浅析电力系统三相不平衡的危害与解决措施

孙 蒙

（上海烟草集团有限责任公司 天津 3 00163）

1 三相不平衡概述

三相电力系统中，如果三相电压（电流）的幅值相同且相位相差120°，则称为三相平衡系统。对于正常运行的三相系统，系统的不对称将直接引起不平衡。

三相不平衡一般用电压（或电流）不平衡度表示。不平衡度是指三相电力系统中三相不平衡的程度，表示为电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比。电压不平衡的表达式如下：

式中：U+—三相电压的正序分量方均根值；

U-—三相电压的负序分量方均根值。

国家标准《电能质量三相电压允许不平衡度》中规定：在电力系统正常运行方式下，电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%，接于公共接点的每个用户引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%。

2 引起三相不平衡的原因

电力系统中的三相不平衡，可以分为正常性和事故性两大类。正常性不平衡是由于三相负荷的不平衡和电力系统元件的三相不对称所致；事故性不平衡是由于电力系统发生故障所致。

正常运行方式下，电力系统供电环节或用电环节的不平衡都会导致电力系统三相不平衡。电力系统的三相阻抗并不完全相同，是在供电环节引起三相不平衡的一个原因。通常情况下，负载的不对称是引起三相不平衡的主要原因。在低压配电系统中，大多是经10/0.4k V变压器降压后，采用三相四线制进行供电，低压电网的三相不平衡也一直是困扰供电单位的主要问题之一。单相用户在设计安装时，应将单相负载均衡地分布在A、B、C三相上。但实际施工中往往更多考虑配电线路的容量，而易忽视三相负载的合理分配，同时加以单相用户的不可控增容、单相负载用电的不同步以及大功率单相负载的接入等，造成了三相负载的不平衡。

3 三相不平衡的危害

三相电压不平衡问题是一个电能质量问题，其不平衡程度对低压供配电系统有着不同程度的影响，对系统中各类设备产生很多危害及不良影响。

3.1 对变压器的危害

三相负载不平衡可造成变压器处于不平衡运行状态，变压器负载及空载损耗增大，变压器输出容量难以达到其额定值，过载能力也相应降低。变压器运行在过载工况下，引发变压器发热加剧，不利于变压器的经济运行和变压器寿命。此外，变压器三相负载不平衡度较大时，就会引起零序电流过大，造成变压器铁芯磁滞和涡流损耗增加，局部温升较大，因此会加剧变压器绝缘的老化，降低变压器使用寿命。

3.2 对用电设备的影响

电力系统三相负载平衡是良好电能质量的保证。如果三相负载不对称严重，就会导致中性点电位偏移，造成线路压降和功率损失加剧。高负荷一相的单相用户易出现电压偏低、照明亮度降低等问题，而低负荷相的单相用户易出现电压偏高等问题。

对于电机设备，由于不平衡电压存在正序、负序和零序三个电压分量，当这种不平衡的电压输入电机后，负序电压与正序电压产生的旋转磁场相反，产生制动作用，从而引起电机输出功率减少、电动机效率降低。

3.3 对线损的影响

三相负载的平衡是节能降耗、降损降价的基础。三相四线制接线方式下，由于单相负载的存在，三相负载不平衡就难以避免。三相负载不平衡会引起三相电流及电压不平衡，增加线路损耗。电流不平衡度越大，线损也越大。有数据还表明，三相负载不平衡可引起线损率升高约2%~10%，当三相负荷不平衡度超过10%，线损增加就更为显著。

4 解决三相负荷不平衡的措施

4.1 根据实际情况查找系统原因，如照明系统，应核查各回路的照明数量。原因确定后，根据配电系统线路的额定负载设计，合理分配各相回路的负载，使三相趋于均衡。同时要定期对配电线路三相及零相电流进行在线检测，获得三相不平衡度相关数据，做好总结分析。在后续因设备增容、维修等进行的设备安装及电缆安装时，应当选取相线和中性线截面积相等，把单相用户均衡地分配在三相中，以降低中性线电流及线路损耗，从根本上解决因三相负载严重失衡造成的电气事故与损失。

4.2 公用变出线至进户表电源侧的低压干线和分支线应尽量采用三相四线制供电系统，减少线路迂回、避免交叉和跨越等。

4.3 如果某单相用户功率因数较低，则需进行无功补偿，另外可安装三相断相保护器，当其中一相断相时，能立即切断电源以消除三相不平衡。同时，用电企业可引入三相平衡系统节电技术，如三相平衡系统节电器等。

4.4 后期发展或变更用户时，要考虑三相平衡问题，合理分配三相负载。

5 三相不平衡测试实例

烟草行业供配电系统中，负荷情况较为复杂，制丝、卷包、动力等主要生产设备大量存在着三相负荷与单相负荷，三相不平衡的好坏对设备的安全稳定运行至关重要。本文以某烟厂低压配电系统为例，简要分析系统中三相不平衡现状。

三相不平衡现场测试选择在配电变压器低压侧出线柜进行，测试采用F l u k e 43 4电能质量分析仪，电压测量范围5~600V，电流测量范围0~5000A，测量精度±0.3%。下表给出了该烟厂三相不平衡度的测试数据。

表1 三相不平衡度测试数据表

通过上表可以看到，工厂各台变压器三相电压不平衡度在0~0.2%范围内，均在国标G B/T15543-1995允值范围内，电流不平衡度控制均在10%以内。下图举例给出了卷包7#变压器的电压不平衡相位图1。图中可以看到，A、B、C三相电压（电流）相位依次相差120°，电压不平衡度为0.2%，电流不平衡度为4.2%，三相电压、电流相位分布较好，因此可以表明系统中三相负载分配较为合理，负载不平衡造成的损害也相对较小。

图1 卷包7#变压器电压不平衡（左）与电流不平衡（右）相位图

6 结语

本文阐述了电力系统中三相不平衡的概念，以及三相不平衡对电力系统及用户造成的危害及主要的改善措施。同时，文章通过烟草企业实例简要介绍了三相不平衡的测试与分析方法，对三相不平衡状况做出了评估。在实际工作中，要以三相不平衡度指标为依据，加强电网负荷调查与分析，做好变压器各配电负载的负荷记录，并分析负载运行规律及发展趋势，定期跟踪测试变压器负荷电流及不平衡度，及时发现不平衡度超标情况，并采取相应措施。同时，在做好负荷监控与分析的同时，要适时进行有针对性的负载调整。只有这样，才能从根本上抑制三相不平衡现象，有效减轻不平衡产生的危害，降低电气设备故障率，提升电气设备使用效能。

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