低壓電網三相負荷平衡與電壓質量

張弘廷 宋炳銀 代高杰

摘 要：結合當前城鄉公用配電臺區實際情況，進行定量和定性分析，證實低壓電網三相負荷不平衡，對電壓質量有重大影響，應引起我們的高度關注。三相負荷平衡可有效地提升電壓合格率，提高電能質量。

關鍵詞：低壓電網 單相負載 三相負荷不平衡 電壓合格率 電能質量

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（b）-0034-02

電能質量主要看電壓質量，即供電電壓是否合格。保證電壓質量，是供電人的責任和義務，是用電人的希冀和盼望。低壓電網三相負荷平衡對提升電壓質量的作用如何，以前鮮有涉及，故有必要進行研討。

1 當前城鄉典型公用配電臺區供電電流的分配

為了更形象地說明問題，我們模擬當前城鄉實際供用電情況，用數據來示例。設某公用配電臺區，配電變壓器100 kVA，其額定電流144 A。低壓電網負載有：三相動力負載10 kW，照明等單相負載70 kW，基本匹配。

三相動力負荷電流，根據P=√3UICOSφ，沒搞無功補償則系自然功率因數，設COSφ=0.7

I=P/（√3UCOSφ）=10/（√3×0.38×0.7）=21.71（A）

單相負荷電流，設單相負載全為電阻性，COSφ=1

當單相負載分配最偏（即全部接到一相上）時，I=P/U=70/0.22=318.18（A）

單相負載在三相上均衡分配時，每相電流I= 318.18/3=106.06A

由以上數據，得出：

（1）單相負載分配最偏時，該相線電流為感性電流21.71 A和阻性電流318.18 A的相量和，經計算為333.88（A），其他相線電流為21.71 A，中性線電流為318.18 A。

（2）單相負載平均分配到兩相上時，該兩相線電流為感性電流21.71A和阻性電流（318.18/2）A的相量和，經計算為175.11（A），另一相線電流為21.71 A，中性線電流為159.09 A。

（3）單相負載在三相上均衡分配時，各相線電流均為感性電流21.71A和阻性電流106.06 A的相量和，經計算為122.38（A），接近并小于配電變壓器的額定電流，中性線電流為0[1]。

把這3組數據取整數標在同一線路圖上，見圖1所示，以直觀地對比。

2 三相負荷平衡降低線路電壓降、提高電壓合格率分析

國標規定線路末端電壓偏差（電壓降）：三相不得大于±7%，單相不得大于+7%、-10%，即單相198～235.4 V為合格，三相353.4～406.6 V為合格。

線路電壓降ΔU=IR，設供電線路每根導線的電阻僅0.1Ω，則：

（1）單相負載分配最偏時，線路末端電壓為220-（334×0.1+318×0.1）=154.80（V），嚴重不合格，造成嚴重的“低電壓”問題。

（2）單相負載平均分配到兩相上時，線路末端電壓為220-（175×0.1+159×0.1）=186.60（V），不合格，偏低。

（3）單相負載在三相上均衡分配時，線路末端電壓為220-（122×0.1）=207.8（V），線路上從頭到尾的所有用戶，都使用合格電壓，電壓質量極好。

從以上分析可看出，單相負載在三相上是否均衡分配，對電壓質量有重大影響。上面分析的雖是極端情況，但①三相負荷不平衡在城鄉低壓電網中不同程度的存在，有的可能很嚴重，在用電高峰（因家用電器數量大）可能非常嚴重，應引起我們的高度關注；②指出了我們的工作方向。

一般低壓電網，三相上負載都有，但分配不平衡，則中性點發生位移，造成三相電壓不對稱，三相中哪相負荷大，哪相電壓就降低，而負荷小的相電壓升高。

對單相用戶來說，接在重負荷相的，電壓偏低，電燈不亮（以現在仍大量使用的白熾燈為例：當端電壓降低5%時，其光通量將減少18%，照度降低），電器效能降低，有的不能正常工作，小水泵易燒毀；而接在輕負荷相的單相用戶，電壓偏高，縮短電器使用壽命（還以白熾燈為例：電壓升高5%，燈泡壽命將減少30%；電壓升高10%，壽命減少一半，燈泡消耗量將劇增），特殊情況下（如配電變壓器分接開關放在最高檔、系統電壓波動升高、用電低谷時段）電壓過高還可能造成電器絕緣擊穿，元件燒毀，損壞電器。

對動力用戶來說，三相電壓不平衡，影響電動機的輸出功率，并引起電動機過熱。三相電壓不平衡時，在異步電動機定子中便產生一個逆序旋轉磁場，電動機在順逆兩序磁場的作用下運行，由于順序旋轉磁場比逆序旋轉磁場大，故電動機的旋轉方向仍與順序方向相同。逆序磁場的存在，產生了較大的逆序方向的制動力矩，使電動機輸出功率減小。又由于轉子阻抗小，產生的逆序電流大，使繞組溫度升高，減小了電動機的使用壽命[2]。

3 城鄉典型公用配電臺區參數分析

上述城鄉典型公用配電臺區參數選得如何，是否偏頗？下面進行分析。

（1）100 kVA的配電變壓器在城鄉公用電網用的較多，有代表性。

（2）近年來，城鄉經濟飛速發展，人民群眾生活水平迅速提高，尤其是電網改造完成及“同網同價”實施后，家庭用電除照明燈具、電腦和傳統電器（電視機、電冰箱、洗衣機）增多外，大量的中高檔、大功率的家用電器進入尋常百姓家，例如電磁灶、電飯煲、電水壺、微波爐、電熱水器、電取暖器、空調、小水泵等，單臺容量大多數在800～2000 W，都是采用單相（220 V）電源。

城鄉用電高峰除了傳統的晚間燈峰（時間延長）外，還增加了白天3次做飯用電高峰。

單相負載取70 kW，相當于100 kVA的配電變壓器供70戶、每戶1 kW，符合一般情況。其中每戶按1 kW，這個數值高于用電低谷，但遠低于用電高峰，屬中等水平。這樣的參數不偏頗，能說明問題。

（3）隨著大量家用電器進入家庭，造成單相負荷（電量）急劇增長。與此同時，由于農村食品供應逐漸趨于城市化，糧油及食品由工廠（自有配電變壓器）加工出售，造成農村公用配電臺區三相動力負荷（電量）減少。目前發達地區城鄉的單相負荷已占到總用電負荷的90%以上，一般地區也達到70%以上，量變引起質變，城鄉電力負荷性質已悄悄地發生了質的變化。因此取三相負載10kW、單相負載70 kW比較符合現狀。

（4）按電網改造標準：低壓線路供電半徑，一般不超過500～600 m；低壓線路所用鋼芯鋁絞線，原來為16～35 mm2，近年來因負荷急劇上升，已提升至50～120 mm2，按120 mm2，其電阻0.225 Ω/km；架空線路中盡量避免接頭，無法避免時同一檔內每根導線只允許有一個接頭。因此，設供電線路每根導線的電阻為0.1 Ω，屬中等水平，不偏頗，能說明問題。

所以，城鄉典型公用配電臺區所取參數是適當的，其計算取得的數據接近實際情況。

4 結論

單相負載在三相上分配是否均衡，對電壓質量有重大影響。當前三相負荷不平衡在城鄉低壓電網中不同程度的存在，有的可能很嚴重，造成低電壓問題，應引起我們的高度關注。實現三相負荷平衡，可有效地提高電壓合格率，使廣大人民群眾用上合格的電能。

參考文獻

[1] 張弘廷，張顥，楊潔.配網降損、用戶節電的金鑰匙——就地平衡降損法[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2] 翟世隆，李全中，黃德仁.供用電實用技術手冊[M].北京：中國水利電力出版社，1998.