低壓配電網三相負荷不平衡危害及防治措施

孟 凱

（陽煤集團升華實業分公司供電中心，山西陽泉 045000）

0 引言

在城市或者農村1 kV以下的配電網中，存在著大量的單相負荷，且這些負荷分布不均，使用時段不確定，以及單相大功率設備的接入等是導致三相負荷不平衡的重要原因[1]，而且也是客觀存在的問題。三相負荷不平衡可以通過配電柜電流表或者鉗形電流測量并觀察。三相四線制配電網三相不平衡，會增加電線電纜損耗、配電變壓器的銅損和鐵損、降低變壓器出力等問題[2]。借鑒前人經驗和實際工況，本文探討低壓配電網三相負荷不平衡產生的機理和產生的危害，在此基礎上提出防治措施，為解決低壓配電網三相不平衡負荷問題提供一定的理論指導。

1 三相負荷不平衡產生機理

三相負荷不平衡是指，電力系統中A、B、C三相電流或電壓大小、幅值不一致，其幅值差超過了規定的限值。在城市和農村配電線路一般為三相四線制供電系統，當三相負荷電流平衡時，中性線對地電流為零。三相負荷不平衡時，則中性線中有電流通過，導致線路線損增加[3]。低壓配電網三相負荷不平衡如圖1所示。

圖1 低壓配電網三相負荷不平衡示意圖

三相負荷平衡時線損按下式計算[4]：

三相負荷不平衡時線損（中性線截面積是相線截面積的1/2）：

式中：ΔP為三相負荷平衡時的線損，kW；ΔPb為三相負荷不平衡時的線損，kW；R為線路中各相的電阻，Ω；IA、IB、IC分別為線路中A、B、C三相的電流，A；I0為中性線的電流，A。

由式中可知ΔPb＞ΔP，三相負荷越不平衡，不平衡電流越大，線路內阻的損耗也就越大。

引入三相負荷不平衡率的概念，三相電流的平均值為Iavg=(IA+IB+IC)/3，最大的電流負荷相用Imax表示，可以求得三相負荷電流的不平衡率：

利用中性線電流估算公式求得零線電流：

根據上述公式可以計算出幾種常見情況下，三相不平衡負荷與三相平衡負荷相比的線損增加情況，如表1和表2所示。

表1 三相不平衡負荷線損率

表2 兩種極端情況下損耗的增加量

表1和表2列出了幾種常見的三相負荷電流不平衡狀態下和兩種極端情況下，與三相負荷平衡狀態下的線損增加率的關系，從表中可以得出三相負荷不平衡率越大，三相線路電流損耗越大，并根據監測結果繪出了三相負荷不平衡中電流分布規律、中性線電流與電壓分布規律，如圖2和圖3所示。

圖2 低壓配電網三相負荷不平衡中電流分布規律

2 三相負荷不平衡危害

城市或者農村1 kV以下的低壓配電網三相負荷不平衡會給整個電網造成危害和影響[5]：三相負荷越不平衡，將會產生不穩定電流，受電阻影響，線路中電能損耗將增大，造成電能資源的浪費；配電變壓器容量是根據三相負荷平衡狀態計算設計的，若負荷不平衡，變壓器繞組只能根據其中一相最大負荷工作，這給變壓器運轉造成巨大壓力；三相負荷不平衡時會產生零序電流，而變壓器中的磁鐵芯必然生成零序磁通，高壓側與低壓側的電流不相等，導致變壓器結構件溫度過高，勢必危害變壓器安全；若三相負荷不平衡，將會造成零點漂移，輸出不對稱電壓，相應感應電機輸出功率不一致，導致電機繞組溫度過高而燒壞電機；當三相負荷不平衡時，會產生正序、零序、負序等電流，但是零序和負序電流的存在會影響電能計量表的精度。

3 治理三相負荷不平衡措施

3.1 防治措施

為了減小或者消除低壓配電網三相不平衡負荷帶來的危害，對三相負荷不平衡提出了治理措施[6]。防治的目標是在配電變壓器出口端三相電流平衡，三相電路中的主干線和分支線負荷也要滿足平衡性。

（1）合理分配用電負荷。在低壓配電網三相線路上，按照從用戶端到支線端再到主干線端的順序，合理分配三相四線制供電線路上的使用負荷，特別是新建線路、改建線路上的負荷分配，務必避免某段出現負荷過重或者無負荷狀態，確保整個電網處于一個合理負荷分配標準。

（2）盡量降低高峰用電。對于農村或者城市來說，一般在晚上18:00～23:00是用電高峰期，這個時段是每個相負荷的集中區，為了降低三相負荷不平衡性，時刻監測用電情況，發現問題需要及時對其調整，避免出現峰谷和峰波。督促用戶杜絕單相用電，必須保證電器分配在三相中。

（3）增大中性線橫截面。在低壓配電網三相四線制的供電線中采用4芯等芯電纜或者4+1電纜，增大中性線的橫截面積，降低電線內阻，防止因電流過大燒壞中性線和電氣設備。

（4）使用智能換相開關。在三相供電網上采用智能換相開關，該智能換相開關具有采集配電網變壓器電壓、電流信息和接收負荷電壓、電流信息的功能，并擁有DSP高運算處理器，一旦檢測到三相負荷不平衡，立即發出指令給各個用戶換相裝置，執行A、B、C三相換相，實現低壓配電網三相負荷電流的均勻性，三相電網上安裝的智能換相開關如圖4所示。

圖4 智能開關降低三相負荷不平衡方法

（5）增加自動調節負荷裝置。自動調節負荷裝置外接電流互感器，內設控制單元，兼有IGBT觸發控制器和驅動逆變器，一旦監測到三相負荷處于不平衡狀態，立即將大電流的相線進行調節，將過多的電流暫時儲存在電網內部電容中同時進行無功補償和穩定電壓，以期實現三相線路中負荷均衡性，確保三相線路穩定供電。

3.2 防治效果

為了驗證治理后低壓配電網三相電路中負荷狀態，對采取措施后的低壓配電網中三相電路中的負載電流進行了監測，監測結果如圖5所示，圖中監測的數據周期為1天。

圖5 采取防治措施后的三相中負載電流分布規律

由圖5與圖2比較可知，明顯在對低壓配電網三相電路中采取防治措施以后，三相電負載電流變化趨勢基本一致，未出現大起大落，電流的三相不平衡程度得到有效遏制，說明對三相負荷不平衡采取的防治措施效果理想，降低了三相負荷不平衡性，滿足低壓配電網三相負荷均勻供電和安全供電，減小了線路損耗，有利于保護用電設備，節約了能源和成本，實現了節能、環保、安全的發展理念。

4 結束語

城市或農村1 kV以下的配電網三相負荷不平衡易造成電線損耗、降低變壓器出力和燒壞用電器等問題。為了改善此狀態，探討了低壓配電網三相負荷不平衡產生的機理及其危害，并提出了防治措施，主要得出以下結論。

（1）低壓配電網三相負荷不平衡會帶來的危害有電壓、電流穩定性差，電能損耗增加，變壓器工作壓力大，變壓器結構件溫度過高，燒壞電機，影響電能計量表的精度等。

（2）為了減小或者消除低壓配電網三相不平衡負荷帶來的危害，對三相負荷不平衡提出了合理分配用電負荷、盡量錯峰用電、增大中性線橫截面、使用智能換相開關和增加自動調節負荷裝置等治理措施。從實際應用監測表明，防治效果理想，達到低壓配電網三相供電要求。