探讨三相不平衡对电网造成的危害

广州供电局有限公司花都供电局 张 尧



探讨三相不平衡对电网造成的危害

广州供电局有限公司花都供电局 张 尧

【摘要】电力系统的三相不平衡问题一直是供电企业的难题, 三相不平衡对电气设备和电网安全稳定运行有较大的危害和影响, 本文主要针对三相不平衡问题进行详细的研究，有效降低三相不平衡度，以提高电能质量。

【关键词】三相不平衡；负序分量；解决措施

随着国内经济的发展，我国的全国用电总量也在突飞猛进。据中新社报道,2011年我国全国用电量已经突破4万亿千瓦时，因此低压配电网的建设及升级改造工程显得尤其重要。而在低压配电网中三相不平衡往往会产生很多负面影响，如增加电能的损耗，导致中性点电压漂移引起三相电压不对称，配变出力减少并且产生零序电流等等，严重的甚至会烧坏用户的用电器，造成经济的损失。三相不平衡不仅仅在配电网中产生不良的影响，更会影响到整个电网的安全稳定运行，因为三相平衡是整个电网稳定运行的基础之一。通过对三相不平衡的研究，我们可以稳定电网的运行，减低电能的损耗，保证各类用电器的安全使用，因此对于三相不平衡研究有着其十分重要的实际意义。

1　三相不平衡的基本概念

根据电工理论，多相系统可分为对称的和不对称的两大类。所谓对称的m相系统，是指各相电量(电动势、电压或电流)大小相等、彼此的相位差均等于2π/m多相系统又可分为平衡的与不平衡的，前者功率瞬时值与时间无关，而后者功率瞬时值随时间而变。我们所说的三相不平衡主要是指在电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围。

2　三相不平衡的危害

2.1对变压器的危害

变压器是电网中重要的组成部分，三相不平衡会使变压器出现以下问题：

(1)减少变压器的出力。对三相变压器来说，其总输出容量等于每相输出的容量之和，即：

S=Su+Sv+Sw （1）

由于变压器制造时候是按照对称运行条件而设计的，其每相的参数都基本相同。因此，在三相不平衡状态运行下，变压器总出力会受到负载最重一相的额定输出容量的限制，导致变压器的效率过低，同时减低其过载能力。

(2)增加变压器的损耗，同时使其温度上升，降低寿命。三相不平衡必然会导致变压器内部产生零序电流，零序磁通不能在铁芯中闭合，需通过油箱壁闭合，因而零序电流引起的磁滞会使变压器温度上升过高，影响变压器的正常运行，降低其寿命。

2.2使导线温度上升（线损上升）

导线有电流流过时所产生的热量，称为线损。线损也是当今供电部门较为关注的问题之一，配电网的三相不平衡问题会使线损上升，浪费电能的同时也会提高供电部门的供电成本，严重时更会烧坏电气设备，造成经济上的损失。

如图1所示为三相平衡的输电线路等效图：

由于三相平衡，所以Ia=Ib=Ic且Io=0，此时系统的输出功率为：

此时系统的线损为：

图1　三相平衡输电等效电路图

若假设此系统三相极端不平衡，即系统仅由其中一相对外所有用户输出功率，B、C相开路，且要保证系统的输出功率不变（如图2所示）：

图2　输电网三相极端不平衡等效电路图

即：

得：

即此时系统的线损为：

P1`是三相不平衡时的输出功率；

△P`是三相不平衡时的线损。

零线电阻为2R1是由于一般情况下零线横截面积是火线横截面积的二分之一。

由此得出在保证用户数量不变，输出功率不变的情况下，极端三相不平衡的线损是三相平衡线损的9倍。因此降低三相不平衡度，有助降低配电线路的线损，降低成本，减少电能损耗。

2.3引起中性点电压漂移

如图3所示，当输电线路三相对称运行时，中心点电压UN=0；当三相不对称运行时，UN≠0，且UN的大小和三相电压不平衡度有关，三相电压不平衡度越大，UN的值越大，这时就会出现电能质量问题。而根据中国电力工业部编撰的《电力变压器运行规程》规定：运行中的变压器的中性点电流不得超过额定电流的25%，当变压器负荷极不平衡时，变压器中性点UN在零线上产生的电流远远大于额定电流，由于电流具有热效应，这样极容易导致零线因发热而烧断，导致损坏电力设备。

图3　中性点电压偏移相量图

假定一个三相不平衡电路，其参数如图4所示：

设节点N的节点电压为UN，基于基尔霍夫电流定律，可知：

联合上面式子得：

图4　三相不平衡网络引起电压偏移

而在日常的生活当中，因中性线电流过大而导致中性线烧断的事故常有发生，如下图5所示：当中性线断线时，原来接在A相的灯泡甲与接在B相的灯泡乙就串联在一起，380V的线电压UAB就直接加在甲灯与乙灯上，由于超出额定电压，这样会容易导致电阻较小或者额定功率较小的灯泡烧毁。

图5　三相不平衡引起中性线烧断

3　结语

就目前而言，假如配变在三相负载不平衡时运行，其各相输出电流就不相等，其配变内部三相压降就不相等，这必将导致配变输出电压三相不平衡。同时，配变在三相负载不平衡时运行，三相输出电流不一样，而中性线就会有电流通过。因而使中性线产生阻抗压降，从而导致中性点漂移，致使各相相电压发生变化。负载重的一相电压降低，而负载轻的一相电压升高。在电压不平衡状况下供电，即容易造成电压高的一相接带的用户用电设备烧坏，而电压低的一相接带的用户用电设备则可能无法使用。所以三相负载不平衡运行时，将严重危及用电设备的安全运行。

三相电压不平衡的发生将导致达到数倍电流不平衡的发生。诱导电动机中逆扭矩增加，从而使电动机的温度上升，效率下降，能耗增加，发生震动，输出亏耗等影响。各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速设备部件更换频率，增加设备维护的成本。断路器允许电流的余量减少，当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象。因此，我们应该对三相不平衡问题进行积极的研究，有效降低三相不平衡度，提高电能质量。