探討三相不平衡對電網造成的危害

廣州供電局有限公司花都供電局 張 堯

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探討三相不平衡對電網造成的危害

廣州供電局有限公司花都供電局 張 堯

【摘要】電力系統的三相不平衡問題一直是供電企業的難題, 三相不平衡對電氣設備和電網安全穩定運行有較大的危害和影響, 本文主要針對三相不平衡問題進行詳細的研究，有效降低三相不平衡度，以提高電能質量。

【關鍵詞】三相不平衡；負序分量；解決措施

隨著國內經濟的發展，我國的全國用電總量也在突飛猛進。據中新社報道,2011年我國全國用電量已經突破4萬億千瓦時，因此低壓配電網的建設及升級改造工程顯得尤其重要。而在低壓配電網中三相不平衡往往會產生很多負面影響，如增加電能的損耗，導致中性點電壓漂移引起三相電壓不對稱，配變出力減少并且產生零序電流等等，嚴重的甚至會燒壞用戶的用電器，造成經濟的損失。三相不平衡不僅僅在配電網中產生不良的影響，更會影響到整個電網的安全穩定運行，因為三相平衡是整個電網穩定運行的基礎之一。通過對三相不平衡的研究，我們可以穩定電網的運行，減低電能的損耗，保證各類用電器的安全使用，因此對于三相不平衡研究有著其十分重要的實際意義。

1　三相不平衡的基本概念

根據電工理論，多相系統可分為對稱的和不對稱的兩大類。所謂對稱的m相系統，是指各相電量(電動勢、電壓或電流)大小相等、彼此的相位差均等于2π/m多相系統又可分為平衡的與不平衡的，前者功率瞬時值與時間無關，而后者功率瞬時值隨時間而變。我們所說的三相不平衡主要是指在電力系統中三相電流（或電壓）幅值不一致，且幅值差超過規定范圍。

2　三相不平衡的危害

2.1對變壓器的危害

變壓器是電網中重要的組成部分，三相不平衡會使變壓器出現以下問題：

(1)減少變壓器的出力。對三相變壓器來說，其總輸出容量等于每相輸出的容量之和，即：

S=Su+Sv+Sw （1）

由于變壓器制造時候是按照對稱運行條件而設計的，其每相的參數都基本相同。因此，在三相不平衡狀態運行下，變壓器總出力會受到負載最重一相的額定輸出容量的限制，導致變壓器的效率過低，同時減低其過載能力。

(2)增加變壓器的損耗，同時使其溫度上升，降低壽命。三相不平衡必然會導致變壓器內部產生零序電流，零序磁通不能在鐵芯中閉合，需通過油箱壁閉合，因而零序電流引起的磁滯會使變壓器溫度上升過高，影響變壓器的正常運行，降低其壽命。

2.2使導線溫度上升（線損上升）

導線有電流流過時所產生的熱量，稱為線損。線損也是當今供電部門較為關注的問題之一，配電網的三相不平衡問題會使線損上升，浪費電能的同時也會提高供電部門的供電成本，嚴重時更會燒壞電氣設備，造成經濟上的損失。

如圖1所示為三相平衡的輸電線路等效圖：

由于三相平衡，所以Ia=Ib=Ic且Io=0，此時系統的輸出功率為：

此時系統的線損為：

圖1　三相平衡輸電等效電路圖

若假設此系統三相極端不平衡，即系統僅由其中一相對外所有用戶輸出功率，B、C相開路，且要保證系統的輸出功率不變（如圖2所示）：

圖2　輸電網三相極端不平衡等效電路圖

即：

得：

即此時系統的線損為：

P1`是三相不平衡時的輸出功率；

△P`是三相不平衡時的線損。

零線電阻為2R1是由于一般情況下零線橫截面積是火線橫截面積的二分之一。

由此得出在保證用戶數量不變，輸出功率不變的情況下，極端三相不平衡的線損是三相平衡線損的9倍。因此降低三相不平衡度，有助降低配電線路的線損，降低成本，減少電能損耗。

2.3引起中性點電壓漂移

如圖3所示，當輸電線路三相對稱運行時，中心點電壓UN=0；當三相不對稱運行時，UN≠0，且UN的大小和三相電壓不平衡度有關，三相電壓不平衡度越大，UN的值越大，這時就會出現電能質量問題。而根據中國電力工業部編撰的《電力變壓器運行規程》規定：運行中的變壓器的中性點電流不得超過額定電流的25%，當變壓器負荷極不平衡時，變壓器中性點UN在零線上產生的電流遠遠大于額定電流，由于電流具有熱效應，這樣極容易導致零線因發熱而燒斷，導致損壞電力設備。

圖3　中性點電壓偏移相量圖

假定一個三相不平衡電路，其參數如圖4所示：

設節點N的節點電壓為UN，基于基爾霍夫電流定律，可知：

聯合上面式子得：

圖4　三相不平衡網絡引起電壓偏移

而在日常的生活當中，因中性線電流過大而導致中性線燒斷的事故常有發生，如下圖5所示：當中性線斷線時，原來接在A相的燈泡甲與接在B相的燈泡乙就串聯在一起，380V的線電壓UAB就直接加在甲燈與乙燈上，由于超出額定電壓，這樣會容易導致電阻較小或者額定功率較小的燈泡燒毀。

圖5　三相不平衡引起中性線燒斷

3　結語

就目前而言，假如配變在三相負載不平衡時運行，其各相輸出電流就不相等，其配變內部三相壓降就不相等，這必將導致配變輸出電壓三相不平衡。同時，配變在三相負載不平衡時運行，三相輸出電流不一樣，而中性線就會有電流通過。因而使中性線產生阻抗壓降，從而導致中性點漂移，致使各相相電壓發生變化。負載重的一相電壓降低，而負載輕的一相電壓升高。在電壓不平衡狀況下供電，即容易造成電壓高的一相接帶的用戶用電設備燒壞，而電壓低的一相接帶的用戶用電設備則可能無法使用。所以三相負載不平衡運行時，將嚴重危及用電設備的安全運行。

三相電壓不平衡的發生將導致達到數倍電流不平衡的發生。誘導電動機中逆扭矩增加，從而使電動機的溫度上升，效率下降，能耗增加，發生震動，輸出虧耗等影響。各相之間的不平衡會導致用電設備使用壽命縮短，加速設備部件更換頻率，增加設備維護的成本。斷路器允許電流的余量減少，當負載變更或交替時容易發生超載、短路現象。因此，我們應該對三相不平衡問題進行積極的研究，有效降低三相不平衡度，提高電能質量。