关于三相不平衡的标准分析

陈锦新

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

关于三相不平衡的标准分析

陈锦新

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

本文主要介绍了电网中三相不平衡产生的主要原因，并分析了这种三相不平衡对电网、用电设备的影响。同时介绍了目前各国标准对三相不平衡度的计算，对比了各种算法的优劣。

三相不平衡；主要原因；影响；计算

工业生产和日常生活中，经常会遇到各种各样的电压波动、相位滞后等现象，这对我们的生产、生活产生了较大影响。在保修期出现问题的电气设备中，有63%是由于电涌造成的。因此探讨三相不平衡生产的原因及其计算方法等方面，显得很有必要。

1 相不平衡的定义及其产生原因

1.1 相不平衡的定义

三相电气系统如果三相电压和电流具有相同的幅值、并且相位互相差120º，则被称为平衡或对称的系统。如果其中的一个或两个条件不满足，则称为不对称或不平衡的系统。从定义可以看出，三相电中各相电压或电流的幅值不相等、或各相之间的相差位不相等，都可以称为相不平衡。

1.2 相不平衡的产生原因

1.2.1 各相负荷大小不一

由于用电户多为单相负荷或单相和三相负荷混用，并且负荷大小不同和用电时间不同；或者，原来是相对平衡的三相电源，由于单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入等，也都加剧了三相电源的不平衡性。

所以，电网中三相间的不平衡电流是长期、客观存在的，并且这种用电不平衡状况无规律性，也无法事先预知。

1.2.2 各相负荷感性、容性负载不同

在工业生产和日常生活所使用的电器，有各种各样的感性负载和容性负载，如电机、变压器、接触器、断路器、电容等，这些电器都是非纯阻性的，要么电流滞后于电压，要么电流超前于电压，造成三相电中的电流相位不再是相差120°，即三相电流不平衡。

2 相不平衡的影响

2.1 相不平衡对电网的影响

2.1.1 增加输电线路中的电能损耗

输电线路中电能的损耗一般是发热型式，与线路电流的平方成正比。以三相四线制为例，当三相不平衡时，相电流会增大，中性线会有电流通过。这样，不仅相线有损耗，中性线也会产生损耗，从而增加了电网线路中的损耗。三相四线制中，当三相负荷平衡时的线路损耗最小；当一相负荷重、另外两相负荷轻时的线路损耗较小；当一相负荷重、一相负荷轻、另一相负荷为平均负荷时的线路损耗较大；当两相负荷重、另一相负荷轻时的线路损耗最大。总之，无论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大，线路损耗越大。

2.1.2 增加配电变压器的电能损耗

变压器的损耗主要是铜耗和铁耗，均与通过电流大小成正比。其中，铁损近似与磁密B的平方成正比，磁密B又与电流成正比；铜耗则是指绕组中的发热损耗，也与电流成正比。在相不平衡时，变压器电流处于不对称状态，造成变压器的铁耗和铜耗均增大。

2.2 相不平衡对负载的影响

2.2.1 对一般用电设备的影响

当三相电流不平衡时，中性线就会有电流通过，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，其用户用电设备烧坏，而电压低的一相，其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。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。

2.2.2 对电机的影响

由电机的工作原理可知，电机在正常情况电压、电流下运行，其定子三相绕组合成磁场是一个均匀的圆形旋转磁场，且所产生的电磁转矩为恒定。若电机在相不平衡时运行，则因为各相电压不同、电流不同，则定子中各相绕组磁场不同，导致合成磁场是一个椭圆形旋转磁场，相应的电磁转矩不再是一个恒定值，而是随磁场的变化而变化。这样，电机将会产生振动、噪音等故障；电磁转矩不定、力矩变小使得电机的起动性能和过载能力下降。

类似于变压器，在三相电流不平衡时，电机中的铜耗和铁耗也会加大，损失了部分输入功率，从而影响电机的效率。同时铜耗和铁耗加大，也会影响电机的温升，进而影响电机的绝缘器件的使用寿命，使电机寿命减短。

表1 三种相不平衡情况的线电压不平衡度计算

3 三相不平衡度的计算

关于相不平衡度的计算，各个国家、地区都有相关的标准，但相互间的算法却不相同。

3.1 美国电器制造商协会(NEMA)的算法

美国电器制造商协会(NEMA)定义的电压不平衡度为线电压不平衡率(LVUR)，其计算公式为：

式中，VAB、VBC、VCA——线电压；

3.2 国际电工委员会的算法

国际电工委员会定义的电压不平衡为线电压不平衡率，用εG表示。其试算公式为：

3.3 国标GB/T 22713中的算法

在我国推荐性国标GB/T 22713中定义的电压不平衡为线电压不平衡，用表示。其计算公式为：

式中，Umax——三个电压U1、U2、U3中均方根值最大值；

Uaverage——三个电压均方根值的平均值。

3.4 三种算法的比较

上述三种相不平衡度都是以线电压为基准来计算的，但是各种情况下的各种算法精度却不尽相同。表1把三种相不平衡情况的线电压不平衡度，按不同公式计算出来。

从表1中可以看出：

（1）前两种情况下，美国电器制造商协会(NEMA)的算法与我国国标中的算法，所算出的不平衡度基本是一致的；而国际大电网委员会的算法所算出的不平衡度则要高些。

（2）最后一种情况下，美国电器制造商协会(NEMA)的算法与国际大电网委员会的算法，所算出的不平衡度基本是一致的；而国我国国标中的算法所算出的不平衡度要低些。

（3）无论何种情况下，国际大电网委员会的算法，基本上都不小于其他两种算法。

综上，国际大电网委员会的算法应该是最佳的线电压相不平衡度计算方法。

4 结论

通过介绍相不平衡产生的原因，及其对电网、用电设备的影响；介绍了目前各地区的相不平衡算法，并详细对比了各自的优劣，为降低相不平衡度，提供了一定的指导方向。

［1］ GB/T 22713-2008《不平衡电压对三相笼型感应电动机性能的影响》

［2］ North American Power Symposium (NAPS 2007)

［3］ C IGRE. A New Simple and Effective Approximate Formulation for the Determination of Three Phase Unbalances by Voltmeter Method [C]. Belgique，C IGRE, 1986.

Analysis report on three phase unbalance

CHEN Jinxin
（Zhuhai GREE electric appliance company limited Zhuhai 519070）

This paper mainly introduces the main reason of unbalanced three-phase power system, and analyzes the influence of the three-phase unbalance on the power network and power equipment. And then introduce the calculation of the three phase unbalance of the current national standards, and compare the advantages and disadvantages of various algorithms.

Three phase unbalance; Main reason; Influence; Calculation