三相負載不平衡的危害分析

丁小瑞

（陜西省地方電力（集團）有限公司府谷縣供電分公司 陜西府谷 719400）

三相負載不平衡的危害分析

丁小瑞

（陜西省地方電力（集團）有限公司府谷縣供電分公司 陜西府谷 719400）

對基層供電企業來說，0.4k V低壓電網三相負載不平衡一直是難以解決的問題。出現這種問題嚴重威脅了低壓電網和用電設備的安全平穩運行。本文將會根據實際工作，分析0.4k V低壓電網三相負載不平衡帶來的危害，根據分析結果給出了改進的方法。

0.4kV；低壓電網；三相不平衡；電能損耗

在0.4kV電壓的低壓電網中，向用戶提供三相四線制的方式供電，這種供電網絡是三相生產用電和單相負載的混合用電。在正常情況下，如果安裝的是單相用戶，供電企業就會把單相負載均衡地分接在A、B、C三相上。在現實的操作運行中，這種安裝方法卻會容易出現三相負載不平衡的現象，引起這種現象的原因可能是：電工作人員的疏忽、線路的標志、大功率單相負載的接、單相用戶的不可控增容等情況的發生。如果是在三相負荷不平衡度非常大的情況下，低壓電網仍在運行，就容易對低壓電網和電氣設備造成危害。

1 三相負載不平衡概述

三相負載含有三根相線，如果三相平衡時，各相的電流值是接近的，形成互相平衡的狀態，如果出現三相不平衡，那么每一相的電流就會存在較大差異，此種情況下電流較高的相線極易發熱并引發火災。當三相負載不平衡時，會引起中性線電流過大，中性點位移，經過中性線會有多余的電流流到零線上，因此三相負載不平衡時，還可能造成零線電流增大。

圖1 三相負載不平衡電流相量例圖

2 出現三相負載不平衡產生的危害

2.1 線路的電能損耗增加

2.1.1 增加低壓線路中的電能損耗

電流在經過線路導線的時候，因存在的阻抗所以造成電能損耗，這是三相四線制的供電網絡經常出現的問題。當三相負載失衡時，中線段會出現電流，隨著通過的電流越大，電能損耗也就越大，增加相線以及中線的總損耗。低壓線路中線電流假設為I0，相線電流為別為IA、IB、IC，相線電阻為R，中線電阻為2R，如果三相平衡，那么除I0為0以外，其余電流均相等，記作均為I，那么在平衡狀態下，低壓線路損耗則為（IA2+IB2+IC2）R=3I2R。如果出現了三相失衡，我們假設為最大失衡狀態，IA為1.5I，IB、IC、I0均為0.75I，那么線路的總損耗則為（IA2+IB2+IC2+I02）R=（1.5I2+0.75I2+ 0.75I2+0.75I）2R=4.5I2R，那么在此種失衡狀態下，低壓線路電能損耗將比三相平衡狀態下提升了50%。

2.1.2 增加高壓線路的電能損耗

三相失衡不但會增加低壓線路損耗，還會對高壓線路造成影響，因如果低壓側出現三相失衡，那么反映到高壓側也同樣會出現失衡狀態，按照以上三相最大失衡的狀態進行計算，高壓IA為1.5I′，IB、IC均為0.75I′，高壓線路的每相電阻記作R′，那么在此種三相失衡狀態下，電能損耗為（IA2+IB2+IC2）R=（1.5I′2+0.75I′2+0.75I′2+）R=3.375I′R，當三相平衡時，高壓線路損耗為3I′2R，以三相失衡狀態下的高壓線路電能損耗減去三相平衡狀態下的高壓線路損耗，可以得出高壓線路的電能損耗也同樣會增加12.5%。

2.2 配電變壓器的電能損耗增加

如果三相負載失衡，三相繞組總損耗為：

其中IA、IB、IC分別為各相電流，R1為變壓器二次側繞組電阻。

當三相平衡時，總損耗為：

P銅=（3I）2×R

那么三相失衡狀態下的銅損將以公式（1）與公式（2）的差值進行計算。例某電站三相失衡時的電流分別是：IA為181A，IB為235A，IC為269A，I0為81A，零序電阻R0為0.122Ω，那么根據公式（1）、（2）計算出銅損為0.033kW，鐵損根據公式P0=I02×R0進行計算，結果為0.8kW，那么總損耗為銅損與鐵損之和，即為0.833kW，由此可見，三相失衡講會對配電變壓器帶來嚴重的損耗。

2.3 減少配電變壓器出力

配電變壓器設計時，根據負載平衡運行的情況設計繞組結構，所以，繞組性能大致都一樣，各相容量也基本相等。每相額定的容量將會限制配變電壓器的最大允許出力。[2]如果在三相負載不平衡的時候運行變壓器，其中的一相因為負載少導致減少出力，而出力減少的程度受三相負載不平衡度的影響，三相失衡狀態下，三相負載的最大一相不能高于額定容量，此時輸出容量等于各項輸出容量的相加總和。例如如果某配電變壓器的而定容量為100kVA，其二次側三相電流分別為144A、72A、72A，當三相失衡時，其最大輸出容量按各項輸出容量之和計算，結果為63.4kVA，僅為額定容量的63.4%，進而減少了出力。

2.4 配電變壓器產生零序電流

在三相負載不平衡的時候運行變壓器，就會出現零序電流。零序電流與三相負載不平衡度成正比。如果配電變壓器在運行的時候，出現了零序電流，那么鐵心中將產生零序磁通（高壓側沒有零序電流），零序磁通會在油箱壁和鋼構件通過，在零序電流經過鋼構架的時候，kV因為鋼構架的導磁率不高，會出現磁滯和渦流損耗，進而導致變壓器的鋼構件局部出現溫度升高或者發熱。溫度升高導致變壓器的繞組絕緣更快的老化，減少了變壓器的使用壽命。除此之外，因為零序電流的出現，使變壓器的損耗也增加了。

2.5 降低電動機設備效率

正序、負序、零序三個電壓分量會因為不平衡電壓而出現，在電動機接收了這種不平衡的電壓以后，正負序電壓所產生的旋轉磁場是相反的，對彼此起到相互制動的作用。但是電動機還是會按正序磁場方向轉動，因為正序磁場比負序磁場要強。在電動機工作的時候受到負序磁場的制動作用的影響，減少了電動機設備的輸出功率，降低了電動機效率。除了這一點外，電動機的溫升和無功損耗，也將因不平衡電壓而增大。因此可以看出，如果在三相不平衡的狀態下運行電動機，對經濟和安全都會產生威脅。

2.6 對用戶的危害

由于三相負載中的一相或者兩相引起不平衡，進一步把線路里的電壓升高了，對電能的質量造成了貶值，同時對用戶的日常用電也就產生了影響。如果變壓器因為三相不平衡引起變壓器損壞，導致線路也被燒斷，對用戶的日常生活造成不便，如果嚴重的話，還會加大經濟損失。例如，低壓變壓器被燒毀；因停電的原因，導致工廠不能工作，企業不能正常運行，這些都是對用戶產生的危害。另外，如果零線的電流增大，就會因為零線發熱，嚴重的會導致零線被燒斷。在單相用戶端的電壓改為線電壓以后，對用戶的用電器設備也會產生影響，出現燒毀的情況等。

3 實現三相負載平衡的措施

3.1 管理方面的措施

首先強化日常維護，定期進行現場測量，并配備配變監測裝置，在日常管理中，定期開展現場測量，實時跟蹤三相失衡情況，及時發現問題。同時還合理選取中性線截面，不能過小，應當和相線截面相同，且在中性線上不能設置熔斷器、刀閘等設施。

3.2 平衡配電變壓器的三相負荷

定期用電流表對變壓器的出線以及低壓線分支的部位對每一相的電流還有中線的電流進行測量，而電流表要求用鉗形電流表。測量結果一旦超出了相關規定的標準，就要馬上對三相上的電荷進行調整，主要調整用戶的數量、負荷的類別以及出現漏電的情況進行總結與分析，然后平均安裝到每相上，達到三相平衡。位于低壓臺區的用戶，如果單相負荷非常密集的話，供電方式就要使用三相四線制，達到三相四線的供電方式與單相供電的分配比例合理，實現正常供電。

除了低壓線路末端負荷符合標準以外，主干線也要與出線端的負荷的平衡也要達到標準。而測量的低壓側電流的不平衡度不要超過10%，低壓側干線和分支線首端的電流的不平衡度不能超過20%。

3.3 選擇合理的無功補償方式

單相負荷是低壓電網的主要供電模式。因為實現三相負荷平衡是較為困難的，因此，在無功補償的時候可以以此為針對點，采用三相分補或三相共補的方法達到三相平衡。運用通負荷并聯電容、部位跨接電容等方法都可以實現電能損耗的減小、提供功率因數、以及提高帶電能質量，進而節約電能。

3.4 裝設三相不平衡保護器

實現三相負載平衡最直接有效的方法就是安裝三相不平衡保護器，也叫三相斷電保護器，如果在供電的時候，一相沒有電流通過，就可以自動切斷電源，減少三相負載不平衡的產生。

3.5 新型三相平衡技術（APFSVG技術）

通常情況下，電力系統的功率因數低就會導致三相負載不平衡，為了實現三相負載平衡，可以選擇盛弘有源濾波器（APF）和靜止無功器（SVG）對其進行平衡，這款產品在除了實現三相負載平衡以外，還可以補償無功，是電能管理方面性價比很高的產品。主要是經過CT對電流進行時刻檢測并記錄下電流信息，把信息通過DSP數字控制處理器進行處理與分析，然后通過調節功率電路以及內部存儲的電能把三相上不均衡的電流通過轉移或者是重新分配，實現三相電流平衡。這就是這款產品的主要工作原理。詳細的運作原理的如圖2（以SVG為例）：

如果把A、B、C各相的電流設置為5A、10A、15A，這種情況就屬于三相電流不均衡，如果每相的電流都應該是10A，就屬于三相電流平衡。

靜止無功器在工作的時候，通過把CT收集到的電流信息傳輸到內部控制器處理與分析以后，就可以判斷出電流沒有達到平衡，并且還會把需要調節電流的具體數值計算出來。圖2中，如果A相的電流實現平衡狀態就要通過計算以后，控制器把IGBT驅動作為主要調節工具，把計算出C相上的多余的5A電流轉入到SVG，然后經過SVG的調節把5A電流流入到A相，使A、B、C三相經過調節后都達到10A的電流，進而在保證系統的總電流值不變的情況下實現三相平衡。在經過一整套的超短時間的流程以后，實現三相負載平衡，而SVG在運行的時候消耗的能量也是非常少的，例如，風扇的運轉、開關器件消耗的能量。SVG在其中發揮的作用是對電流進行調節。

圖2 運作原理示意圖

在一般情況下，電流值的大小實際就是電流發揮的有效值，在前面說到的SVG對電流調節的數值也是指在開關器件動作的一定時間里電流的有效數值。

在運行的一個瞬間，C相上的IGBT驅動發生動作，把C相上的交流電轉換成主流電以后傳輸到SVG里的母線電容上，具體流程如圖3。

圖3 流程示意圖

假如在另一個時間點，A相上的IGBT驅動產生動作，SVG里的母線電容里的直流電就會發生逆變后傳輸到A相上，詳細流程如圖4。

圖4 詳細流程示意圖

盛弘公司的SVG的操作運行都是瞬時就可以完成的，但是在一段時間內的轉換的有效電流值是可以達到平衡的，進一步說，也可以把它運作的結果看作是分流的作用。實現三相負載上的有效電流值的平衡。

如果系統中三相的電流都沒有達到平衡值的時候，其進行補償的方法同兩相平衡的方法大致相同，也是通過把任意一相超過平衡值的電流分出來，在SVG的母線電容里進行存儲，接下來既可以對缺少電流的一相進行補償。

盛弘SVG調節三相負載平衡在與傳統的“電感和電容調平衡”的方法相比，打破了存在的客觀局限性。因為盛弘SVG可以對電流進行實時的檢測與收集，及時發現負載不平衡問題，然后快速的進行操作調節電流，使三相電流值達到平衡。比傳統的方法更簡單快捷，不用復雜的運算與高難度的接入方法就可以實現三相平衡。

4 總結語

三相負載不平衡就會對0.4kV低壓電網以及電氣設備產生不必要的損害，將三相負載調整至平衡，除了本文中的措施以外，在實際的工作中，加大力度進行負荷調查，把每種配電變壓器的負載最大、平均負荷及發展趨勢都詳細的記錄下來，定期對其進行測試，發現問題及時調整。如果想減少或避免用電設備的損壞以及發生事故，就要在根本上進行解決，控制不平衡現象的發生。

[1]廖建泉.淺談三相負載不平衡運行對變壓器的危害[J].大眾科技，2012，09：72～73.

[2]孫蒙.淺析電力系統三相不平衡的危害與解決措施[J].資源節約與環保，2015，06：16+18.

[3]趙國利.三相電流不平衡對電網的危害及對策探討[J].產業與科技論壇，2014，12：47～48.

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1004-7344（2016）26-0102-02

2016-9-3