淺析供電支路負載不平衡的危害與處理

摘要：隨著電力電子得到廣泛的運用，給生產帶來經濟效益的同時，也給供電系統帶來巨大的壓力：用電設備種類繁雜，供電系統三相負荷嚴重不平衡、電能質量下降、功率因數偏低、無功功率增大、用電設備不能正常工作等諸多問題。

關鍵詞：三相負荷不平衡;諧波因數;火災

序言

隨著我國經濟的高速發展，城市優化以及節能減排都成了大家比較關心的問題。傳統的交流單相負載已經越來越少的使用，現在使用的單相負載90%以上都是通過交直流變換來供電的，如：節能燈，日光燈，LED燈，電腦，打印機，UPs，空調，電磁爐，專業設備（醫療，通訊，LED顯示屏）等等。

隨著這些負載的應用，造成供電系統的電流三相不平衡和諧波含量大大增加，給供電系統帶來很大的安全隱患。

我國目前的低壓側供電大都采用三相四線制系統，即A相、B相、C相、N相。供電系統中存在大量的單相負荷，在實際運行時，各個單相負荷間均獨立運行，此時會造成三相電流嚴重的不平衡，此不平衡電流流經N線，再加上現在的單相負荷大都為電力電子設備，在其正常工作時，會產生大量的三次諧波電流，而根據三次諧波電流的特性會在N線上進行疊加，最終N線會因系統不平衡電流及諧波電流疊加存在而出現過流、發熱，加速N線絕緣老化，甚至燒毀出現斷零的風險，對供配電系統的安全構成了嚴重的危害，同時引發火災的機率大為增加。

1大概率電氣火災事件分析

應急管理部消防救援局發布了2020年全國火災及消防救援隊伍接處警情況，其中電氣類原因繼續強力影響火災走勢，而線路問題引發火災占電氣火災總數68.9%。

據國家能源局公布的數據，近年來我國的社會用電量持續上升，由此帶來的安全風險持續增加，電氣火災風險持續增大。

從電氣火災的占比看，全年因違反電氣安裝使用規定引發的火災共8.5萬起，占總數的33.6%，因目前還有1萬起火災原因尚未查明，預計后續該比重還將提高。

從電氣火災的分類看，因短路、過負荷、接觸不良等線路問題引發的占總數的68.9%，因故障、使用不當等設備問題引發的占總數的26.2%，其他電氣原因引發的占4.9%;其中電動自行車引發的火災不容忽視，特別是36起電氣引發的較大火災中，有11起已查明系電動自行車引起，占總數的30.6%。目前，我國新能源車全社會保有量逼近500萬輛，由此帶來的火災風險將持續增大。

2電氣三相四線制“零線”發熱原因探析

零線電流過大后長時間運行，易導致零線老化，存在火災風險。

主要是三相不平衡所產生的基波電流及非線性負荷的諧波電流所致。電流流過導體時要產生熱量，熱量與電流的平方成正比（I2R），當電流達到相電流的1.5倍時，零線的發熱量會達到相線的2.25倍！

三次諧波電流在N線上的疊加現象，如圖1為三相和零線上電流波形示意圖。

另外，在一般配電系統中（TN-C，TN-S），雖然相線上有過流保護裝置，但零線上并沒有。過大的電流必然會導致零線絕緣加速老化，存在安全隱患。

怎樣做到零線的保護呢？

零線過流的危害日趨嚴重，根據近10年的統計，建筑電氣中，零線過流使得零線絕緣老化破損要遠遠高于相線，分支回路中，由于零線過流老化導致的事故及跳閘也遠遠高于相線。這些現象均是由高速增長的單相AC-DC用電設備及其無穩定性量化使用造成。這些問題的產生均給電氣設計及用戶造成很大的困難。

根據GB1094-1-5《電力變壓器》規定：中性線電流應不超過變壓器額定電流的25%，三相電流的不平衡度小于15%。而實際上，變壓器低壓側低壓配電回路一般比較多，低壓各回路的不平衡電流很難反映到電源端，也就是說，在實際用電現場，電源端的三相不平衡率較低，而分支不平衡率要遠遠大于電源端，再者，根據JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規范》，零線載流設計中，零線金屬導體截面積宜為相線1/2以上或者與相線相同。

而現實中，分支回路的零線電流大于相線電流的現象愈發嚴重。一是各分支回路負載在實際運行中產生的三相不平衡電流是肯定的，而且越靠近末端，不平衡電流越大。二是各分支回路中單相負載產生的零線諧波電流是相線諧波電流的√3倍，電路中也存在嚴重的三次諧波。

總之，電能質量污染引起的常見問題歸納有以下幾點：

a）電纜發熱、絕緣體老化、引起火災;

b）零線過流、發熱、絕緣體老化、引起火災及斷零事故;

c）開關異響、開關單相發熱易引起開關誤動作;

d）零線電流善加導致變電所零序保護跳閘;

e）精密設備損壞、通訊信號失真、繼電器誤動作;

f）中性線對地電壓升高、相線電壓異常波動等等。

3電能質量治理

目前中國的低壓電氣系統中，現有一款涉及對零線保護的治理：

終端電氣綜合治理保護系統：N-lineSyste T Rreatment Protection System.簡稱（NTPS）是對末端回路電流進行檢測、分析，依照供電持續性、安全性的原則，治理諧波及三相不平衡，對精密設備進行保護，消除零線電流，具有實現零線過流的情況進行過流速斷保護，定時限、反時限保護的電氣功能。在消除零線電流，取得保護的同時，為提高供電連續性，延緩電纜老化提供強有力的保證。

針對不同的應用場合，該終端電氣綜合治理保護系統主要是解決分支回路三相不平衡負荷和諧波治理相關問題。如圖2為終端電氣綜合治理保護系統接線示意圖。如圖為某一支路極不平衡負荷，其工作原理就是綜合治理保護系統在監測到三相不平衡電流后，自動反饋輸出不平衡的電壓，相當于提供1個電源補充到電網用電負載中，使得QK開關的三相電流平衡，好像QK開關抑制從電網中需要的電能。

NTPS就是針對不同不平衡的負荷，能提供不同的電源電壓供給三相不同的負載，使得總進線電流趨向平衡，同時能抑制諧波，電網質量能得到“凈化”。

收集資料，建模管理，將各支路運行數據收集，建立智能控制大平臺，進行數據處理、報警、系統自診斷、報表分析，指導功能改進，達到所有問題數據量化，真正做到智能化控制。

綜合治理后，對末端電能質量的要求達到：

a）民用建筑電力系統三相不平衡度不得高于15%;

b）數據中心電力系統中性線對地電壓不得高于2V;

c）劇場建筑電力系統中性線截面積不得小于相線的2倍;

d）劇場建筑電力系統各次諧波電流不得超過限值要求。

4“綠色”評價針對電氣的意義

認真分析電氣事件，應從設計源頭要順應時代潮流，不能存有短期效應，在全壽命周期內，節約資源、保護環境、減少污染、為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度地實現人與自然和諧共生的高質量建筑，要講究引入“綠色”概念，承諾按綠色建筑規范要求，設計安全可靠保質經濟的電氣項目。

綠色建筑評價指標體系由安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節約、環境宜居等5類指標組成，要應遵循因地制宜的原則。

綠色建筑評價標準中，對于電氣版塊考量的三大要素：節能、安全、智能（以及在各大要素中常見的用電設備）。

針對綠色建筑，通過對供電支路負載不平衡的危害分析，用電設備直接相互影響及存在的主要問題有：

1）消防精密、智能調光、音頻設備等控制系統類對供電頻率、供電電壓和電磁干擾等可靠性要求各項參數要求嚴格。

2）LED燈、屏 、UPS電源、變頻調速裝置類對配網諧波污染、系統三相不平衡和配網電壓異常等方面要求嚴格。

總之，要真正明確“綠色”的涵義，使電氣管理、產品性能、電網處理綜合指標等等要達到“綠色”化、安全可靠，這指導我們運行維護管理有著十分重要的意義。

主要作者簡介：吳桂林 男1967年生，漢族，湖北枝江人，高級工程師。一直從事電力系統及其自動化控制技術工作。通訊地址： 湖北·枝江·湖北三寧化工股份有限公司。