丁小瑞

（陜西省地方電力（集團(tuán)）有限公司府谷縣供電分公司 陜西府谷 719400）

三相負(fù)載不平衡的危害分析

丁小瑞

（陜西省地方電力（集團(tuán)）有限公司府谷縣供電分公司 陜西府谷 719400）

對基層供電企業(yè)來說，0.4k V低壓電網(wǎng)三相負(fù)載不平衡一直是難以解決的問題。出現(xiàn)這種問題嚴(yán)重威脅了低壓電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全平穩(wěn)運行。本文將會根據(jù)實際工作，分析0.4k V低壓電網(wǎng)三相負(fù)載不平衡帶來的危害，根據(jù)分析結(jié)果給出了改進(jìn)的方法。

0.4kV；低壓電網(wǎng)；三相不平衡；電能損耗

在0.4kV電壓的低壓電網(wǎng)中，向用戶提供三相四線制的方式供電，這種供電網(wǎng)絡(luò)是三相生產(chǎn)用電和單相負(fù)載的混合用電。在正常情況下，如果安裝的是單相用戶，供電企業(yè)就會把單相負(fù)載均衡地分接在A、B、C三相上。在現(xiàn)實的操作運行中，這種安裝方法卻會容易出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡的現(xiàn)象，引起這種現(xiàn)象的原因可能是：電工作人員的疏忽、線路的標(biāo)志、大功率單相負(fù)載的接、單相用戶的不可控增容等情況的發(fā)生。如果是在三相負(fù)荷不平衡度非常大的情況下，低壓電網(wǎng)仍在運行，就容易對低壓電網(wǎng)和電氣設(shè)備造成危害。

1 三相負(fù)載不平衡概述

三相負(fù)載含有三根相線，如果三相平衡時，各相的電流值是接近的，形成互相平衡的狀態(tài)，如果出現(xiàn)三相不平衡，那么每一相的電流就會存在較大差異，此種情況下電流較高的相線極易發(fā)熱并引發(fā)火災(zāi)。當(dāng)三相負(fù)載不平衡時，會引起中性線電流過大，中性點位移，經(jīng)過中性線會有多余的電流流到零線上，因此三相負(fù)載不平衡時，還可能造成零線電流增大。

圖1 三相負(fù)載不平衡電流相量例圖

2 出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡產(chǎn)生的危害

2.1 線路的電能損耗增加

2.1.1 增加低壓線路中的電能損耗

電流在經(jīng)過線路導(dǎo)線的時候，因存在的阻抗所以造成電能損耗，這是三相四線制的供電網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常出現(xiàn)的問題。當(dāng)三相負(fù)載失衡時，中線段會出現(xiàn)電流，隨著通過的電流越大，電能損耗也就越大，增加相線以及中線的總損耗。低壓線路中線電流假設(shè)為I0，相線電流為別為IA、IB、IC，相線電阻為R，中線電阻為2R，如果三相平衡，那么除I0為0以外，其余電流均相等，記作均為I，那么在平衡狀態(tài)下，低壓線路損耗則為（IA2+IB2+IC2）R=3I2R。如果出現(xiàn)了三相失衡，我們假設(shè)為最大失衡狀態(tài)，IA為1.5I，IB、IC、I0均為0.75I，那么線路的總損耗則為（IA2+IB2+IC2+I02）R=（1.5I2+0.75I2+ 0.75I2+0.75I）2R=4.5I2R，那么在此種失衡狀態(tài)下，低壓線路電能損耗將比三相平衡狀態(tài)下提升了50%。

2.1.2 增加高壓線路的電能損耗

三相失衡不但會增加低壓線路損耗，還會對高壓線路造成影響，因如果低壓側(cè)出現(xiàn)三相失衡，那么反映到高壓側(cè)也同樣會出現(xiàn)失衡狀態(tài)，按照以上三相最大失衡的狀態(tài)進(jìn)行計算，高壓IA為1.5I′，IB、IC均為0.75I′，高壓線路的每相電阻記作R′，那么在此種三相失衡狀態(tài)下，電能損耗為（IA2+IB2+IC2）R=（1.5I′2+0.75I′2+0.75I′2+）R=3.375I′R，當(dāng)三相平衡時，高壓線路損耗為3I′2R，以三相失衡狀態(tài)下的高壓線路電能損耗減去三相平衡狀態(tài)下的高壓線路損耗，可以得出高壓線路的電能損耗也同樣會增加12.5%。

2.2 配電變壓器的電能損耗增加

如果三相負(fù)載失衡，三相繞組總損耗為：

其中IA、IB、IC分別為各相電流，R1為變壓器二次側(cè)繞組電阻。

當(dāng)三相平衡時，總損耗為：

P銅=（3I）2×R

那么三相失衡狀態(tài)下的銅損將以公式（1）與公式（2）的差值進(jìn)行計算。例某電站三相失衡時的電流分別是：IA為181A，IB為235A，IC為269A，I0為81A，零序電阻R0為0.122Ω，那么根據(jù)公式（1）、（2）計算出銅損為0.033kW，鐵損根據(jù)公式P0=I02×R0進(jìn)行計算，結(jié)果為0.8kW，那么總損耗為銅損與鐵損之和，即為0.833kW，由此可見，三相失衡講會對配電變壓器帶來嚴(yán)重的損耗。

2.3 減少配電變壓器出力

配電變壓器設(shè)計時，根據(jù)負(fù)載平衡運行的情況設(shè)計繞組結(jié)構(gòu)，所以，繞組性能大致都一樣，各相容量也基本相等。每相額定的容量將會限制配變電壓器的最大允許出力。[2]如果在三相負(fù)載不平衡的時候運行變壓器，其中的一相因為負(fù)載少導(dǎo)致減少出力，而出力減少的程度受三相負(fù)載不平衡度的影響，三相失衡狀態(tài)下，三相負(fù)載的最大一相不能高于額定容量，此時輸出容量等于各項輸出容量的相加總和。例如如果某配電變壓器的而定容量為100kVA，其二次側(cè)三相電流分別為144A、72A、72A，當(dāng)三相失衡時，其最大輸出容量按各項輸出容量之和計算，結(jié)果為63.4kVA，僅為額定容量的63.4%，進(jìn)而減少了出力。

2.4 配電變壓器產(chǎn)生零序電流

在三相負(fù)載不平衡的時候運行變壓器，就會出現(xiàn)零序電流。零序電流與三相負(fù)載不平衡度成正比。如果配電變壓器在運行的時候，出現(xiàn)了零序電流，那么鐵心中將產(chǎn)生零序磁通（高壓側(cè)沒有零序電流），零序磁通會在油箱壁和鋼構(gòu)件通過，在零序電流經(jīng)過鋼構(gòu)架的時候，kV因為鋼構(gòu)架的導(dǎo)磁率不高，會出現(xiàn)磁滯和渦流損耗，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器的鋼構(gòu)件局部出現(xiàn)溫度升高或者發(fā)熱。溫度升高導(dǎo)致變壓器的繞組絕緣更快的老化，減少了變壓器的使用壽命。除此之外，因為零序電流的出現(xiàn)，使變壓器的損耗也增加了。

2.5 降低電動機設(shè)備效率

正序、負(fù)序、零序三個電壓分量會因為不平衡電壓而出現(xiàn)，在電動機接收了這種不平衡的電壓以后，正負(fù)序電壓所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場是相反的，對彼此起到相互制動的作用。但是電動機還是會按正序磁場方向轉(zhuǎn)動，因為正序磁場比負(fù)序磁場要強。在電動機工作的時候受到負(fù)序磁場的制動作用的影響，減少了電動機設(shè)備的輸出功率，降低了電動機效率。除了這一點外，電動機的溫升和無功損耗，也將因不平衡電壓而增大。因此可以看出，如果在三相不平衡的狀態(tài)下運行電動機，對經(jīng)濟和安全都會產(chǎn)生威脅。

2.6 對用戶的危害

由于三相負(fù)載中的一相或者兩相引起不平衡，進(jìn)一步把線路里的電壓升高了，對電能的質(zhì)量造成了貶值，同時對用戶的日常用電也就產(chǎn)生了影響。如果變壓器因為三相不平衡引起變壓器損壞，導(dǎo)致線路也被燒斷，對用戶的日常生活造成不便，如果嚴(yán)重的話，還會加大經(jīng)濟損失。例如，低壓變壓器被燒毀；因停電的原因，導(dǎo)致工廠不能工作，企業(yè)不能正常運行，這些都是對用戶產(chǎn)生的危害。另外，如果零線的電流增大，就會因為零線發(fā)熱，嚴(yán)重的會導(dǎo)致零線被燒斷。在單相用戶端的電壓改為線電壓以后，對用戶的用電器設(shè)備也會產(chǎn)生影響，出現(xiàn)燒毀的情況等。

3 實現(xiàn)三相負(fù)載平衡的措施

3.1 管理方面的措施

首先強化日常維護(hù)，定期進(jìn)行現(xiàn)場測量，并配備配變監(jiān)測裝置，在日常管理中，定期開展現(xiàn)場測量，實時跟蹤三相失衡情況，及時發(fā)現(xiàn)問題。同時還合理選取中性線截面，不能過小，應(yīng)當(dāng)和相線截面相同，且在中性線上不能設(shè)置熔斷器、刀閘等設(shè)施。

3.2 平衡配電變壓器的三相負(fù)荷

定期用電流表對變壓器的出線以及低壓線分支的部位對每一相的電流還有中線的電流進(jìn)行測量，而電流表要求用鉗形電流表。測量結(jié)果一旦超出了相關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，就要馬上對三相上的電荷進(jìn)行調(diào)整，主要調(diào)整用戶的數(shù)量、負(fù)荷的類別以及出現(xiàn)漏電的情況進(jìn)行總結(jié)與分析，然后平均安裝到每相上，達(dá)到三相平衡。位于低壓臺區(qū)的用戶，如果單相負(fù)荷非常密集的話，供電方式就要使用三相四線制，達(dá)到三相四線的供電方式與單相供電的分配比例合理，實現(xiàn)正常供電。

除了低壓線路末端負(fù)荷符合標(biāo)準(zhǔn)以外，主干線也要與出線端的負(fù)荷的平衡也要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。而測量的低壓側(cè)電流的不平衡度不要超過10%，低壓側(cè)干線和分支線首端的電流的不平衡度不能超過20%。

3.3 選擇合理的無功補償方式

單相負(fù)荷是低壓電網(wǎng)的主要供電模式。因為實現(xiàn)三相負(fù)荷平衡是較為困難的，因此，在無功補償?shù)臅r候可以以此為針對點，采用三相分補或三相共補的方法達(dá)到三相平衡。運用通負(fù)荷并聯(lián)電容、部位跨接電容等方法都可以實現(xiàn)電能損耗的減小、提供功率因數(shù)、以及提高帶電能質(zhì)量，進(jìn)而節(jié)約電能。

3.4 裝設(shè)三相不平衡保護(hù)器

實現(xiàn)三相負(fù)載平衡最直接有效的方法就是安裝三相不平衡保護(hù)器，也叫三相斷電保護(hù)器，如果在供電的時候，一相沒有電流通過，就可以自動切斷電源，減少三相負(fù)載不平衡的產(chǎn)生。

3.5 新型三相平衡技術(shù)（APFSVG技術(shù)）

通常情況下，電力系統(tǒng)的功率因數(shù)低就會導(dǎo)致三相負(fù)載不平衡，為了實現(xiàn)三相負(fù)載平衡，可以選擇盛弘有源濾波器（APF）和靜止無功器（SVG）對其進(jìn)行平衡，這款產(chǎn)品在除了實現(xiàn)三相負(fù)載平衡以外，還可以補償無功，是電能管理方面性價比很高的產(chǎn)品。主要是經(jīng)過CT對電流進(jìn)行時刻檢測并記錄下電流信息，把信息通過DSP數(shù)字控制處理器進(jìn)行處理與分析，然后通過調(diào)節(jié)功率電路以及內(nèi)部存儲的電能把三相上不均衡的電流通過轉(zhuǎn)移或者是重新分配，實現(xiàn)三相電流平衡。這就是這款產(chǎn)品的主要工作原理。詳細(xì)的運作原理的如圖2（以SVG為例）：

如果把A、B、C各相的電流設(shè)置為5A、10A、15A，這種情況就屬于三相電流不均衡，如果每相的電流都應(yīng)該是10A，就屬于三相電流平衡。

靜止無功器在工作的時候，通過把CT收集到的電流信息傳輸?shù)絻?nèi)部控制器處理與分析以后，就可以判斷出電流沒有達(dá)到平衡，并且還會把需要調(diào)節(jié)電流的具體數(shù)值計算出來。圖2中，如果A相的電流實現(xiàn)平衡狀態(tài)就要通過計算以后，控制器把IGBT驅(qū)動作為主要調(diào)節(jié)工具，把計算出C相上的多余的5A電流轉(zhuǎn)入到SVG，然后經(jīng)過SVG的調(diào)節(jié)把5A電流流入到A相，使A、B、C三相經(jīng)過調(diào)節(jié)后都達(dá)到10A的電流，進(jìn)而在保證系統(tǒng)的總電流值不變的情況下實現(xiàn)三相平衡。在經(jīng)過一整套的超短時間的流程以后，實現(xiàn)三相負(fù)載平衡，而SVG在運行的時候消耗的能量也是非常少的，例如，風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)、開關(guān)器件消耗的能量。SVG在其中發(fā)揮的作用是對電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 運作原理示意圖

在一般情況下，電流值的大小實際就是電流發(fā)揮的有效值，在前面說到的SVG對電流調(diào)節(jié)的數(shù)值也是指在開關(guān)器件動作的一定時間里電流的有效數(shù)值。

在運行的一個瞬間，C相上的IGBT驅(qū)動發(fā)生動作，把C相上的交流電轉(zhuǎn)換成主流電以后傳輸?shù)絊VG里的母線電容上，具體流程如圖3。

圖3 流程示意圖

假如在另一個時間點，A相上的IGBT驅(qū)動產(chǎn)生動作，SVG里的母線電容里的直流電就會發(fā)生逆變后傳輸?shù)紸相上，詳細(xì)流程如圖4。

圖4 詳細(xì)流程示意圖

盛弘公司的SVG的操作運行都是瞬時就可以完成的，但是在一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)換的有效電流值是可以達(dá)到平衡的，進(jìn)一步說，也可以把它運作的結(jié)果看作是分流的作用。實現(xiàn)三相負(fù)載上的有效電流值的平衡。

如果系統(tǒng)中三相的電流都沒有達(dá)到平衡值的時候，其進(jìn)行補償?shù)姆椒ㄍ瑑上嗥胶獾姆椒ù笾孪嗤?，也是通過把任意一相超過平衡值的電流分出來，在SVG的母線電容里進(jìn)行存儲，接下來既可以對缺少電流的一相進(jìn)行補償。

盛弘SVG調(diào)節(jié)三相負(fù)載平衡在與傳統(tǒng)的“電感和電容調(diào)平衡”的方法相比，打破了存在的客觀局限性。因為盛弘SVG可以對電流進(jìn)行實時的檢測與收集，及時發(fā)現(xiàn)負(fù)載不平衡問題，然后快速的進(jìn)行操作調(diào)節(jié)電流，使三相電流值達(dá)到平衡。比傳統(tǒng)的方法更簡單快捷，不用復(fù)雜的運算與高難度的接入方法就可以實現(xiàn)三相平衡。

4 總結(jié)語

三相負(fù)載不平衡就會對0.4kV低壓電網(wǎng)以及電氣設(shè)備產(chǎn)生不必要的損害，將三相負(fù)載調(diào)整至平衡，除了本文中的措施以外，在實際的工作中，加大力度進(jìn)行負(fù)荷調(diào)查，把每種配電變壓器的負(fù)載最大、平均負(fù)荷及發(fā)展趨勢都詳細(xì)的記錄下來，定期對其進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整。如果想減少或避免用電設(shè)備的損壞以及發(fā)生事故，就要在根本上進(jìn)行解決，控制不平衡現(xiàn)象的發(fā)生。

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2016-9-3