關于三相不平衡的標準分析

陳錦新

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

關于三相不平衡的標準分析

陳錦新

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

本文主要介紹了電網中三相不平衡產生的主要原因，并分析了這種三相不平衡對電網、用電設備的影響。同時介紹了目前各國標準對三相不平衡度的計算，對比了各種算法的優劣。

三相不平衡；主要原因；影響；計算

工業生產和日常生活中，經常會遇到各種各樣的電壓波動、相位滯后等現象，這對我們的生產、生活產生了較大影響。在保修期出現問題的電氣設備中，有63%是由于電涌造成的。因此探討三相不平衡生產的原因及其計算方法等方面，顯得很有必要。

1 相不平衡的定義及其產生原因

1.1 相不平衡的定義

三相電氣系統如果三相電壓和電流具有相同的幅值、并且相位互相差120o，則被稱為平衡或對稱的系統。如果其中的一個或兩個條件不滿足，則稱為不對稱或不平衡的系統。從定義可以看出，三相電中各相電壓或電流的幅值不相等、或各相之間的相差位不相等，都可以稱為相不平衡。

1.2 相不平衡的產生原因

1.2.1 各相負荷大小不一

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不同；或者，原來是相對平衡的三相電源，由于單相用戶的不可控增容、大功率單相負載的接入等，也都加劇了三相電源的不平衡性。

所以，電網中三相間的不平衡電流是長期、客觀存在的，并且這種用電不平衡狀況無規律性，也無法事先預知。

1.2.2 各相負荷感性、容性負載不同

在工業生產和日常生活所使用的電器，有各種各樣的感性負載和容性負載，如電機、變壓器、接觸器、斷路器、電容等，這些電器都是非純阻性的，要么電流滯后于電壓，要么電流超前于電壓，造成三相電中的電流相位不再是相差120°，即三相電流不平衡。

2 相不平衡的影響

2.1 相不平衡對電網的影響

2.1.1 增加輸電線路中的電能損耗

輸電線路中電能的損耗一般是發熱型式，與線路電流的平方成正比。以三相四線制為例，當三相不平衡時，相電流會增大，中性線會有電流通過。這樣，不僅相線有損耗，中性線也會產生損耗，從而增加了電網線路中的損耗。三相四線制中，當三相負荷平衡時的線路損耗最小；當一相負荷重、另外兩相負荷輕時的線路損耗較小；當一相負荷重、一相負荷輕、另一相負荷為平均負荷時的線路損耗較大；當兩相負荷重、另一相負荷輕時的線路損耗最大。總之，無論何種負荷分配情況，電流不平衡度越大，線路損耗越大。

2.1.2 增加配電變壓器的電能損耗

變壓器的損耗主要是銅耗和鐵耗，均與通過電流大小成正比。其中，鐵損近似與磁密B的平方成正比，磁密B又與電流成正比；銅耗則是指繞組中的發熱損耗，也與電流成正比。在相不平衡時，變壓器電流處于不對稱狀態，造成變壓器的鐵耗和銅耗均增大。

2.2 相不平衡對負載的影響

2.2.1 對一般用電設備的影響

當三相電流不平衡時，中性線就會有電流通過，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，其用戶用電設備燒壞，而電壓低的一相，其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。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。

2.2.2 對電機的影響

由電機的工作原理可知，電機在正常情況電壓、電流下運行，其定子三相繞組合成磁場是一個均勻的圓形旋轉磁場，且所產生的電磁轉矩為恒定。若電機在相不平衡時運行，則因為各相電壓不同、電流不同，則定子中各相繞組磁場不同，導致合成磁場是一個橢圓形旋轉磁場，相應的電磁轉矩不再是一個恒定值，而是隨磁場的變化而變化。這樣，電機將會產生振動、噪音等故障；電磁轉矩不定、力矩變小使得電機的起動性能和過載能力下降。

類似于變壓器，在三相電流不平衡時，電機中的銅耗和鐵耗也會加大，損失了部分輸入功率，從而影響電機的效率。同時銅耗和鐵耗加大，也會影響電機的溫升，進而影響電機的絕緣器件的使用壽命，使電機壽命減短。

表1 三種相不平衡情況的線電壓不平衡度計算

3 三相不平衡度的計算

關于相不平衡度的計算，各個國家、地區都有相關的標準，但相互間的算法卻不相同。

3.1 美國電器制造商協會(NEMA)的算法

美國電器制造商協會(NEMA)定義的電壓不平衡度為線電壓不平衡率(LVUR)，其計算公式為：

式中，VAB、VBC、VCA——線電壓；

3.2 國際電工委員會的算法

國際電工委員會定義的電壓不平衡為線電壓不平衡率，用εG表示。其試算公式為：

3.3 國標GB/T 22713中的算法

在我國推薦性國標GB/T 22713中定義的電壓不平衡為線電壓不平衡，用表示。其計算公式為：

式中，Umax——三個電壓U1、U2、U3中均方根值最大值；

Uaverage——三個電壓均方根值的平均值。

3.4 三種算法的比較

上述三種相不平衡度都是以線電壓為基準來計算的，但是各種情況下的各種算法精度卻不盡相同。表1把三種相不平衡情況的線電壓不平衡度，按不同公式計算出來。

從表1中可以看出：

（1）前兩種情況下，美國電器制造商協會(NEMA)的算法與我國國標中的算法，所算出的不平衡度基本是一致的；而國際大電網委員會的算法所算出的不平衡度則要高些。

（2）最后一種情況下，美國電器制造商協會(NEMA)的算法與國際大電網委員會的算法，所算出的不平衡度基本是一致的；而國我國國標中的算法所算出的不平衡度要低些。

（3）無論何種情況下，國際大電網委員會的算法，基本上都不小于其他兩種算法。

綜上，國際大電網委員會的算法應該是最佳的線電壓相不平衡度計算方法。

4 結論

通過介紹相不平衡產生的原因，及其對電網、用電設備的影響；介紹了目前各地區的相不平衡算法，并詳細對比了各自的優劣，為降低相不平衡度，提供了一定的指導方向。

［1］ GB/T 22713-2008《不平衡電壓對三相籠型感應電動機性能的影響》

［2］ North American Power Symposium (NAPS 2007)

［3］ C IGRE. A New Simple and Effective Approximate Formulation for the Determination of Three Phase Unbalances by Voltmeter Method [C]. Belgique，C IGRE, 1986.

Analysis report on three phase unbalance

CHEN Jinxin
（Zhuhai GREE electric appliance company limited Zhuhai 519070）

This paper mainly introduces the main reason of unbalanced three-phase power system, and analyzes the influence of the three-phase unbalance on the power network and power equipment. And then introduce the calculation of the three phase unbalance of the current national standards, and compare the advantages and disadvantages of various algorithms.

Three phase unbalance; Main reason; Influence; Calculation