淺談工業用電三相負載不均衡的危害及改善措施

劉巍 楚立新 林昌演

摘 要：文章以某晶體冶煉廠為例，通過對三相變壓器三相負載不均衡問題的分析，提出了解決三相負荷不平衡的解決方案。希望對相關工作人員有所幫助和啟發。

關鍵詞：三相負荷；不平衡；無功補償

1 產生三相負荷不平衡的原因

以某晶體冶煉廠為例，該廠供電變壓器的型號為S11-2000-10/0.4，即變壓器容量為2000kVA，進線電壓10kV，輸出電壓0.4kV，變壓器連接組為Dyn11，變壓器經過配電柜輸出給用電設備，每相分成9個開關輸出，每個開關控制一個單相負載，負載為一套整流設備帶晶體爐，但由于每相上的負載工作周期并不同步，在同一時間點，各相上的負載工作數量并不相同。這種工作周期不同步的單相負載三相不平衡不可避免，因為每相所帶設備數量相同，但并不是同時工作，所以造成三相負荷不對稱。

2 三相負荷不平衡造成的影響及危害

（1）增加輸電線路的電能損耗。在工業動力電供電網中，電流流過輸電線路時，因存在線路阻抗必將產生電能損耗，電流越大其損耗越大。由于工業用電有單相負荷存在，造成三相負荷不平衡無可避免。當三相負荷不均衡運行時，中性線的電流就不為零。這樣不但相線存在損耗，中性線也會產生附加損耗，從而增加了供電網絡的損耗。

（2）增加配電變壓器的電能損耗。配電變壓器是低壓供電網路的主要設備，當其在三相負載不平衡狀態下運行時，將會造成配電變壓器損耗的增加。因為配電變壓器的不均衡度越大，其功率損耗越大。

（3）配電變壓器輸出功率減少。配電變壓器在電參和結構設計時，各繞組的結構是按負載平衡運行工況而設計的，其繞組的性能差距很小，可達到2%以內波動，各相額定容量相同。配電變壓器的最大輸出功率一般不超過額定功率的1.1倍。當配電變壓器變處于三相負載不平衡工況下運行，負載輕的一相就輸出容量就少，從而使配電變壓器輸出能力降低。其輸出能力降低程度與三相負荷的不平衡度有關。三相負荷不平衡度越大，配電變壓器輸出能力降低的越多。為此，配電變壓器在三相負載不均衡狀態下運行，其輸出的容量就無法達到額定值，其備用容量也相應降低，過載能力也有所下降。如果配電變壓器在過載狀態下運行，則容易導致變壓器繞組發熱，嚴重時甚至會造成配電變壓器燒毀。

（4）2000kVA配電變壓器將產生零序電流。因為該變壓器的所接負載都為單相負載，所以聯結組是Dyn11，因為三相負荷不平衡，所以N線的電流并不為零，此為零序電流。零序電流會產生零序磁通，零序磁通不能像正、負序磁通那樣可以經過另外兩相的鐵芯形成回路。它被迫經過絕緣介質和外殼形成回路，產生遲滯和渦流損耗，殼體局部過熱，絕緣加速老化，降低變壓器的整體壽命。

3 三相負荷不均衡所造成危害的解決方案

首先盡量讓三相所掛負載的個數相同，即使負載個數相同也會有各相負載不同時使用的情況，對于這種情況可采用電容器分相補償的方法，因為工業負載多為線圈類感性負載。在滿負荷情況下，知道各相的有功功率和無功功率就可知道補償容量，極大的降低了系統的不平衡度，其理論結果可使三相功率因數均補償至1，三相有功調至相等。

圖1 三相不均衡負載無功補償原理圖

根據需要可采用以下兩種補償裝置：

（1）TSC型無功補償裝置：自動逐級投切，通過控制器檢測無功電流含量及功率因數來控制晶閘管觸發來控制投切。此裝置價格相對較低，但是非連續補償，對三相平衡度要求不是非常高可采用此裝置。

（2）FC+TCR型無功補償裝置：此裝置采用固定電容器和相控電抗器組成，并采用晶閘管作為無觸點開關，可根據負載變化快速調節無功功率的輸出，實現實時跟蹤補償，可連續調節，但價格相對較高。

4 結束語

適當分配負載加上無功補償裝置可以使供電電源輸出的電流基本上為三相均衡的有功電流，提高了供電質量，減小了不均衡負載對電力系統的影響。

參考文獻

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作者簡介：劉巍（1986-），男，2010年畢業于哈爾濱理工大學應用物理專業，現從事變壓器、電抗器等鐵磁器件設計工作。