關(guān)于三相不平衡的標(biāo)準(zhǔn)分析

陳錦新

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

關(guān)于三相不平衡的標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)中三相不平衡產(chǎn)生的主要原因，并分析了這種三相不平衡對(duì)電網(wǎng)、用電設(shè)備的影響。同時(shí)介紹了目前各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三相不平衡度的計(jì)算，對(duì)比了各種算法的優(yōu)劣。

三相不平衡；主要原因；影響；計(jì)算

工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，經(jīng)常會(huì)遇到各種各樣的電壓波動(dòng)、相位滯后等現(xiàn)象，這對(duì)我們的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生了較大影響。在保修期出現(xiàn)問(wèn)題的電氣設(shè)備中，有63%是由于電涌造成的。因此探討三相不平衡生產(chǎn)的原因及其計(jì)算方法等方面，顯得很有必要。

1 相不平衡的定義及其產(chǎn)生原因

1.1 相不平衡的定義

三相電氣系統(tǒng)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(chēng)為平衡或?qū)ΨQ(chēng)的系統(tǒng)。如果其中的一個(gè)或兩個(gè)條件不滿(mǎn)足，則稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)或不平衡的系統(tǒng)。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(chēng)為相不平衡。

1.2 相不平衡的產(chǎn)生原因

1.2.1 各相負(fù)荷大小不一

由于用電戶(hù)多為單相負(fù)荷或單相和三相負(fù)荷混用，并且負(fù)荷大小不同和用電時(shí)間不同；或者，原來(lái)是相對(duì)平衡的三相電源，由于單相用戶(hù)的不可控增容、大功率單相負(fù)載的接入等，也都加劇了三相電源的不平衡性。

所以，電網(wǎng)中三相間的不平衡電流是長(zhǎng)期、客觀存在的，并且這種用電不平衡狀況無(wú)規(guī)律性，也無(wú)法事先預(yù)知。

1.2.2 各相負(fù)荷感性、容性負(fù)載不同

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活所使用的電器，有各種各樣的感性負(fù)載和容性負(fù)載，如電機(jī)、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(duì)電網(wǎng)的影響

2.1.1 增加輸電線(xiàn)路中的電能損耗

輸電線(xiàn)路中電能的損耗一般是發(fā)熱型式，與線(xiàn)路電流的平方成正比。以三相四線(xiàn)制為例，當(dāng)三相不平衡時(shí)，相電流會(huì)增大，中性線(xiàn)會(huì)有電流通過(guò)。這樣，不僅相線(xiàn)有損耗，中性線(xiàn)也會(huì)產(chǎn)生損耗，從而增加了電網(wǎng)線(xiàn)路中的損耗。三相四線(xiàn)制中，當(dāng)三相負(fù)荷平衡時(shí)的線(xiàn)路損耗最?。划?dāng)一相負(fù)荷重、另外兩相負(fù)荷輕時(shí)的線(xiàn)路損耗較??；當(dāng)一相負(fù)荷重、一相負(fù)荷輕、另一相負(fù)荷為平均負(fù)荷時(shí)的線(xiàn)路損耗較大；當(dāng)兩相負(fù)荷重、另一相負(fù)荷輕時(shí)的線(xiàn)路損耗最大?？傊?，無(wú)論何種負(fù)荷分配情況，電流不平衡度越大，線(xiàn)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(guò)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(fā)熱損耗，也與電流成正比。在相不平衡時(shí)，變壓器電流處于不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，造成變壓器的鐵耗和銅耗均增大。

2.2 相不平衡對(duì)負(fù)載的影響

2.2.1 對(duì)一般用電設(shè)備的影響

當(dāng)三相電流不平衡時(shí)，中性線(xiàn)就會(huì)有電流通過(guò)，使中性線(xiàn)產(chǎn)生阻抗壓降，從而導(dǎo)致中性點(diǎn)漂移，致使各相相電壓發(fā)生變化。負(fù)載重的一相電壓降低，而負(fù)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(hù)用電設(shè)備燒壞，而電壓低的一相，其用戶(hù)用電設(shè)備則可能無(wú)法使用。所以三相負(fù)載不平衡運(yùn)行時(shí)，將嚴(yán)重危及用電設(shè)備的安全運(yùn)行。各相之間的不平衡會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備使用壽命縮短，加速設(shè)備部件更換頻率，增加設(shè)備維護(hù)的成本。斷路器允許電流的余量減少，當(dāng)負(fù)載變更或交替時(shí)容易發(fā)生超載、短路現(xiàn)象。

2.2.2 對(duì)電機(jī)的影響

由電機(jī)的工作原理可知，電機(jī)在正常情況電壓、電流下運(yùn)行，其定子三相繞組合成磁場(chǎng)是一個(gè)均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，且所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定。若電機(jī)在相不平衡時(shí)運(yùn)行，則因?yàn)楦飨嚯妷翰煌㈦娏鞑煌?，則定子中各相繞組磁場(chǎng)不同，導(dǎo)致合成磁場(chǎng)是一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩不再是一個(gè)恒定值，而是隨磁場(chǎng)的變化而變化。這樣，電機(jī)將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、噪音等故障；電磁轉(zhuǎn)矩不定、力矩變小使得電機(jī)的起動(dòng)性能和過(guò)載能力下降。

類(lèi)似于變壓器，在三相電流不平衡時(shí)，電機(jī)中的銅耗和鐵耗也會(huì)加大，損失了部分輸入功率，從而影響電機(jī)的效率。同時(shí)銅耗和鐵耗加大，也會(huì)影響電機(jī)的溫升，進(jìn)而影響電機(jī)的絕緣器件的使用壽命，使電機(jī)壽命減短。

表1 三種相不平衡情況的線(xiàn)電壓不平衡度計(jì)算

3 三相不平衡度的計(jì)算

關(guān)于相不平衡度的計(jì)算，各個(gè)國(guó)家、地區(qū)都有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，但相互間的算法卻不相同。

3.1 美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)(NEMA)的算法

美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)(NEMA)定義的電壓不平衡度為線(xiàn)電壓不平衡率(LVUR)，其計(jì)算公式為：

式中，VAB、VBC、VCA——線(xiàn)電壓；

3.2 國(guó)際電工委員會(huì)的算法

國(guó)際電工委員會(huì)定義的電壓不平衡為線(xiàn)電壓不平衡率，用εG表示。其試算公式為：

3.3 國(guó)標(biāo)GB/T 22713中的算法

在我國(guó)推薦性國(guó)標(biāo)GB/T 22713中定義的電壓不平衡為線(xiàn)電壓不平衡，用表示。其計(jì)算公式為：

式中，Umax——三個(gè)電壓U1、U2、U3中均方根值最大值；

Uaverage——三個(gè)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(xiàn)電壓為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)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(xiàn)電壓不平衡度，按不同公式計(jì)算出來(lái)。

從表1中可以看出：

（1）前兩種情況下，美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)(NEMA)的算法與我國(guó)國(guó)標(biāo)中的算法，所算出的不平衡度基本是一致的；而國(guó)際大電網(wǎng)委員會(huì)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(guó)電器制造商協(xié)會(huì)(NEMA)的算法與國(guó)際大電網(wǎng)委員會(huì)的算法，所算出的不平衡度基本是一致的；而國(guó)我國(guó)國(guó)標(biāo)中的算法所算出的不平衡度要低些。

（3）無(wú)論何種情況下，國(guó)際大電網(wǎng)委員會(huì)的算法，基本上都不小于其他兩種算法。

綜上，國(guó)際大電網(wǎng)委員會(huì)的算法應(yīng)該是最佳的線(xiàn)電壓相不平衡度計(jì)算方法。

4 結(jié)論

通過(guò)介紹相不平衡產(chǎn)生的原因，及其對(duì)電網(wǎng)、用電設(shè)備的影響；介紹了目前各地區(qū)的相不平衡算法，并詳細(xì)對(duì)比了各自的優(yōu)劣，為降低相不平衡度，提供了一定的指導(dǎo)方向。

［1］ GB/T 22713-2008《不平衡電壓對(duì)三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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