發(fā)電廠用電系統(tǒng)三相負(fù)荷不平衡問(wèn)題討論

李 想

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094）

發(fā)電廠用電系統(tǒng)三相負(fù)荷不平衡問(wèn)題討論

李 想

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094）

本文對(duì)電廠中普遍存在的三相負(fù)荷不平衡產(chǎn)生的原因和產(chǎn)生的影響進(jìn)行了介紹，并給出了三相負(fù)荷不平衡程度對(duì)變壓器負(fù)載損耗的增加程度圖表，并簡(jiǎn)要介紹了設(shè)計(jì)過(guò)程中如何避免大程度的三相負(fù)荷不平衡。

三相不平衡；負(fù)載損耗；經(jīng)濟(jì)性

1 引言

電能質(zhì)量和損耗是電力用戶(hù)比較關(guān)心的問(wèn)題，而三相負(fù)荷不平衡不僅會(huì)影響電能質(zhì)量，也會(huì)引起損耗的增加。對(duì)于電廠用戶(hù)來(lái)說(shuō)，三相負(fù)荷不平衡不僅會(huì)引起電纜及變壓器損耗增加，還會(huì)引起變壓器局部溫升等問(wèn)題。而且負(fù)荷不平衡是長(zhǎng)期存在的，因此它所帶來(lái)的問(wèn)題需要我們從設(shè)計(jì)上重視并認(rèn)真評(píng)估其所帶來(lái)的影響。

2 不平衡帶來(lái)的影響

2.1 對(duì)電能質(zhì)量的影響

若運(yùn)行時(shí)三相負(fù)荷不對(duì)稱(chēng)會(huì)導(dǎo)致中性線(xiàn)出現(xiàn)零序電流因而導(dǎo)致一次側(cè)電壓中性點(diǎn)位移。如圖1所示，圖1中 UA，UB，UC是三相對(duì)稱(chēng)電壓。當(dāng)三相對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)，中心點(diǎn)電壓UN=0。當(dāng)三相不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)，UN’≠0，UB’＞UC’＞UA’，這時(shí)將出現(xiàn)三相電壓不對(duì)稱(chēng)的電能質(zhì)量問(wèn)題[1]。

位移電壓的大小取決于三相負(fù)荷的不平衡程度，不平衡程度越大，則位移電壓越大。位移電壓將對(duì)用電設(shè)備的相電壓造成影響。

GB /T 15543- 199《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2%，短時(shí)間不得超過(guò)4%。

圖1 一次側(cè)電壓中性點(diǎn)漂移

2.2 變壓器損耗

配電變壓器的損耗包括空載損耗（即鐵損）和負(fù)載損耗（銅損）。配電變壓器的空載損耗是隨變壓器的運(yùn)行電壓而變化的，正常情況下電壓波動(dòng)范圍很小，可將空載損耗看作一個(gè)常量，而負(fù)載損耗則隨變壓器負(fù)荷不同而變化。

因負(fù)荷不均勻，則在3個(gè)繞組中的電流值不同，對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)所引起的銅損分別見(jiàn)式（1）、式（2）

式中，ΔP為對(duì)稱(chēng)情況下的銅耗，kW；I為對(duì)稱(chēng)時(shí)變壓器電流，A；IN為變壓器額定電流，A；kP為變壓器額定短路損耗，kW。

式中，ΔbP為不對(duì)稱(chēng)情況下的銅耗，為分別是不對(duì)稱(chēng)情況下各相電流，A；若在變壓器容量相同、變壓器所帶總負(fù)荷相同的情況下，則有

可見(jiàn)，在不對(duì)稱(chēng)情況下，相對(duì)對(duì)稱(chēng)運(yùn)行引起的銅耗增加，不對(duì)稱(chēng)越大，銅耗增加越大[2]。

2.3 引起低壓供電線(xiàn)路的線(xiàn)損增加

根據(jù)電路基本原理，線(xiàn)路上產(chǎn)生的損耗與其流過(guò)的電流平方成正比。若負(fù)荷不對(duì)稱(chēng)，在三相四線(xiàn)供電系統(tǒng)中，中性線(xiàn)上會(huì)流過(guò)電流，因此也會(huì)產(chǎn)生損耗。對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的線(xiàn)路功率損失見(jiàn)式（6）、式（7）。

式中，ΔPL為對(duì)稱(chēng)情況下的線(xiàn)損，kW；I為對(duì)稱(chēng)負(fù)荷在線(xiàn)路中流過(guò)的電流，A；R為三相四線(xiàn)線(xiàn)路電阻，單位為?。

從式（9）分析，在總負(fù)荷容量一定的情況下，若三相負(fù)荷不對(duì)稱(chēng)，則造成的功率損失較大，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)[3]。

2.4 降低變壓器出力，影響安全運(yùn)行

《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定：運(yùn)行中的變壓器中性點(diǎn)電流不得超過(guò)變壓器低壓側(cè)額定電流的25%。變壓器內(nèi)中性點(diǎn)連接導(dǎo)體是以25%額定電流設(shè)計(jì)的。若三相負(fù)荷不平衡程度過(guò)大導(dǎo)致流過(guò)中性點(diǎn)連接導(dǎo)體的超過(guò)其額定值，則會(huì)引發(fā)導(dǎo)體燒斷的事故。

其次配電變壓器的繞組是按平衡運(yùn)行設(shè)計(jì)的，每相繞組的結(jié)構(gòu)性能一樣，故其允許最大出力只能按三相負(fù)荷中最大一相不超過(guò)額定容量為限，因此在不平衡下運(yùn)行，出力將受到限制，過(guò)載能力降低。

2.5 零序電流增大，導(dǎo)致配電變壓器局部溫度升高

三相負(fù)荷不平衡會(huì)產(chǎn)生零序電流，其大小跟不平衡程度相關(guān)。零序電流會(huì)在變壓器鐵心中感應(yīng)出磁通，這些磁通會(huì)在變壓器的鋼構(gòu)件及油箱壁中通過(guò)構(gòu)成回路，從而引起磁滯損耗及渦流損耗，導(dǎo)致變壓器局部金屬部件溫度升高，增加功率損耗，嚴(yán)重的還可能造成變壓器燒毀事故[4]。

3 不平衡產(chǎn)生的原因

目前發(fā)電廠設(shè)計(jì)中不平衡負(fù)荷基本都是由低壓負(fù)荷產(chǎn)生，除小功率負(fù)荷（一般不到1kW，對(duì)不平衡度產(chǎn)生的影響極小）外，基本上是由熱工的控制柜或廠家所帶的控制柜引起的。根據(jù)《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL 5000-2000中12.11.1的規(guī)定，熱工控制柜（盤(pán)）進(jìn)線(xiàn)電源的電壓等級(jí)不得超過(guò)220V。此外，根據(jù)火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，低壓廠用電負(fù)荷中單相負(fù)荷容量較大的均為熱控的控制盤(pán)柜。下面以某工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行討論。

低壓變壓器容量為2000kVA，設(shè)計(jì)負(fù)荷為1650kVA，連接方式如圖2所示。

圖2 不平衡負(fù)荷示意圖

三相負(fù)荷平衡時(shí)，變壓器損耗

式中，ΔPb為不對(duì)稱(chēng)情況下的銅耗，kW；為分別是不對(duì)稱(chēng)情況下各相電流，單位為 A；則配電變壓器對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行的銅耗差額為

可見(jiàn)，在不對(duì)稱(chēng)情況下，相對(duì)對(duì)稱(chēng)運(yùn)行引起的銅耗增加，不對(duì)稱(chēng)越大，銅耗增加越大，不利于電廠的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 避免三相負(fù)荷不平衡的措施

根據(jù)目前電廠設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常遇到的單相負(fù)荷問(wèn)題，現(xiàn)將變壓器損耗與三相負(fù)荷不平衡之間的關(guān)系以圖表形式給出，便于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中參考。

表1為根據(jù)上述計(jì)算公式算出。A相、B相兩相負(fù)荷分別是A相B相負(fù)荷所占百分比，各以100%為基準(zhǔn)，C相負(fù)荷即為總負(fù)荷減去A相和B相兩相負(fù)荷之和。例如當(dāng)A相及B相負(fù)荷分別為85%、90%時(shí)，則C相負(fù)荷應(yīng)為100%+(100%-85%)+(100%-90%)=120%（但仍不超過(guò)C相繞組所能承受的負(fù)荷）。

圖3為根據(jù)表1所生成的曲線(xiàn)，便于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)查找。為使圖面整潔，曲線(xiàn)之間的間隔以5%為單位，曲線(xiàn)從上至下分別為B相負(fù)荷為80%、85%、90%、95%、100%時(shí)變壓器負(fù)載損耗增加百分比的曲線(xiàn)。

表1 三相負(fù)荷不平衡時(shí)變壓器負(fù)載損耗增加百分比 %

圖3 負(fù)荷不平衡時(shí)變壓器損耗增加百分比

由于電纜損耗跟變壓器損耗計(jì)算方法相似，在不要求計(jì)算結(jié)果很準(zhǔn)確的情況下，可以參考表1或者圖3進(jìn)行估算，以對(duì)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行進(jìn)行判斷。

根據(jù)上述圖表的結(jié)果，當(dāng)三相負(fù)荷的不平衡程度過(guò)大時(shí)應(yīng)采取措施減小不平衡程度，以提高電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

（1）將變壓器下所有的單相負(fù)荷進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以使單相負(fù)荷均勻地分配到三相上，避免造成負(fù)荷不平衡。在分配時(shí)應(yīng)考慮負(fù)荷的運(yùn)行情況，不光考慮負(fù)荷的容量，還應(yīng)考慮負(fù)荷的運(yùn)行連續(xù)情況等其他情況，使最終運(yùn)行時(shí)三相負(fù)荷基本相等。

（2）加強(qiáng)對(duì)變壓器負(fù)荷側(cè)的斷相檢測(cè)。對(duì)于某區(qū)域內(nèi)若單相負(fù)荷比較集中，也設(shè)置單獨(dú)的變壓器進(jìn)行供電以減小不平衡性。

（3）在滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性的情況下可適當(dāng)增大電纜截面，包括中性線(xiàn)的截面。

5 結(jié)論

本文分析了產(chǎn)生三相不平衡的原因，并分析了由于三相不平衡所引起的影響。為解決三相不平衡所帶來(lái)的問(wèn)題，本文從設(shè)計(jì)角度提出了平衡三相不平衡運(yùn)行的技術(shù)措施，供設(shè)計(jì)人員參考。

[1] 林志雄.低壓配電網(wǎng)三相不平衡運(yùn)行的影響及治理措施[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2009(3).

[2] 李紅怡,三相不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷運(yùn)行分析及解決對(duì)策[J].山西電力,2008(2).

[3] 徐大斌.淺談低壓電網(wǎng)三相不平衡問(wèn)題[J].金卡工程·經(jīng)濟(jì)與法,2008(11).

[4] 王文民.配電變壓器三相負(fù)荷平衡問(wèn)題不容忽視[J].農(nóng)村電氣化,2009(5).

The Analysis of Asymmetric Three-phase Load

Li Xiang
（State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100094）

The reason and influence of asymmetric three-phase load are discussed, and the influence on the impedance loss of transformer is given in paragraph. The way how to decrease the asymmetric three-phase load is discussed.

asymmetric three-phase load；impedance loss；economical effect

李 想（1985-），男，山東泰安人，主要從事發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)工作。