淺析電力系統三相不平衡的危害與解決措施

孫 蒙

（上海煙草集團有限責任公司 天津 3 00163）

1 三相不平衡概述

三相電力系統中，如果三相電壓（電流）的幅值相同且相位相差120°，則稱為三相平衡系統。對于正常運行的三相系統，系統的不對稱將直接引起不平衡。

三相不平衡一般用電壓（或電流）不平衡度表示。不平衡度是指三相電力系統中三相不平衡的程度，表示為電壓或電流負序分量與正序分量的方均根值百分比。電壓不平衡的表達式如下：

式中：U+—三相電壓的正序分量方均根值；

U-—三相電壓的負序分量方均根值。

國家標準《電能質量三相電壓允許不平衡度》中規定：在電力系統正常運行方式下，電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%，接于公共接點的每個用戶引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%。

2 引起三相不平衡的原因

電力系統中的三相不平衡，可以分為正常性和事故性兩大類。正常性不平衡是由于三相負荷的不平衡和電力系統元件的三相不對稱所致；事故性不平衡是由于電力系統發生故障所致。

正常運行方式下，電力系統供電環節或用電環節的不平衡都會導致電力系統三相不平衡。電力系統的三相阻抗并不完全相同，是在供電環節引起三相不平衡的一個原因。通常情況下，負載的不對稱是引起三相不平衡的主要原因。在低壓配電系統中，大多是經10/0.4k V變壓器降壓后，采用三相四線制進行供電，低壓電網的三相不平衡也一直是困擾供電單位的主要問題之一。單相用戶在設計安裝時，應將單相負載均衡地分布在A、B、C三相上。但實際施工中往往更多考慮配電線路的容量，而易忽視三相負載的合理分配，同時加以單相用戶的不可控增容、單相負載用電的不同步以及大功率單相負載的接入等，造成了三相負載的不平衡。

3 三相不平衡的危害

三相電壓不平衡問題是一個電能質量問題，其不平衡程度對低壓供配電系統有著不同程度的影響，對系統中各類設備產生很多危害及不良影響。

3.1 對變壓器的危害

三相負載不平衡可造成變壓器處于不平衡運行狀態，變壓器負載及空載損耗增大，變壓器輸出容量難以達到其額定值，過載能力也相應降低。變壓器運行在過載工況下，引發變壓器發熱加劇，不利于變壓器的經濟運行和變壓器壽命。此外，變壓器三相負載不平衡度較大時，就會引起零序電流過大，造成變壓器鐵芯磁滯和渦流損耗增加，局部溫升較大，因此會加劇變壓器絕緣的老化，降低變壓器使用壽命。

3.2 對用電設備的影響

電力系統三相負載平衡是良好電能質量的保證。如果三相負載不對稱嚴重，就會導致中性點電位偏移，造成線路壓降和功率損失加劇。高負荷一相的單相用戶易出現電壓偏低、照明亮度降低等問題，而低負荷相的單相用戶易出現電壓偏高等問題。

對于電機設備，由于不平衡電壓存在正序、負序和零序三個電壓分量，當這種不平衡的電壓輸入電機后，負序電壓與正序電壓產生的旋轉磁場相反，產生制動作用，從而引起電機輸出功率減少、電動機效率降低。

3.3 對線損的影響

三相負載的平衡是節能降耗、降損降價的基礎。三相四線制接線方式下，由于單相負載的存在，三相負載不平衡就難以避免。三相負載不平衡會引起三相電流及電壓不平衡，增加線路損耗。電流不平衡度越大，線損也越大。有數據還表明，三相負載不平衡可引起線損率升高約2%~10%，當三相負荷不平衡度超過10%，線損增加就更為顯著。

4 解決三相負荷不平衡的措施

4.1 根據實際情況查找系統原因，如照明系統，應核查各回路的照明數量。原因確定后，根據配電系統線路的額定負載設計，合理分配各相回路的負載，使三相趨于均衡。同時要定期對配電線路三相及零相電流進行在線檢測，獲得三相不平衡度相關數據，做好總結分析。在后續因設備增容、維修等進行的設備安裝及電纜安裝時，應當選取相線和中性線截面積相等，把單相用戶均衡地分配在三相中，以降低中性線電流及線路損耗，從根本上解決因三相負載嚴重失衡造成的電氣事故與損失。

4.2 公用變出線至進戶表電源側的低壓干線和分支線應盡量采用三相四線制供電系統，減少線路迂回、避免交叉和跨越等。

4.3 如果某單相用戶功率因數較低，則需進行無功補償，另外可安裝三相斷相保護器，當其中一相斷相時，能立即切斷電源以消除三相不平衡。同時，用電企業可引入三相平衡系統節電技術，如三相平衡系統節電器等。

4.4 后期發展或變更用戶時，要考慮三相平衡問題，合理分配三相負載。

5 三相不平衡測試實例

煙草行業供配電系統中，負荷情況較為復雜，制絲、卷包、動力等主要生產設備大量存在著三相負荷與單相負荷，三相不平衡的好壞對設備的安全穩定運行至關重要。本文以某煙廠低壓配電系統為例，簡要分析系統中三相不平衡現狀。

三相不平衡現場測試選擇在配電變壓器低壓側出線柜進行，測試采用F l u k e 43 4電能質量分析儀，電壓測量范圍5~600V，電流測量范圍0~5000A，測量精度±0.3%。下表給出了該煙廠三相不平衡度的測試數據。

表1 三相不平衡度測試數據表

通過上表可以看到，工廠各臺變壓器三相電壓不平衡度在0~0.2%范圍內，均在國標G B/T15543-1995允值范圍內，電流不平衡度控制均在10%以內。下圖舉例給出了卷包7#變壓器的電壓不平衡相位圖1。圖中可以看到，A、B、C三相電壓（電流）相位依次相差120°，電壓不平衡度為0.2%，電流不平衡度為4.2%，三相電壓、電流相位分布較好，因此可以表明系統中三相負載分配較為合理，負載不平衡造成的損害也相對較小。

圖1 卷包7#變壓器電壓不平衡（左）與電流不平衡（右）相位圖

6 結語

本文闡述了電力系統中三相不平衡的概念，以及三相不平衡對電力系統及用戶造成的危害及主要的改善措施。同時，文章通過煙草企業實例簡要介紹了三相不平衡的測試與分析方法，對三相不平衡狀況做出了評估。在實際工作中，要以三相不平衡度指標為依據，加強電網負荷調查與分析，做好變壓器各配電負載的負荷記錄，并分析負載運行規律及發展趨勢，定期跟蹤測試變壓器負荷電流及不平衡度，及時發現不平衡度超標情況，并采取相應措施。同時，在做好負荷監控與分析的同時，要適時進行有針對性的負載調整。只有這樣，才能從根本上抑制三相不平衡現象，有效減輕不平衡產生的危害，降低電氣設備故障率，提升電氣設備使用效能。

[1]鄭國華,張麗.電力系統電壓的不平衡度討論[J].交通運輸工程與信息學報.2005(04).

[2]G B/T 15543 1995電能質量三相電壓允許不平衡度.

[3]廖培,劉會金.三相四線制條件下的不平衡電流無功補償[J].電力電容器.2007(04).

[4]王明.三相不平衡系統動態無功補償控制技術研究[D].哈爾濱工業大學2013.

[5]林海雪.電力系統的三相不平衡[M].中國電力出版社，1998.