低壓供電系統零序電流的危害與控制

孔曉林

（四川省電力公司自貢電業局，四川 自貢 643000）

在三相四線制供電系統中，產生零序電流的原因:一是由于三相負載分配不均，產生三相合成電流不為零，發生零序電流；二是由于三相負載的性質不同，造成功率因素角的不同，產生三相合成電流的向量不為零，造成零序電流的發生。

理論上，在純電阻電路中三相電流（負荷）完全平衡是不會產生零序電流的。但在實際工作中，由于客觀原因不會存在完全平衡的三相負荷，三相電流不平衡就會發生零序電流。因此，盡量合理安排平衡三相負載，減小零序電流，是我們用電檢查日常工作的一項重要任務。另外，在我們實際工作中也不會只遇到純電阻（純電容、純電感）電路，均為各種元件組成的復雜的龐大的供、用電系統。這就給我們工作帶來挑戰。在這種情況下，如何根據具體情況采取相應措施，實現三相電流就地平衡，阻止零序大電流的發生，保護系統、設備和人身的安全，就成為我們用電檢查人員的一項重要研究課題。

一、實例分析

圖一

圖二

2011年7月，四川理工學院1#學生公寓學生公寓配電室連續發生幾起總路開關跳閘引起的停電事故。通過現場檢查，發現均為零序保護動作而觸發的總路開關跳閘。但我們在測量400V低壓總路的三相電流時，發現三相電流比較平衡。1#學生公寓（800KVA變壓 器）:A 相 780A，B 相770A，C相780A，而零序電流的測量值為720A。院方電氣管理人員不解，為何三相電流接近平衡，而零序電流卻這么大？

我們經過現場勘查和詢問，了解到1#學生公寓配電變壓器容量為800KVA，供6棟學生公寓大約6000名學生的生活用電，約有3500臺電腦和450臺1.5P的空調（變頻設備），照明多使用“LED”節能燈、日光燈等。因大量使用空調設備和節能燈具，構成電路中感性電流增大，大量的電腦又使電路中容性電流的增大。加之院方在設計施工電力線路時，采取按樓層按各類負載分相供電（便于校方停送電管理）。其中A相供空調系統、洗衣機及輔助設施，B相供照明系統，C相供插座（電腦），零線為共用零線。如圖一所示。

三相用電負荷分配看似基本平衡，但因三相負載性質不同，造成各相的電流相位偏移不一樣。A相空調（感性負載）相位滯后，B 相照明（白熾燈、“LED”節能燈、日光燈）回路電流相位角發生位移較小，C相電腦（容性負載）電流相位超前，造成三相電流相位角發生偏移，從而產生三相電流的合成向量“In”（零序電流），（如圖二）。另外，三相負載相位角發生位移，特別是3500臺電腦（變頻設備）使系統中產生的諧振，打破了三相電流相位角的平衡，三相電流相位角發生偏移，在系統中產生三相電流的合成向量，從而發生較大的三相合成電流向量“In”（零序電流）。

圖二中:黃線為A相電流Ia，綠線為B相電流Ib，紅線為C相電流Ic，粗黑線為三相合成電流“In”（零序電流）。

二、三相四線制供電系統中發生零序大電流所造成的危害:

1 造成停電事故

三相負載不平衡時，將產生零序電流，零序電流將隨三相負載不平衡的程度而變化，不平衡度越大，則零序電流也越大。零序大電流會引起零序繼電器的保護動作（超過零序電流的保護定值），觸發負荷開關跳閘，造成停電事故。（零序電流等于三相電流的矢量和，在正常時應該是0或者小于零序動作電流，當三相電流嚴重不平衡或者發生單相接地時零序電流就大于零序動作電流，零序保護就會動作）。

2 嚴重危及用電設備的安全

在三相負載不平衡時運行，三相輸出電流不同，中性線就會有電流通過，發生零序電流（當零序電流超大時極易燒斷零線），使中性線產生阻抗壓降，中性點處于漂移狀態，各相的相電壓發生變化。負載重的一相（或者兩相）電壓降低，而負載輕的一相（或者）電壓升高。在電壓漂移狀態下繼續供電，極容易造成電壓高的一相用戶的用電設備燒壞。而電壓低的一相用戶用的電設備則無法使用。這就嚴重危及用電設備的安全運行。

3 使電氣設備的使用壽命縮短

運行中的配變若存在零序電流，則其鐵芯中將產生零序磁通。（高壓側沒有零序電流）這迫使零序磁通只能以油箱壁及鋼構件作為通道通過，而鋼構件的導磁率較低，零序電流通過鋼構件時，即要產生磁滯和渦流損耗，從而使配變的鋼構件局部溫度升高發熱。配變的繞組絕緣因過熱而加快老化，導致設備壽命降低。

4 增加變壓器和線路的電能損耗

在三相四線制供電網絡中，電流通過線路導線時，因存在阻抗必將產生電能損耗，其損耗與通過電流的平方成正比。當低壓電網以三相四線制供電時，由于有單相負載存在，造成三相負載不平衡。當三相負載不平衡運行時，中性線即有電流（零序電流）通過。零序電流越大，在中性線上產生的損耗也越大。從而增加了電網線路的損耗。

配電變壓器是低壓電網的供電主設備，零序電流越大，說明三相負載不平衡越嚴重。當變壓器在三相負載不平衡情況下運行時，將會造成配變損耗的增加。因為配變的功率損耗是隨負載的不平衡度而變化的。

5 燒斷零線發生供電系統缺零事故

三相四線制低壓供電系統中，超大零序電流會燒斷零線，造成三相四線制低壓供電系統缺零而發生事故。舉例:如（圖一）:

（1）零線燒斷（圖一“1”點）會使三相四線制供電系統缺零。從而導致中性點漂移，致使各相的相電壓發生變化。負載重的一相（或兩相）電壓降低，而負載輕的一相（或兩相）電壓升高。在電壓不穩定狀態下供電，就容易造成電壓高的一相（或兩相）的用戶用電設備燒壞（如居民家用電器），而電壓低的一相（或兩相）的用戶的用電設備則可能無法使用或者損壞。

（2）零線燒斷（圖一“2”點），使得 A相和B相的用電設備由并聯變為串聯。供電電壓由相電壓（220V）變為線電壓（380V），燒壞用電設備。嚴重時會發生電器火災事故。

（3）零線燒斷（圖一“3”點），“B”相斷零，“B”相的用電設備零線帶電。“B”相的電器設備（如電動設備等）在無輔助接地保護的情況下，用電設備和居民家用電器的零線和金屬外殼帶電。人體接觸零線或帶電的金屬外殼就會發生觸電事故，甚至造成人身傷害。

三、具體控制措施

根據以上問題分析大致可以采取的辦法有:

1 將不對稱負荷分散接在不同的供電點，以減少集中連接造成三相電流不平衡度嚴重超標的問題，阻止較大零序電流的發生。

2 使用交叉換相等的辦法使不對稱負荷合理分配到各相，盡量使其平衡化，減小零序電流。

3 裝設平衡裝置

在低壓三相四線制的城市居民和農網供電系統中，由于用電戶多為單相負荷或單相和三相負荷混用，并且負荷大小不同和用電時間的不同。所以，電網中三相間的不平衡電流是客觀存在的，零序電流很難控制。并且這種用電不平衡狀況的無規律性，導致了低壓供電系統三相負載的長期性不平衡。對于三相不平衡電流，電力部門除了盡量合理地分配負荷之外幾乎沒有什么行之有效的解決辦法……調整不平衡電流無功補償裝置，有效地解決了這個難題，該裝置具有在補償系統無功的同時還有調整不平衡有功電流的作用。其理論結果可使三相功率因數均補償至接近1.00，三相電流調整至平衡，可以大大降低零序電流。實際應用表明，可使三相功率因數補償到0.90以上，使零序電流調整到變壓器額定電流的10%以內，有效的控制了較大零序電流的發生。 另外，在相間跨接的電容可以在相間轉移有功電流。調整不平衡電流，達到降低零序電流的作用。無功補償裝置是利用wangs（王氏）定理來進行設計的，在相與相之間以及相與零線之間恰當地接入不同數量的電容器，不但可以使各相都得到良好的補償，而且可以調整不平衡有功電流，最終達到減小零序電流的目的。

為此，我們根據四川理工學院1#學生公寓的實際情況，以降低零序電流，防止零序保護動作造成停電事故為目的。制定出一系列的整改措施意見，并針對每種用電設備屬性，有的放矢的進行改造。其具體措施如下:

1 根據1#學生公寓樓的實際用電性質，由三相四線制供電改為三相五線（等徑）制供電，增加了一根輔助接地線。增加接地保護，確保供用電的安全；

2 平衡三相負荷，對各類負荷分別進行調整，實現總體三相基本平衡，杜絕零序大電流的發生；

3 建議學生公寓（共六層）每層樓的各類負荷改為單相供電；即1-2層由A相供電，3-4層由B相供電，5-6層由C相供電。從根本上改變三相負荷不同的狀況，使各層樓中的感性、容性負荷就地平衡，從根本上控制零序電流的發生；

4 學生公寓的電動設備及插座加裝輔助接地線，使電動設備外殼可靠接地，防止在系統斷零時發生觸電事故，確保用電的安全可靠性；

5 安裝電容器（最好是安裝自動補償裝置）集中或分散地對節能燈、日光燈、空調等感性負荷進行補償；

6 針對大量電腦產生的諧振，建議安裝有源（或無源）濾波設備，利用電感、電容特性組成低通濾波回路，目的是讓指定頻段（50Hz）工頻電流順利通過，而讓諧波電流給予足夠大的衰減而使其受到抑制。實現過濾諧波，修復基波的目的（如圖三）。

四川理工學院學生公寓經過改造，收到了很好的效果。1#學生公寓在經過改造后，從去年改造后至今，未發生一起因零序電流保護動作而引起的停電事故。

結語

總之，三相負荷不平衡（或者不對稱）就會發生零序電流。零序電流的增大，會影響我們供電系統的穩定、用電設備的安全甚至人的生命。因此，我們提倡重視零線，控制零序電流。并指導和幫助客戶合理平衡三相負荷、控制零序電流、保障客戶和電網安全就是我們用電檢查人員工作中的一項重要任務和研究課題。

[1]四川理工學院一、二號配電室電能分析報告[R].

[2]省電機.珠海市高和機電設備有限公司[Z].

[3]電力設備接地設計技術規程[S].

[4]電氣裝置安裝工程施工及驗收規范[S].

[5]電氣安全事故分析及其防范[S].

[6]安全用電實用技術問答[S].