配電網(wǎng)三相電壓不平衡的影響與治理

段 煒 王桔紅

（吳忠供電局 寧夏 吳忠 751100）

配電網(wǎng)三相電壓不平衡的影響與治理

段 煒 王桔紅

（吳忠供電局 寧夏 吳忠 751100）

配電網(wǎng)中三相電壓不平衡現(xiàn)象多是由于大風(fēng)天氣或設(shè)備原因引起的線路分支跌落保險(xiǎn)跌落、桿塔鳥窩搭建等原因引起的。在系統(tǒng)發(fā)生電壓異常時(shí)，都是通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)電壓、信號(hào)等綜合現(xiàn)象區(qū)分故障類型。文中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)配電網(wǎng)中三相電壓不平衡現(xiàn)象的危害進(jìn)行了說明，總結(jié)了引起三相電壓不平衡的原因及相應(yīng)處理方法。為電網(wǎng)調(diào)度人員和運(yùn)行值班人員迅速、準(zhǔn)確地處理三相電壓不平衡故障提供了參考和幫助。

配電網(wǎng)；三相電壓不平衡；消弧線圈；供電可靠性

0 引言

供電可靠性是指城市供電系統(tǒng)對(duì)用戶持續(xù)供電的能力。統(tǒng)計(jì)表明，用戶停電故障中80%以上由配網(wǎng)系統(tǒng)的故障引起，對(duì)用戶供電可靠性有很大影響。配電網(wǎng)中三相電壓不平衡現(xiàn)象是電網(wǎng)異常和故障的反映。值班人員若能根據(jù)三相電壓不平衡現(xiàn)象準(zhǔn)確判斷故障，隔離故障，恢復(fù)運(yùn)方，可以大大提高對(duì)用戶的供電可靠性。反之，則可能導(dǎo)致配變燒毀、避雷器爆炸、線路短路，甚至大面積停電事故。

1 三相電壓不平衡定義及現(xiàn)狀

三相電壓不平衡是指在電力系統(tǒng)中各相之間電壓不相等或相角不相等，且幅值差超過規(guī)定范圍，是由各相負(fù)載不平衡所造成。配電網(wǎng)的三相平衡一直就是困擾供電單位的主要問題之一，配電網(wǎng)大多是經(jīng)10／0.4kV變壓器降壓后，以三相四線制向用戶供電，是三相生產(chǎn)用電與單相負(fù)載混合用電的供電網(wǎng)絡(luò)。在裝接單相用戶時(shí)，供電部門遵循的原則是將單相負(fù)載均衡地分接在A、B、C三相上。但在實(shí)際工作及運(yùn)行中，由于單相用戶的不可控增容、大功率單相負(fù)載的接入以及單相負(fù)載用電的不同時(shí)性等，都造成了三相負(fù)載的不平衡。

但隨著配電網(wǎng)的擴(kuò)大，中低壓架空導(dǎo)線及電纜出線回路數(shù)增多、線路增長(zhǎng)，中低壓電網(wǎng)對(duì)地電容電流亦大幅度增加，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，其他兩相的對(duì)地電壓要升高√3倍，接地電弧不能自動(dòng)熄滅而產(chǎn)生電弧過電壓，一般為3～5倍相電壓甚至更高，致使電網(wǎng)中絕緣薄弱的地方放電擊穿，因此配電網(wǎng)若在三相負(fù)荷不平衡度較大情況下運(yùn)行，最終發(fā)展為相間短路將會(huì)給配電網(wǎng)與電氣設(shè)備造成不良影響。

2 常見三相電壓不平衡現(xiàn)象分析

通過配電網(wǎng)運(yùn)行情況我們可以看出，常見的三相電壓不平衡有系統(tǒng)完全接地、不完全接地、間歇性接地、弧光接地、由接地誘發(fā)的諧振、線路發(fā)生斷線等現(xiàn)象，舉例如下：

2.1 完全接地

如果發(fā)生完全接地，則故障相的電壓降到零，非故障相電壓上升為線電壓，零序電壓3U0上升至100V，并發(fā)出母線接地信號(hào)。此類接地原因主要有：電纜擊穿、線路上搭有異物、針瓶擊穿、電纜故障等。例如表1所示。

表1

2.2 不完全接地

如果發(fā)生不完全接地，故障相電壓下降但不為零，非故障相電壓上升至相電壓與線電壓之間，零序電壓3U0上升至整定值，發(fā)出母線接地信號(hào)。此類接地原因主要有：線路間接接地、配電變壓器燒毀、電纜故障等。為盡快選出接地線路，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大化，各地區(qū)部分變電站根據(jù)情況安裝了小電流接地選線裝置，接地時(shí)可供調(diào)度員們參考。例如表2所示。

表2

表3

2.3 間歇性接地

如果發(fā)生間歇性接地，接地現(xiàn)象時(shí)有時(shí)無，間歇性出現(xiàn)。非故障故障相電壓時(shí)增時(shí)減或有時(shí)正常，零序電壓3U0也時(shí)增時(shí)減或有時(shí)正常不穩(wěn)定，接地信號(hào)也是發(fā)信、復(fù)歸伴隨出現(xiàn)。此類接地原因主要有：扎線松動(dòng)、風(fēng)天異物搭接在線路上等。例如表3所示。

表4

2.4 弧光接地

如果發(fā)生弧光接地，電壓表指示不穩(wěn)定，非故障相電壓上升至額定電壓的2.5-3倍，零序電壓3U0可能大于100V。會(huì)引起此類接地的原因很多：當(dāng)金屬或者其他導(dǎo)體靠近高壓線,距離達(dá)到放電距離,就會(huì)產(chǎn)生電弧放電,當(dāng)距離足夠小,電弧不能自動(dòng)熄滅,就是弧光接地了，通常發(fā)生風(fēng)吹著樹靠近高壓線或者其他事故導(dǎo)致的，也有汽車天線靠近等等。

2.5 由接地誘發(fā)的諧振

鐵磁諧振有分頻、基波、高頻諧振三種形式，其共同特征是系統(tǒng)電壓升高，母線電壓互感器的開口三角繞組出現(xiàn)較高電壓，不同點(diǎn)是：

分頻諧振三相電壓依次輪流升高，超過線電壓，一般不超過2倍相電壓，三相電壓表指針在相同范圍出現(xiàn)低頻擺動(dòng)；

基波諧振兩相電壓升高，超過線電壓，但一般不超過3倍相電壓，一相電壓降低但不等于零；

高頻諧振三相電壓同時(shí)升高或其中一相明顯升高，超過線電壓，但不超過3至3.5倍相電壓。

諧振過電壓經(jīng)常造成設(shè)備閃絡(luò)或擊穿、電壓互感器噴油、冒煙、高壓熔絲熔斷等。

2.6 線路發(fā)生斷線

線路發(fā)生斷相時(shí)，相電壓特征是三相電壓不平衡，斷線相電壓和中性點(diǎn)電壓升高，非斷線相電壓降低，供電功率減少，零序電壓3U0上升至整定值，發(fā)出母線接地信號(hào)。

與線路單相接地的區(qū)別是，此時(shí)三相電壓表現(xiàn)為一相升高（斷線相）另兩相（正常相）降低。電壓升高的幅度與斷線點(diǎn)和母線的距離有關(guān)，斷線處離母線越近電壓越高，離母線越遠(yuǎn)電壓越低，斷線發(fā)生在線路末端時(shí)，電壓變化很小甚至沒有變化。另外發(fā)生線路斷線時(shí)常常會(huì)接到配電變壓器缺相的報(bào)告。

此類故障主要有：電纜線路被外力挖斷、線路某相跌落保險(xiǎn)熔斷等。例如表4所示。

2.7 電壓互感器高壓保險(xiǎn)熔斷

高壓保險(xiǎn)一相熔斷時(shí)，熔斷相電壓顯著降低，其他兩相電壓不變，發(fā)出母線接地、電壓回路斷線信號(hào)。但是，如果高壓保險(xiǎn)未完全熔斷，則可能不會(huì)發(fā)出母線接地信號(hào)。若判斷為高壓保險(xiǎn)熔斷，可投入冷備的電壓互感器，將故障的電壓互感器轉(zhuǎn)檢修更換熔斷相高壓保險(xiǎn)。例如表5所示：當(dāng)時(shí)35kV I、II段并列運(yùn)行，發(fā)出“35kVI、II母接地”、“35kV I、II母PT斷線”信號(hào)，當(dāng)班調(diào)度員判斷為C相高壓保險(xiǎn)熔斷。

表5

2.8 電壓互感器低壓保險(xiǎn)熔斷或二次空開跳閘

低壓保險(xiǎn)一相熔斷時(shí)，熔斷相電壓降低很多，未熔斷的兩相電壓正常，發(fā)出電壓回路斷線信號(hào)，開口三角無電壓，不會(huì)發(fā)出母線接地信號(hào)。會(huì)不會(huì)發(fā)出母線接地信號(hào)是判別高壓保險(xiǎn)還是低壓保險(xiǎn)熔斷的一個(gè)主要依據(jù)。例如：五里坡變。

6kV母線電壓 Ua=0.5kV、Ub=0.5kV、Uc=0.5kV、3U0= 3.7V，現(xiàn)場(chǎng)檢查二次電壓均正常，后將母線測(cè)控裝置二次空開重新合上后電壓正常。

2.9 二次電壓回路異常及其他

發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，電壓情況無法預(yù)測(cè)。其形成原因復(fù)雜，通常有二次小線燒斷、碰線、回路接錯(cuò)、表計(jì)異常等。處理辦法一般為值班人員根據(jù)監(jiān)控所發(fā)信號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)檢查情況將母線電壓互感器轉(zhuǎn)檢修后交檢修單位檢查處理。例如：立新變10kV母線電壓Ua=6.2kV、Ub=6.2kV、Uc=5.9kV、3U0=8.9V，而且零序電壓不斷的變化，經(jīng)保護(hù)人員檢查為保護(hù)插件問題。線路參數(shù)不平衡、三相負(fù)荷的不對(duì)稱也會(huì)影響母線電壓的平衡。

3 三相負(fù)荷不平衡的危害

3.1 對(duì)配電變壓器的影響

1）三相負(fù)荷不平衡將增加變壓器的損耗。變壓器的損耗包括空載損耗和負(fù)荷損耗。正常情況下變壓器運(yùn)行電壓基本不變，即空載損耗是一個(gè)恒量。而負(fù)荷損耗則隨變壓器運(yùn)行負(fù)荷的變化而變化，且與負(fù)荷電流的平方成正比。

2）三相負(fù)荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴(yán)重后果。三相負(fù)荷不平衡時(shí)重負(fù)荷相電流過大（增為3倍），超載過多，可能造成繞組和變壓器油的過熱。繞組過熱，絕緣老化加快；變壓器油過熱，引起油質(zhì)劣化，迅速降低變壓器的絕緣性能，減少變壓器壽命（溫度每升高8℃，使用年限將減少一半），甚至燒毀繞組。

3）三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行會(huì)造成變壓器零序電流過大。配電變壓器設(shè)計(jì)時(shí)不考慮油箱壁或其他金屬構(gòu)件為導(dǎo)磁部件，則由此引起的磁滯和渦流損耗使這些部件發(fā)熱，致使變壓器局部金屬件溫度異常升高，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致變壓器運(yùn)行事故。

3.2 對(duì)線路和配電屏的影響

1）三相負(fù)荷不平衡將增加線路損耗。三相四線制供電線路，把負(fù)荷平均分配到三相上，設(shè)每相的電流為I，中性線電流為零，其功率損耗為：

在最大不平衡時(shí)，即某相為3I，另外兩相為零，中性線電流也為3I，功率損耗為：

ΔP2=2(3I)2R=18I2R=6(3I2R)

即最大不平衡時(shí)的電能損耗是平衡時(shí)的6倍，換句話說，若最大不平衡時(shí)每月?lián)p失1200 kWh，則平衡時(shí)只損失200 kWh，由此可知調(diào)整三相負(fù)荷的降損潛力巨大。

2）三相負(fù)荷不平衡可能造成燒斷線路、燒毀開關(guān)設(shè)備的嚴(yán)重后果。三相負(fù)荷不平衡時(shí)重負(fù)荷相電流過大 （增為3倍），超載過多。由于發(fā)熱量Q＝I2Rt，電流增為3倍，則發(fā)熱量增為9倍，可能造成該相導(dǎo)線溫度直線上升，以致燒斷。且由于中性線導(dǎo)線截面一般應(yīng)是相線截面的50%，但在選擇時(shí)，有的往往偏小，加上接頭質(zhì)量不好，使導(dǎo)線電阻增大。中性線燒斷的幾率更高。

同理在配電屏上，造成開關(guān)重負(fù)荷相燒壞、接觸器重負(fù)荷相燒壞，因而整機(jī)損壞等嚴(yán)重后果。

3.3 對(duì)供電企業(yè)的影響

變壓器燒毀、線路燒斷、開關(guān)設(shè)備燒壞，一方面增大供電企業(yè)的供電成本，另一方面停電檢修、購(gòu)貨更換造成長(zhǎng)時(shí)間停電，少供電量，既降低供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，又影響供電企業(yè)的聲譽(yù)。

3.4 對(duì)用戶的影響

三相負(fù)荷不平衡，一相或兩相電壓波形畸變嚴(yán)重，必將增大線路中的電壓降，降低電能質(zhì)量，影響用戶的電器使用。

變壓器燒毀、線路燒斷、開關(guān)設(shè)備燒壞，影響用戶供電，輕則帶來不便，重則造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，如停電造成養(yǎng)殖的動(dòng)、植物死亡，或不能按合同供貨被懲罰等。中性線燒斷還可能造成用戶大量低壓電器被燒毀的事故。

4 三相電壓不平衡現(xiàn)象治理

4.1 線路單相接地

對(duì)于這種情況，線路接地不僅僅是指架空線路、電纜，也包括隔離開關(guān)、斷路器等變電站站內(nèi)設(shè)備。處理時(shí)首先應(yīng)對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行巡視。檢查站內(nèi)設(shè)備正常后將接地母線出線斷路器逐一拉合，當(dāng)拉開某條線路時(shí)接地消失則可判定故障點(diǎn)在該線路上。先試?yán)芸站€路多、負(fù)荷較輕且無重要用戶的線路，后拉負(fù)荷較重且有重要用戶的線路。

4.2 2條或2條以上線路接地

1）同一母線的供電線路有時(shí)會(huì)發(fā)生2條或2條以上線路同時(shí)接地。若2條線路異名相同時(shí)接地，電流速動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，將其中一條線路切除。另一條線路接地，TV開口三角有電壓輸出，發(fā)出接地信號(hào)。處理方法可采取單條線路單相接地的辦法。

2）若2條線路同相接地，由于構(gòu)不成過流保護(hù)回路，電流速動(dòng)保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。此時(shí)絕緣監(jiān)視顯示對(duì)地電壓指示不平衡，出現(xiàn)接地信號(hào)。現(xiàn)象和原理同單條線路單相接地。但是，按照單條線路單相接地處理流程，將所有線路試?yán)院蠼拥匾恢贝嬖凇＿@種情況雖然比較少見，但是現(xiàn)場(chǎng)處理時(shí)很容易造成調(diào)度員的誤判，處理起來也十分復(fù)雜。

3）以2條線路同相接地為例，線路接地時(shí)并不是理論上的完全金屬接地，總是存在一定的接地阻抗利用遙測(cè)、遙信工具或運(yùn)行值班人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視儀表，及時(shí)捕捉拉合斷路器時(shí)電壓的差異，往往能判斷出接地線路。

4.3 線路斷線

線路斷線發(fā)生后，由于導(dǎo)線懸掛在空中，在風(fēng)力作用下會(huì)和電線桿、大地或周圍的樹木接觸，造成間歇性接地，甚至發(fā)展成為線路單相接地。此時(shí)，靠近接地處8m以內(nèi)即有可能因?yàn)榭绮诫妷涸斐捎|電，因此線路斷線對(duì)人員生命安全危險(xiǎn)很大，應(yīng)立即將故障線路切除。

4.4TV自身故障

對(duì)TV熔絲熔斷造成的三相電壓不平衡狀況，應(yīng)首先將母聯(lián)備自投裝置停用，退出與該TV有關(guān)的保護(hù)。將TV改為冷備用后更換熔斷的熔絲，再將TV投入運(yùn)行，三相電壓不平衡即會(huì)消失。但是，如果對(duì)TV自身故障造成的三相電壓平衡現(xiàn)象理解不準(zhǔn)確，誤判為線路接地或線路斷線，則往往會(huì)因?yàn)樵嚴(yán)€路造成不必要的對(duì)外停電，影響供電可靠性。同時(shí)，由于處理時(shí)間上的延誤，TV長(zhǎng)時(shí)間在不平衡電壓下運(yùn)行容易引發(fā)TV損壞。

4.5 消弧線圈補(bǔ)償不當(dāng)

通常消弧線圈運(yùn)行在過補(bǔ)償狀態(tài)，補(bǔ)償后單相接地故障的電流應(yīng)小于10A。并應(yīng)優(yōu)先采用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈，對(duì)于非連續(xù)調(diào)節(jié)的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈，其脫諧度應(yīng)小于5%，對(duì)于連續(xù)調(diào)節(jié)的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈，其脫諧度應(yīng)小于2%。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于發(fā)生故障或消弧線圈容量不夠等原因，有時(shí)會(huì)引起諧振。此時(shí)三相電壓表現(xiàn)為一相升高、兩相降低或一相降低、兩相升高，且三相電壓往往不斷變化，有時(shí)侯還會(huì)出現(xiàn)很高的諧振過電壓。對(duì)這種情況一般將某條線路拉合一次破壞諧振條件后三相電壓即恢復(fù)正常，并做好記錄，以便技術(shù)人員參考并重新整定消弧線圈脫諧度。

5 總結(jié)

由以上分析可以看出，引起配電網(wǎng)三相電壓不平衡的原因很多，彼此之間又有很多相似之處。要了解各種三相電壓不平衡現(xiàn)象的機(jī)理和產(chǎn)生過程，針對(duì)不同的事故情況采用合理的解決辦法。其次，處理三相電壓不平衡情況時(shí)一定要沉著、冷靜、思路清晰，對(duì)處理步驟做到心中有數(shù)。這樣才能正確、及時(shí)的處理好事故，使電壓在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高供電可靠性。

［1］程浩忠，艾芊，朱子述，等.電能質(zhì)量[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［2］人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T15543-2008電能質(zhì)量三相電壓不平衡度[S].北京：國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，2008.

［3］儲(chǔ)卓皓.配網(wǎng)三相電壓不平衡分析與處理[J].江蘇電機(jī)工程，2010 (6)：42-44.

［4］王世禎.電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行技術(shù)[M].東北大學(xué)出版社，1997.

The imbalance of three-phase voltage in the distribution network is a reflection of abnormal and fault state,its causes and hazards vary.In this paper,integrated the actual operating experience,described the hazards of the three-phase voltage imbalance state,and summarized the reasons for causing the three phase-voltage imbalance and the corresponding treatment.Lastly, it is provided a reference and help for power dispatcher and operator to handle the three-phase voltage imbalance fault quickly and accurately.

Distribution network；Three-phase voltage imbalance；Arc suppression coil；Supply reliability

段煒（1986.9—），女，寧夏吳忠人，助理工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作。王桔紅（1974.7—），女，寧夏吳忠人，助理工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作。

周娜］