压器容量折损、线损增加及电压波动等现象，严重影响电能质量与供电可靠性。传统治理手段主要包括人工换相和无功补偿：人工换相需停电操作，工作效率低，难以应对动态负荷；无功补偿存在投资大、维护复杂、易引入谐波等局限性。针对上述技术短板，本文研发了一种可实现不停电实时换相的三相负荷不平衡自动换相装置，兼顾技术可行性与经济性，为配电网提供了一种高效、智能的治理方案。全文将详细介绍装置的设计思路、关键技术与工程应用成效，并分析其推广价值。

1   研究背景与需求分析

1.1   配电台区三相不平衡成因

城乡居民用电结构的变化是配电台区三相负荷不平衡问题日益突出的主要原因。在“煤改电”政策的推动下，农村和城郊地区电采暖、热泵空调等大功率单相负荷得到广泛普及。这些设备在用电高峰期的随机和无序接入，打破了台区原有负荷的相对均衡[1]。此外，大量小型工商业用户与居民生活负荷 在不同时段集中运行，进一步加剧了负荷在三相之间的分配不均。这种负荷分布的随机性、波动性与时段集中性，共同导致了配电台区三相负荷在特定时段出现严重不平衡。

1.2   不平衡带来的影响

一是变压器出力显著下降。因各相电流差异大，配电变压器实际输出功率受重载相电流限制，当不平衡度达15%时， 变压器容量利用率或降5%以上， 造成电力资源浪费。

二是线路损耗增加。依据电能损耗公式，线路电阻损耗与电流平方成正比。三相不平衡时重载相电流剧增，使线路电能损耗倍数增长。

三是设备老化加速。长期不平衡运行使重载相电流过大，引发配电变压器绕组、电缆、开关等设备局部过热，会加快绝缘老化，提升故障跳闸风险，严重影响供电可靠性。

当前供电企业治理三相不平衡的传统方式为人工换相和无功补偿，但二者均有明显不足。

人工换相需运维人员停电操作，效率低且有安全风险， 同时无法实时跟踪负荷动态变化，仅能做应急或周期性手段，难从根本上解决问题[2] ；无功补偿装置虽能改善电压质量，但对三相电流分配改善有限， 且投资大、运维复杂，不当投切还可能引入谐波，带来新的电能质量隐患。

综上，传统方法或反应滞后，或成本高，无法满足配电台区高效、经济、实时的治理需求， 亟须更智能可持续的解决方案。

2   装置设计与技术原理

2.1   系统总体架构

本自动换相装置采用“终端-单元”分层分布式架构，实现了低压配电台区负荷的动态管理。系统由安装在配电变压器低压侧的控制终端（主控单元）和部署在各单相用户支路的换相单元（子单元）构成[3]。该架构的核心逻辑是“监测—决策—执行—反馈”闭环控制：控制终端作为“大脑”， 负责实时采集三相负荷数据、计算不平衡度、制定最优换相策略；换相单元作为“执行者”，接收指令并精确完成不停电的负荷切换操作。这种分层设计不仅提高了系统的可扩展性和可靠性，也有效降低了单点故障风险。

2.2   控制终端设计

控制终端是整个系统的核心，选用STM32F407作为主控芯片。该芯片基于ARMCortex-M4内核，主频高达168MHz， 内置DSP指令集和浮点单元， 能够高效完成实时电流运算和换相策略算法计算。其外设接口丰富，支持多路ADC采样及SPI、I2C等通信方式，可满足多通道电流电压信号的高效采集和处理需求。

在电流采集方面，控制终端采用霍尔效应电流传感器。该传感器具有电气隔离、高精度、响应速度快的优势， 能够实时准确地反映三相电流的变化情况，同时可保证测量的安全性。

在通信方面，系统采用LoRa无线通信模块（基于SX1278芯片）。LoRa技术具备远距离传输、低功耗和良好抗干扰能力，特别适用于农村和小城镇复杂的电磁达到2公里以上，保证了控制终端与各个换相单元之间的可靠连接。

综上，控制终端具备监测、策略制定和通信三大功能，其不仅是系统的“指挥中心”，也是实现自动化和智能化的关键设备。

2.3   换相单元设计

换相单元安装在用户支路侧，是系统执行具体换相操作的核心部件。其主控芯片选用性价比更高的STM32F103， 可完全满足支路数据采集和指令执行的性能需求[5]。换相执行部分采用磁保持继电器与过零投切电路的组合方案：磁保持继电器仅在切换瞬间需要通电，显著降低了待机功耗并延长了器件寿命；过零投切技术则是在电流过零点瞬间进行切换，从根本上消除了电弧拉伤、触点烧蚀等问题，有效抑制了换相涌流，从而确保了对用户设备的零冲击。此外，换相单元集成的专用计量芯片可实时采集支路数据，并配置超级电容备用电源，保证了特殊情况下的可靠操作。

2.4   系统运行逻辑

系统运行时，控制终端首先设定三相不平衡度阈值、检测时间间隔及连续超限次数。每隔一个设定周期，终端对三相电流进行一次计算，当不平衡度小于阈值时继续监测；若大于阈值，则记录一次超限，连续超限达到设定次数后判定为三相失衡状态。

在判定不平衡后，控制终端立即与所有换相单元通信，获取各支路电流、电压情况，并根据预设算法计算出最佳换相方案。随后控制终端下发换相指令，指定的换相单元执行操作并在完成后反馈信号。

控制终端在接收到反馈后再次检测不平衡度，如果满足平衡标准，则进入监测状态；若仍不满足，则重新计算并进行新一轮换相，直至达到平衡。整个过程实现了自动监测、动态调整和闭环控制，避免了人工干预和停电操作。

3   工程应用与运行效果

3.1   应用场景与部署

为验证该装置的实际应用效果，本研究在某县域10kV配电网低压台区开展试点验证。试点台区共计12台400kVA配变，服务用户约1600户，其中居民用户比85%，商业用户占比15%。在“煤改电”取暖季节，占单相电热器、空调等设备大量集中使用，三相不平衡问题尤为突出。

在试点中，每台配变低压侧安装1套控制终端，并在各单相支路关键分支上布置3～5个换相单元， 覆盖率约60%。系统投运前， 运维人员对台区负荷情况进行了基线测量，以便后续对比。

3.2   应用运行情况

在整个试点周期（3个月取暖高峰期），系统按照预设参数进行运行：三相不平衡度阈值设定为15%；检测周期为5分钟；连续超限次数为3次。运行中，控制终端每日平均判定不平衡事件6～8次，每周累计换相15～20次。所有换相操作均在不停电条件下完成，换相单元动作成功率达98.7%，通信回传成功率达99.2%。装置投运前后的运行指标对比结果如表1所示。

表1 典型配变投运前后运行指标对比

从表1数据可以看出，自动换相装置能显著降低不平衡度，明显改善线损水平。同时，该装置有效释放了变压器容量，减少了人工操作和故障停电时间。

3.3   应用效果分析

3.3.1   三相不平衡度改善

试点台区整体三相负荷平均不平衡度从17%降至6.5%，大部分运行时间内不平衡度可控制在10%以下，满足国家配电网运行规范要求。对于典型配变，单次换相即可将不平衡度降低10个百分点以上。

3.3.2   线损下降

通过负荷均衡分配，三相电流更接近平均值，显著降低了部分线路的过载损耗。试点台区的平均线损率下降约1.3个百分点。以400kVA配变为例，年节电量约1.2万千瓦时，折算经济效益明显。

3.3.3   配变供电能力提升

不平衡运行状态下的容量折损得到恢复，部分配变在高峰期由“满载”转为“接近额定运行”。配变供电能力平均提升8%～10%，有效缓解了冬季用电高峰期的供电紧张。

3.3.4   运维效率提升

传统人工换相需停电，且依赖经验判断。系统投运后，人工换相次数由月均12次下降到2次，大幅减少了现场操作量。同时，远程换相和实时监测功能使运维人员能提前预判负荷风险，提升了精益化管理水平。

3.3.5   供电可靠性提高

三相不平衡造成的过热、跳闸等问题得到有效缓解，试点台区的故障停电时长从4.5小时/月下降至2小时/月，用户用电满意度明显提升。

3.4   案例数据展示

以某典型居民集中区配变为例，其三相电流曲线在冬季负荷高峰前后变化明显。装置投运前，晚高峰时A相电流高达230A，而C相仅120A，不平衡度超过20%。装置投运后，通过将部分空调和取暖支路调整至轻载相，三相电流基本维持在160～180A区间，负荷分配趋于均衡。具体对比数据如表2所示。

表2 某台区典型日负荷不平衡对比

表2数据表明，装置能在负荷峰谷切换中动态调整支路相位，使三相电流差异显著缩小，不平衡度始终保持在10%以下。

4   优势分析与推广价值

该装置有效解决了传统三相不平衡治理方式效率低、成本高的问题，优势与推广价值显著。

在技术层面，该装置采用磁保持继电器搭配过零投切电路，实现了不停电安全换相，避免了拉弧与触点烧蚀；结合LoRa无线通信，可满足农村、城郊复杂环境下远距离、低功耗、抗干扰通信需求，且系统可自动监测、动态响应、闭环控制，提升了治理自动化与智能化水平。

在经济与管理层面，该装置能降低台区线损、提升配变供电能力，如400kVA配变年均节电约1.2万千瓦时。同时，该装置减少了人工换相、停电操作与作业风险，助力运维精益化。

在推广层面，该装置安装便捷、扩展性强、成本适中，适合县域配电网、城乡结合部及负荷波动明显台区，尤其适用于高峰负荷不平衡频发地区，还可兼容现有配电自动化系统，未来有望融入智能电网。

5   结论与展望

本研究成功设计并落地应用了一套基于自动换相的智能调节装置，有效解决了配电台区普遍存在的三相负荷不平衡问题。该装置采用“终端-单元”分层架构，实现了低压台区三相负荷的不停电、动态调整。工程应用数据显示，该装置能够将平均不平衡度从17%降至6.5%，线损率降低约1.3个百分点，配变容量利用率提升8%～10%，显著改善了配电网的经济运行效益与供电可靠性。该装置依托过零投切安全、LoRa通信可靠等技术优势，为配电网自动化治理提供了可行的工程实践。未来，该装置可进一步与智能电网管理系统深度融合，实现更精细化的多台区联动协同治理与负荷精准预测。同时，建议未来研究可探索集成人工智能算法，以应对更复杂多变的负荷场景，实现更高效、更具前瞻性的负荷调度策略。

作者简介：

张   明（1983-） ，男， 山东滨州人，工程师，本科，现就职于国网山东省电力公司沾化县供电公司，研究方向为配电自动化。

张勇超 （1984-），男，山东沾化人，高级技师，本科，现就职于国网山东省电力公司沾化县供电公司，研究方向为电力工程技术配电方向沾化区分公司 。

魏吉筠（1996-） ，女， 山东滨州人，工程师，本科，现就职于国网山东省电力公司沾化县供电公司，研究方向为党建融合运检。

李宽森（1989-） ，男， 山东东营人，高级工程师，本科，现就职于国网山东省电力公司沾化县供电公司，研究方向为分布式电源接入。

王国凯（1989-） ，男， 山东寿光人，高级工程师，本科，现就职于国网山东省电力公司沾化县供电公司，研究方向为电力工程技术配电方向 。

参考文献：

[1] 刘科研, 贾东梨, 王薇嘉, 等. 考虑负荷不平衡分布的低压配电网线损实用计算策略[J]. 电力需求侧管理, 2021, 23 (06) : 81 - 86.

[2] 吴镇海, 叶海强, 崔泓, 等. 基于智能换相开关的配电网三相不平衡治理[J]. 电工材料, 2023, (04) : 24 - 26 + 29.

[3] 胡志文. 低压配电网三相负荷不平衡治理装置的研究[D]. 南昌: 南昌工程学院, 2023.

[4] 郭方方. 基于高可靠性智能换相装置的三相不平衡治理研究与应用[D]. 南昌: 南昌工程学院, 2024.

[5] 薛浩. 用于配电网不平衡治理的三相全控整流器的控制策略研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2024.

摘自《自动化博览》2026年8月刊