簡述三相不平衡對電力系統的影響及改善措施

摘要：隨著電力系統的發展，電網的三相負荷不平衡現象日益突出。當三相負荷分布不對稱時，除了可能導致旋轉電機轉子發熱損壞、繼電保護誤動作、大負荷相設備過負荷等危害外，還將引起配電網線損的嚴重增加。這種增加有時數倍于三相負荷對稱分布的線損。采取切實可行、經濟合理的補償抑制措施，提高其電能質量確保系統的安全、可靠和經濟運行。

關鍵詞：三相不平衡危害措施

１ 造成三相不平衡的主要原因

造成三相不平衡的主要原因是大容量非對稱負荷的接入和電網中的諧波分量。電力機車和電弧爐是一個典型的非對稱負載。交流電氣化鐵路在國內是從電力系統110KV（220千伏）電力機車牽引變壓器降壓到27.5千伏（55千伏）后向牽引和電力機車單相供電，因電力機車為大功率單相整流拖動負荷，牽引變壓器中將會產生負序電流和負序電壓。除含基波成分外，還含諧波成分，因此實際上系統負序分量也將含諧波，但是基波成分占主要部分，特別是采取一定的濾波措施以后仍然如此。此外，牽引負荷具有波動性大和沿線分布廣的特點，針對電力系統來說，電氣化鐵路牽引負荷屬于非線性不平衡負載的動態干擾。交流電弧爐煉鋼由于技術和經濟的優勢，發展迅速。單機容量從過去的幾噸到三四百噸，電弧爐變壓器從幾百兆伏安提高到100-200MVA。電弧爐煉鋼的冶煉周期為1.5-6小時，這主要取決于電弧爐的類型，規模和工藝，在這段時間內，對電網產生很多的不利影響。包括有功功率和無功功率沖擊引起的電壓波動和閃變、電弧的非線性導致的大量諧波注入電網等。

2 三相不平衡的主要危害

2.1 三相不平衡對發電機的影響 發電機定子繞組有負序電流時，在轉子表面（例如，大齒，小齒，槽楔，護環等），阻尼繞組和勵磁繞組中引起的兩倍電源頻率的電流。汽輪發電機轉子是單一鍛成體。具有很強的阻尼作用，所以二倍頻率電流的勵率電流在勵磁繞組中感應的分量很小；又因二倍頻電流有較強的集膚效應，對轉子表面的滲透深度僅幾毫米，流通路徑中等價有功電阻較大。故而發電機在不對稱運行時，轉子表面產生的附加損耗可能就會很大。發生不對稱故障時，定子直流分量會在轉子表面產生工頻電流的影響。它在轉子表面的滲透深度比二倍頻電流深引起附加溫升。發電機不對稱運行時，定子電流中最大相電流可能超過額定值，轉子表面感應的二倍頻電流密度很大，轉子表面諧波附加損耗與二倍頻電流所產生的損耗相疊加，將導致轉子結構件，特別是護環與轉子本體嵌裝面、邊段槽楔與小齒接觸面以及大齒橫向槽兩端過熱甚至燒損。

2.2 使三相電壓不平衡，中性點電位漂移 規程規定:“配電變壓器在運行中，其中性線的電流不得高于配電變壓器的出口電流的25%”，當變壓器在正常的三相平衡負載的運行狀況時，在理想的情況下，中性點的電壓為零，也就是說中性線上沒有電流流過。而當配電變壓器運行在三相不平衡狀況下時，中性點的電位出現漂移，且三相輸出電壓也隨之不平衡了。如一臺10/0.4kV的配電變壓器，其接線方式為Y/yno接線，正常運行時，它們的相位及相量都是平衡對稱的。如果三相負載嚴重不對稱不平衡時，在零線上就會出現比較大的電流和較高的電壓，它將導致人身觸電的危險和重負載相用電設備因電流過大而燒壞的惡果。

2.3 三相不平衡運行增加變壓器及線路損耗 保持配電變壓器平衡運行卻是節能、提高電能質量的手段之一。三相電力變壓器運行的對稱設計。在運行正常時，變壓器一次側電源與二次側負荷均應對稱。但國內城鄉配電網中大部分采用了三相四線制的接線方式，并且配電變壓器為Y/Yo接線，其一次側無零序電流，二次側有零序電流，因此二次側的零序電流完全是勵磁電流，產生的零序磁通不能在鐵芯中閉合，需要通過油箱壁閉合，進而在鐵箱等附件中發熱產生鐵損，Y/Yno接線變壓器的零序電阻比正序電阻要大，因此零序電流產生的附加鐵損較大。配電網中因單相負荷的存在，往往會造成三相不平衡，結果不僅會導致相線損耗增加，而且使中性線有電流通過，產生損耗，使線損也大大增加。

2.4 三相不平衡易引起繼電保護和自動裝置的誤動作 電力系統的發展，大容量和長距離重負荷的出現，對繼電保護和自動裝置提出愈來愈高的要求。如果是電力系統在大負荷不平衡的狀態下，特別是一些非線性負荷的動態，就會使近區電網中出現較高的負序和諧波水平。在負序和諧波共同的作用下，負序和諧波效應將導致負序故障的繼電保護和自動裝置的誤動作（即：非故障起動）。負序電壓濾過器的的輸出端通常于負序電壓繼電器相連接，作為不對稱短路保護的啟動元件。因此負序電壓濾過器的輸入端于系統的線電壓相連接，因為線電壓中不含零序分量。在系統正常運行情況下，負序電壓濾過器基本上沒有輸出；當系統發生不對稱短路故障時，其輸出電壓很大時負序電壓繼電器能可靠起動。負序電流除了引起負序起動元件的誤動作外，還會降低負序起動元件反應于電網故障的靈敏度。其主要原因是：干擾性負序電流的相角可以和電網短路引起的負序電流的相角相反，從而減小起動元件的負序電流。

3 改善三相不平衡的措施

3.1 不對稱負荷分散的供應，減少集中連接過多造成的不平衡度超標 由于平衡的三相系統的總功率是恒定的，與時間無關，其平衡值不平衡的三相系統總功率波動，因此將不平衡的三相系統改造成一個均衡三相系統時，在平衡裝置中應該設有能夠暫時存儲電磁能量的電磁元件。

3.2 使不對稱負荷合理分配到各相，盡量使其平衡化 如果產生電壓不對稱的原因主要是由于單相負荷在三相系統中位置的不合理分布則在設計供電系統時首先要使單相負荷平衡地在三相分布降低三相負荷電流不平衡度供電網絡的電流不平衡度應小于20% 但在TN 及TT 系統接地形式的低壓電網中當選用Y/y0 繞組的三相變壓器時由單相不平衡負荷引起的中性線電流不得超過低壓繞組額定電流的25% 且其一相的電流在滿載時不得超過額定值在1000V 以下的配電網中各項安裝的單相用電設備其相間容量最大值與最小值之差一般不應超過15%。

3.3 將不對稱負荷接到更高電壓級上供電，以使連接點的短路容量Sk足夠大(例如對于單相負荷。Sk大于50倍負荷容旦時，就能保證連接點的電壓不平衡度小于2％)。目前國際上采用靜止無功補償器(SVC)。SVC以其具有快速調節無功的功能為主要特征，廣泛適用于一切沖擊負荷和要求快速進行動態無功補償的場合，校正三相電壓不平衡（由分相無功功率補償實現）。SVC一般由并聯的感性和容性兩大回路構成，其中至少一個回路為動態回路，即能根據補償要求快速變化其無功功率的回路。依據構成動態回路的不同方式，目前主要有三種型式的SVC：晶閘管控制的電抗器即(TCR)；晶閘管投切的電容器即(TSC)和自飽和電抗器即(SR)。

電力系統中三相不平衡是影響供電系統電能質量的重要因素其具體的參數是衡量供配電系統電壓質量的指標，在實際系統運行中，必須結合相關的國家標準規定的限值，采取切實可行、而又經濟合理的補償抑制措施以消除這種“污染”或“公害”提高其電能質量確保系統的安全、可靠和經濟運行。

參考文獻：

[1]林海雪.電力系統三相不平衡.中國電力出版社.1998.

[2]林海雪，孫樹勤.干擾性負荷的供電.中國電力出版社.1994.

[3]王兆安，黃俊.電力電子技術.機械工業出版社.2002.