淺析電力系統(tǒng)三相不平衡的危害與解決措施

孫 蒙

（上海煙草集團有限責任公司 天津 3 00163）

1 三相不平衡概述

三相電力系統(tǒng)中，如果三相電壓（電流）的幅值相同且相位相差120°，則稱為三相平衡系統(tǒng)。對于正常運行的三相系統(tǒng)，系統(tǒng)的不對稱將直接引起不平衡。

三相不平衡一般用電壓（或電流）不平衡度表示。不平衡度是指三相電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度，表示為電壓或電流負序分量與正序分量的方均根值百分比。電壓不平衡的表達式如下：

式中：U+—三相電壓的正序分量方均根值；

U-—三相電壓的負序分量方均根值。

國家標準《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》中規(guī)定：在電力系統(tǒng)正常運行方式下，電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%，接于公共接點的每個用戶引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%。

2 引起三相不平衡的原因

電力系統(tǒng)中的三相不平衡，可以分為正常性和事故性兩大類。正常性不平衡是由于三相負荷的不平衡和電力系統(tǒng)元件的三相不對稱所致；事故性不平衡是由于電力系統(tǒng)發(fā)生故障所致。

正常運行方式下，電力系統(tǒng)供電環(huán)節(jié)或用電環(huán)節(jié)的不平衡都會導致電力系統(tǒng)三相不平衡。電力系統(tǒng)的三相阻抗并不完全相同，是在供電環(huán)節(jié)引起三相不平衡的一個原因。通常情況下，負載的不對稱是引起三相不平衡的主要原因。在低壓配電系統(tǒng)中，大多是經(jīng)10/0.4k V變壓器降壓后，采用三相四線制進行供電，低壓電網(wǎng)的三相不平衡也一直是困擾供電單位的主要問題之一。單相用戶在設(shè)計安裝時，應(yīng)將單相負載均衡地分布在A、B、C三相上。但實際施工中往往更多考慮配電線路的容量，而易忽視三相負載的合理分配，同時加以單相用戶的不可控增容、單相負載用電的不同步以及大功率單相負載的接入等，造成了三相負載的不平衡。

3 三相不平衡的危害

三相電壓不平衡問題是一個電能質(zhì)量問題，其不平衡程度對低壓供配電系統(tǒng)有著不同程度的影響，對系統(tǒng)中各類設(shè)備產(chǎn)生很多危害及不良影響。

3.1 對變壓器的危害

三相負載不平衡可造成變壓器處于不平衡運行狀態(tài)，變壓器負載及空載損耗增大，變壓器輸出容量難以達到其額定值，過載能力也相應(yīng)降低。變壓器運行在過載工況下，引發(fā)變壓器發(fā)熱加劇，不利于變壓器的經(jīng)濟運行和變壓器壽命。此外，變壓器三相負載不平衡度較大時，就會引起零序電流過大，造成變壓器鐵芯磁滯和渦流損耗增加，局部溫升較大，因此會加劇變壓器絕緣的老化，降低變壓器使用壽命。

3.2 對用電設(shè)備的影響

電力系統(tǒng)三相負載平衡是良好電能質(zhì)量的保證。如果三相負載不對稱嚴重，就會導致中性點電位偏移，造成線路壓降和功率損失加劇。高負荷一相的單相用戶易出現(xiàn)電壓偏低、照明亮度降低等問題，而低負荷相的單相用戶易出現(xiàn)電壓偏高等問題。

對于電機設(shè)備，由于不平衡電壓存在正序、負序和零序三個電壓分量，當這種不平衡的電壓輸入電機后，負序電壓與正序電壓產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相反，產(chǎn)生制動作用，從而引起電機輸出功率減少、電動機效率降低。

3.3 對線損的影響

三相負載的平衡是節(jié)能降耗、降損降價的基礎(chǔ)。三相四線制接線方式下，由于單相負載的存在，三相負載不平衡就難以避免。三相負載不平衡會引起三相電流及電壓不平衡，增加線路損耗。電流不平衡度越大，線損也越大。有數(shù)據(jù)還表明，三相負載不平衡可引起線損率升高約2%~10%，當三相負荷不平衡度超過10%，線損增加就更為顯著。

4 解決三相負荷不平衡的措施

4.1 根據(jù)實際情況查找系統(tǒng)原因，如照明系統(tǒng)，應(yīng)核查各回路的照明數(shù)量。原因確定后，根據(jù)配電系統(tǒng)線路的額定負載設(shè)計，合理分配各相回路的負載，使三相趨于均衡。同時要定期對配電線路三相及零相電流進行在線檢測，獲得三相不平衡度相關(guān)數(shù)據(jù)，做好總結(jié)分析。在后續(xù)因設(shè)備增容、維修等進行的設(shè)備安裝及電纜安裝時，應(yīng)當選取相線和中性線截面積相等，把單相用戶均衡地分配在三相中，以降低中性線電流及線路損耗，從根本上解決因三相負載嚴重失衡造成的電氣事故與損失。

4.2 公用變出線至進戶表電源側(cè)的低壓干線和分支線應(yīng)盡量采用三相四線制供電系統(tǒng)，減少線路迂回、避免交叉和跨越等。

4.3 如果某單相用戶功率因數(shù)較低，則需進行無功補償，另外可安裝三相斷相保護器，當其中一相斷相時，能立即切斷電源以消除三相不平衡。同時，用電企業(yè)可引入三相平衡系統(tǒng)節(jié)電技術(shù)，如三相平衡系統(tǒng)節(jié)電器等。

4.4 后期發(fā)展或變更用戶時，要考慮三相平衡問題，合理分配三相負載。

5 三相不平衡測試實例

煙草行業(yè)供配電系統(tǒng)中，負荷情況較為復雜，制絲、卷包、動力等主要生產(chǎn)設(shè)備大量存在著三相負荷與單相負荷，三相不平衡的好壞對設(shè)備的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。本文以某煙廠低壓配電系統(tǒng)為例，簡要分析系統(tǒng)中三相不平衡現(xiàn)狀。

三相不平衡現(xiàn)場測試選擇在配電變壓器低壓側(cè)出線柜進行，測試采用F l u k e 43 4電能質(zhì)量分析儀，電壓測量范圍5~600V，電流測量范圍0~5000A，測量精度±0.3%。下表給出了該煙廠三相不平衡度的測試數(shù)據(jù)。

表1 三相不平衡度測試數(shù)據(jù)表

通過上表可以看到，工廠各臺變壓器三相電壓不平衡度在0~0.2%范圍內(nèi)，均在國標G B/T15543-1995允值范圍內(nèi)，電流不平衡度控制均在10%以內(nèi)。下圖舉例給出了卷包7#變壓器的電壓不平衡相位圖1。圖中可以看到，A、B、C三相電壓（電流）相位依次相差120°，電壓不平衡度為0.2%，電流不平衡度為4.2%，三相電壓、電流相位分布較好，因此可以表明系統(tǒng)中三相負載分配較為合理，負載不平衡造成的損害也相對較小。

圖1 卷包7#變壓器電壓不平衡（左）與電流不平衡（右）相位圖

6 結(jié)語

本文闡述了電力系統(tǒng)中三相不平衡的概念，以及三相不平衡對電力系統(tǒng)及用戶造成的危害及主要的改善措施。同時，文章通過煙草企業(yè)實例簡要介紹了三相不平衡的測試與分析方法，對三相不平衡狀況做出了評估。在實際工作中，要以三相不平衡度指標為依據(jù)，加強電網(wǎng)負荷調(diào)查與分析，做好變壓器各配電負載的負荷記錄，并分析負載運行規(guī)律及發(fā)展趨勢，定期跟蹤測試變壓器負荷電流及不平衡度，及時發(fā)現(xiàn)不平衡度超標情況，并采取相應(yīng)措施。同時，在做好負荷監(jiān)控與分析的同時，要適時進行有針對性的負載調(diào)整。只有這樣，才能從根本上抑制三相不平衡現(xiàn)象，有效減輕不平衡產(chǎn)生的危害，降低電氣設(shè)備故障率，提升電氣設(shè)備使用效能。

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