三相负载不平衡的危害分析

丁小瑞

（陕西省地方电力（集团）有限公司府谷县供电分公司 陕西府谷 719400）

三相负载不平衡的危害分析

丁小瑞

（陕西省地方电力（集团）有限公司府谷县供电分公司 陕西府谷 719400）

对基层供电企业来说，0.4k V低压电网三相负载不平衡一直是难以解决的问题。出现这种问题严重威胁了低压电网和用电设备的安全平稳运行。本文将会根据实际工作，分析0.4k V低压电网三相负载不平衡带来的危害，根据分析结果给出了改进的方法。

0.4kV；低压电网；三相不平衡；电能损耗

在0.4kV电压的低压电网中，向用户提供三相四线制的方式供电，这种供电网络是三相生产用电和单相负载的混合用电。在正常情况下，如果安装的是单相用户，供电企业就会把单相负载均衡地分接在A、B、C三相上。在现实的操作运行中，这种安装方法却会容易出现三相负载不平衡的现象，引起这种现象的原因可能是：电工作人员的疏忽、线路的标志、大功率单相负载的接、单相用户的不可控增容等情况的发生。如果是在三相负荷不平衡度非常大的情况下，低压电网仍在运行，就容易对低压电网和电气设备造成危害。

1 三相负载不平衡概述

三相负载含有三根相线，如果三相平衡时，各相的电流值是接近的，形成互相平衡的状态，如果出现三相不平衡，那么每一相的电流就会存在较大差异，此种情况下电流较高的相线极易发热并引发火灾。当三相负载不平衡时，会引起中性线电流过大，中性点位移，经过中性线会有多余的电流流到零线上，因此三相负载不平衡时，还可能造成零线电流增大。

图1 三相负载不平衡电流相量例图

2 出现三相负载不平衡产生的危害

2.1 线路的电能损耗增加

2.1.1 增加低压线路中的电能损耗

电流在经过线路导线的时候，因存在的阻抗所以造成电能损耗，这是三相四线制的供电网络经常出现的问题。当三相负载失衡时，中线段会出现电流，随着通过的电流越大，电能损耗也就越大，增加相线以及中线的总损耗。低压线路中线电流假设为I0，相线电流为别为IA、IB、IC，相线电阻为R，中线电阻为2R，如果三相平衡，那么除I0为0以外，其余电流均相等，记作均为I，那么在平衡状态下，低压线路损耗则为（IA2+IB2+IC2）R=3I2R。如果出现了三相失衡，我们假设为最大失衡状态，IA为1.5I，IB、IC、I0均为0.75I，那么线路的总损耗则为（IA2+IB2+IC2+I02）R=（1.5I2+0.75I2+ 0.75I2+0.75I）2R=4.5I2R，那么在此种失衡状态下，低压线路电能损耗将比三相平衡状态下提升了50%。

2.1.2 增加高压线路的电能损耗

三相失衡不但会增加低压线路损耗，还会对高压线路造成影响，因如果低压侧出现三相失衡，那么反映到高压侧也同样会出现失衡状态，按照以上三相最大失衡的状态进行计算，高压IA为1.5I′，IB、IC均为0.75I′，高压线路的每相电阻记作R′，那么在此种三相失衡状态下，电能损耗为（IA2+IB2+IC2）R=（1.5I′2+0.75I′2+0.75I′2+）R=3.375I′R，当三相平衡时，高压线路损耗为3I′2R，以三相失衡状态下的高压线路电能损耗减去三相平衡状态下的高压线路损耗，可以得出高压线路的电能损耗也同样会增加12.5%。

2.2 配电变压器的电能损耗增加

如果三相负载失衡，三相绕组总损耗为：

其中IA、IB、IC分别为各相电流，R1为变压器二次侧绕组电阻。

当三相平衡时，总损耗为：

P铜=（3I）2×R

那么三相失衡状态下的铜损将以公式（1）与公式（2）的差值进行计算。例某电站三相失衡时的电流分别是：IA为181A，IB为235A，IC为269A，I0为81A，零序电阻R0为0.122Ω，那么根据公式（1）、（2）计算出铜损为0.033kW，铁损根据公式P0=I02×R0进行计算，结果为0.8kW，那么总损耗为铜损与铁损之和，即为0.833kW，由此可见，三相失衡讲会对配电变压器带来严重的损耗。

2.3 减少配电变压器出力

配电变压器设计时，根据负载平衡运行的情况设计绕组结构，所以，绕组性能大致都一样，各相容量也基本相等。每相额定的容量将会限制配变电压器的最大允许出力。[2]如果在三相负载不平衡的时候运行变压器，其中的一相因为负载少导致减少出力，而出力减少的程度受三相负载不平衡度的影响，三相失衡状态下，三相负载的最大一相不能高于额定容量，此时输出容量等于各项输出容量的相加总和。例如如果某配电变压器的而定容量为100kVA，其二次侧三相电流分别为144A、72A、72A，当三相失衡时，其最大输出容量按各项输出容量之和计算，结果为63.4kVA，仅为额定容量的63.4%，进而减少了出力。

2.4 配电变压器产生零序电流

在三相负载不平衡的时候运行变压器，就会出现零序电流。零序电流与三相负载不平衡度成正比。如果配电变压器在运行的时候，出现了零序电流，那么铁心中将产生零序磁通（高压侧没有零序电流），零序磁通会在油箱壁和钢构件通过，在零序电流经过钢构架的时候，kV因为钢构架的导磁率不高，会出现磁滞和涡流损耗，进而导致变压器的钢构件局部出现温度升高或者发热。温度升高导致变压器的绕组绝缘更快的老化，减少了变压器的使用寿命。除此之外，因为零序电流的出现，使变压器的损耗也增加了。

2.5 降低电动机设备效率

正序、负序、零序三个电压分量会因为不平衡电压而出现，在电动机接收了这种不平衡的电压以后，正负序电压所产生的旋转磁场是相反的，对彼此起到相互制动的作用。但是电动机还是会按正序磁场方向转动，因为正序磁场比负序磁场要强。在电动机工作的时候受到负序磁场的制动作用的影响，减少了电动机设备的输出功率，降低了电动机效率。除了这一点外，电动机的温升和无功损耗，也将因不平衡电压而增大。因此可以看出，如果在三相不平衡的状态下运行电动机，对经济和安全都会产生威胁。

2.6 对用户的危害

由于三相负载中的一相或者两相引起不平衡，进一步把线路里的电压升高了，对电能的质量造成了贬值，同时对用户的日常用电也就产生了影响。如果变压器因为三相不平衡引起变压器损坏，导致线路也被烧断，对用户的日常生活造成不便，如果严重的话，还会加大经济损失。例如，低压变压器被烧毁；因停电的原因，导致工厂不能工作，企业不能正常运行，这些都是对用户产生的危害。另外，如果零线的电流增大，就会因为零线发热，严重的会导致零线被烧断。在单相用户端的电压改为线电压以后，对用户的用电器设备也会产生影响，出现烧毁的情况等。

3 实现三相负载平衡的措施

3.1 管理方面的措施

首先强化日常维护，定期进行现场测量，并配备配变监测装置，在日常管理中，定期开展现场测量，实时跟踪三相失衡情况，及时发现问题。同时还合理选取中性线截面，不能过小，应当和相线截面相同，且在中性线上不能设置熔断器、刀闸等设施。

3.2 平衡配电变压器的三相负荷

定期用电流表对变压器的出线以及低压线分支的部位对每一相的电流还有中线的电流进行测量，而电流表要求用钳形电流表。测量结果一旦超出了相关规定的标准，就要马上对三相上的电荷进行调整，主要调整用户的数量、负荷的类别以及出现漏电的情况进行总结与分析，然后平均安装到每相上，达到三相平衡。位于低压台区的用户，如果单相负荷非常密集的话，供电方式就要使用三相四线制，达到三相四线的供电方式与单相供电的分配比例合理，实现正常供电。

除了低压线路末端负荷符合标准以外，主干线也要与出线端的负荷的平衡也要达到标准。而测量的低压侧电流的不平衡度不要超过10%，低压侧干线和分支线首端的电流的不平衡度不能超过20%。

3.3 选择合理的无功补偿方式

单相负荷是低压电网的主要供电模式。因为实现三相负荷平衡是较为困难的，因此，在无功补偿的时候可以以此为针对点，采用三相分补或三相共补的方法达到三相平衡。运用通负荷并联电容、部位跨接电容等方法都可以实现电能损耗的减小、提供功率因数、以及提高带电能质量，进而节约电能。

3.4 装设三相不平衡保护器

实现三相负载平衡最直接有效的方法就是安装三相不平衡保护器，也叫三相断电保护器，如果在供电的时候，一相没有电流通过，就可以自动切断电源，减少三相负载不平衡的产生。

3.5 新型三相平衡技术（APFSVG技术）

通常情况下，电力系统的功率因数低就会导致三相负载不平衡，为了实现三相负载平衡，可以选择盛弘有源滤波器（APF）和静止无功器（SVG）对其进行平衡，这款产品在除了实现三相负载平衡以外，还可以补偿无功，是电能管理方面性价比很高的产品。主要是经过CT对电流进行时刻检测并记录下电流信息，把信息通过DSP数字控制处理器进行处理与分析，然后通过调节功率电路以及内部存储的电能把三相上不均衡的电流通过转移或者是重新分配，实现三相电流平衡。这就是这款产品的主要工作原理。详细的运作原理的如图2（以SVG为例）：

如果把A、B、C各相的电流设置为5A、10A、15A，这种情况就属于三相电流不均衡，如果每相的电流都应该是10A，就属于三相电流平衡。

静止无功器在工作的时候，通过把CT收集到的电流信息传输到内部控制器处理与分析以后，就可以判断出电流没有达到平衡，并且还会把需要调节电流的具体数值计算出来。图2中，如果A相的电流实现平衡状态就要通过计算以后，控制器把IGBT驱动作为主要调节工具，把计算出C相上的多余的5A电流转入到SVG，然后经过SVG的调节把5A电流流入到A相，使A、B、C三相经过调节后都达到10A的电流，进而在保证系统的总电流值不变的情况下实现三相平衡。在经过一整套的超短时间的流程以后，实现三相负载平衡，而SVG在运行的时候消耗的能量也是非常少的，例如，风扇的运转、开关器件消耗的能量。SVG在其中发挥的作用是对电流进行调节。

图2 运作原理示意图

在一般情况下，电流值的大小实际就是电流发挥的有效值，在前面说到的SVG对电流调节的数值也是指在开关器件动作的一定时间里电流的有效数值。

在运行的一个瞬间，C相上的IGBT驱动发生动作，把C相上的交流电转换成主流电以后传输到SVG里的母线电容上，具体流程如图3。

图3 流程示意图

假如在另一个时间点，A相上的IGBT驱动产生动作，SVG里的母线电容里的直流电就会发生逆变后传输到A相上，详细流程如图4。

图4 详细流程示意图

盛弘公司的SVG的操作运行都是瞬时就可以完成的，但是在一段时间内的转换的有效电流值是可以达到平衡的，进一步说，也可以把它运作的结果看作是分流的作用。实现三相负载上的有效电流值的平衡。

如果系统中三相的电流都没有达到平衡值的时候，其进行补偿的方法同两相平衡的方法大致相同，也是通过把任意一相超过平衡值的电流分出来，在SVG的母线电容里进行存储，接下来既可以对缺少电流的一相进行补偿。

盛弘SVG调节三相负载平衡在与传统的“电感和电容调平衡”的方法相比，打破了存在的客观局限性。因为盛弘SVG可以对电流进行实时的检测与收集，及时发现负载不平衡问题，然后快速的进行操作调节电流，使三相电流值达到平衡。比传统的方法更简单快捷，不用复杂的运算与高难度的接入方法就可以实现三相平衡。

4 总结语

三相负载不平衡就会对0.4kV低压电网以及电气设备产生不必要的损害，将三相负载调整至平衡，除了本文中的措施以外，在实际的工作中，加大力度进行负荷调查，把每种配电变压器的负载最大、平均负荷及发展趋势都详细的记录下来，定期对其进行测试，发现问题及时调整。如果想减少或避免用电设备的损坏以及发生事故，就要在根本上进行解决，控制不平衡现象的发生。

[1]廖建泉.浅谈三相负载不平衡运行对变压器的危害[J].大众科技，2012，09：72～73.

[2]孙蒙.浅析电力系统三相不平衡的危害与解决措施[J].资源节约与环保，2015，06：16+18.

[3]赵国利.三相电流不平衡对电网的危害及对策探讨[J].产业与科技论坛，2014，12：47～48.

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1004-7344（2016）26-0102-02

2016-9-3