三相負(fù)載不平衡的危害分析

丁小瑞

（陜西省地方電力（集團(tuán)）有限公司府谷縣供電分公司 陜西府谷 719400）

三相負(fù)載不平衡的危害分析

丁小瑞

（陜西省地方電力（集團(tuán)）有限公司府谷縣供電分公司 陜西府谷 719400）

對(duì)基層供電企業(yè)來(lái)說(shuō)，0.4k V低壓電網(wǎng)三相負(fù)載不平衡一直是難以解決的問(wèn)題。出現(xiàn)這種問(wèn)題嚴(yán)重威脅了低壓電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行。本文將會(huì)根據(jù)實(shí)際工作，分析0.4k V低壓電網(wǎng)三相負(fù)載不平衡帶來(lái)的危害，根據(jù)分析結(jié)果給出了改進(jìn)的方法。

0.4kV；低壓電網(wǎng)；三相不平衡；電能損耗

在0.4kV電壓的低壓電網(wǎng)中，向用戶提供三相四線制的方式供電，這種供電網(wǎng)絡(luò)是三相生產(chǎn)用電和單相負(fù)載的混合用電。在正常情況下，如果安裝的是單相用戶，供電企業(yè)就會(huì)把單相負(fù)載均衡地分接在A、B、C三相上。在現(xiàn)實(shí)的操作運(yùn)行中，這種安裝方法卻會(huì)容易出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡的現(xiàn)象，引起這種現(xiàn)象的原因可能是：電工作人員的疏忽、線路的標(biāo)志、大功率單相負(fù)載的接、單相用戶的不可控增容等情況的發(fā)生。如果是在三相負(fù)荷不平衡度非常大的情況下，低壓電網(wǎng)仍在運(yùn)行，就容易對(duì)低壓電網(wǎng)和電氣設(shè)備造成危害。

1 三相負(fù)載不平衡概述

三相負(fù)載含有三根相線，如果三相平衡時(shí)，各相的電流值是接近的，形成互相平衡的狀態(tài)，如果出現(xiàn)三相不平衡，那么每一相的電流就會(huì)存在較大差異，此種情況下電流較高的相線極易發(fā)熱并引發(fā)火災(zāi)。當(dāng)三相負(fù)載不平衡時(shí)，會(huì)引起中性線電流過(guò)大，中性點(diǎn)位移，經(jīng)過(guò)中性線會(huì)有多余的電流流到零線上，因此三相負(fù)載不平衡時(shí)，還可能造成零線電流增大。

圖1 三相負(fù)載不平衡電流相量例圖

2 出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡產(chǎn)生的危害

2.1 線路的電能損耗增加

2.1.1 增加低壓線路中的電能損耗

電流在經(jīng)過(guò)線路導(dǎo)線的時(shí)候，因存在的阻抗所以造成電能損耗，這是三相四線制的供電網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題。當(dāng)三相負(fù)載失衡時(shí)，中線段會(huì)出現(xiàn)電流，隨著通過(guò)的電流越大，電能損耗也就越大，增加相線以及中線的總損耗。低壓線路中線電流假設(shè)為I0，相線電流為別為IA、IB、IC，相線電阻為R，中線電阻為2R，如果三相平衡，那么除I0為0以外，其余電流均相等，記作均為I，那么在平衡狀態(tài)下，低壓線路損耗則為（IA2+IB2+IC2）R=3I2R。如果出現(xiàn)了三相失衡，我們假設(shè)為最大失衡狀態(tài)，IA為1.5I，IB、IC、I0均為0.75I，那么線路的總損耗則為（IA2+IB2+IC2+I02）R=（1.5I2+0.75I2+ 0.75I2+0.75I）2R=4.5I2R，那么在此種失衡狀態(tài)下，低壓線路電能損耗將比三相平衡狀態(tài)下提升了50%。

2.1.2 增加高壓線路的電能損耗

三相失衡不但會(huì)增加低壓線路損耗，還會(huì)對(duì)高壓線路造成影響，因如果低壓側(cè)出現(xiàn)三相失衡，那么反映到高壓側(cè)也同樣會(huì)出現(xiàn)失衡狀態(tài)，按照以上三相最大失衡的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，高壓IA為1.5I′，IB、IC均為0.75I′，高壓線路的每相電阻記作R′，那么在此種三相失衡狀態(tài)下，電能損耗為（IA2+IB2+IC2）R=（1.5I′2+0.75I′2+0.75I′2+）R=3.375I′R，當(dāng)三相平衡時(shí)，高壓線路損耗為3I′2R，以三相失衡狀態(tài)下的高壓線路電能損耗減去三相平衡狀態(tài)下的高壓線路損耗，可以得出高壓線路的電能損耗也同樣會(huì)增加12.5%。

2.2 配電變壓器的電能損耗增加

如果三相負(fù)載失衡，三相繞組總損耗為：

其中IA、IB、IC分別為各相電流，R1為變壓器二次側(cè)繞組電阻。

當(dāng)三相平衡時(shí)，總損耗為：

P銅=（3I）2×R

那么三相失衡狀態(tài)下的銅損將以公式（1）與公式（2）的差值進(jìn)行計(jì)算。例某電站三相失衡時(shí)的電流分別是：IA為181A，IB為235A，IC為269A，I0為81A，零序電阻R0為0.122Ω，那么根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算出銅損為0.033kW，鐵損根據(jù)公式P0=I02×R0進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為0.8kW，那么總損耗為銅損與鐵損之和，即為0.833kW，由此可見(jiàn)，三相失衡講會(huì)對(duì)配電變壓器帶來(lái)嚴(yán)重的損耗。

2.3 減少配電變壓器出力

配電變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)負(fù)載平衡運(yùn)行的情況設(shè)計(jì)繞組結(jié)構(gòu)，所以，繞組性能大致都一樣，各相容量也基本相等。每相額定的容量將會(huì)限制配變電壓器的最大允許出力。[2]如果在三相負(fù)載不平衡的時(shí)候運(yùn)行變壓器，其中的一相因?yàn)樨?fù)載少導(dǎo)致減少出力，而出力減少的程度受三相負(fù)載不平衡度的影響，三相失衡狀態(tài)下，三相負(fù)載的最大一相不能高于額定容量，此時(shí)輸出容量等于各項(xiàng)輸出容量的相加總和。例如如果某配電變壓器的而定容量為100kVA，其二次側(cè)三相電流分別為144A、72A、72A，當(dāng)三相失衡時(shí)，其最大輸出容量按各項(xiàng)輸出容量之和計(jì)算，結(jié)果為63.4kVA，僅為額定容量的63.4%，進(jìn)而減少了出力。

2.4 配電變壓器產(chǎn)生零序電流

在三相負(fù)載不平衡的時(shí)候運(yùn)行變壓器，就會(huì)出現(xiàn)零序電流。零序電流與三相負(fù)載不平衡度成正比。如果配電變壓器在運(yùn)行的時(shí)候，出現(xiàn)了零序電流，那么鐵心中將產(chǎn)生零序磁通（高壓側(cè)沒(méi)有零序電流），零序磁通會(huì)在油箱壁和鋼構(gòu)件通過(guò)，在零序電流經(jīng)過(guò)鋼構(gòu)架的時(shí)候，kV因?yàn)殇摌?gòu)架的導(dǎo)磁率不高，會(huì)出現(xiàn)磁滯和渦流損耗，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器的鋼構(gòu)件局部出現(xiàn)溫度升高或者發(fā)熱。溫度升高導(dǎo)致變壓器的繞組絕緣更快的老化，減少了變壓器的使用壽命。除此之外，因?yàn)榱阈螂娏鞯某霈F(xiàn)，使變壓器的損耗也增加了。

2.5 降低電動(dòng)機(jī)設(shè)備效率

正序、負(fù)序、零序三個(gè)電壓分量會(huì)因?yàn)椴黄胶怆妷憾霈F(xiàn)，在電動(dòng)機(jī)接收了這種不平衡的電壓以后，正負(fù)序電壓所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是相反的，對(duì)彼此起到相互制動(dòng)的作用。但是電動(dòng)機(jī)還是會(huì)按正序磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)檎虼艌?chǎng)比負(fù)序磁場(chǎng)要強(qiáng)。在電動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候受到負(fù)序磁場(chǎng)的制動(dòng)作用的影響，減少了電動(dòng)機(jī)設(shè)備的輸出功率，降低了電動(dòng)機(jī)效率。除了這一點(diǎn)外，電動(dòng)機(jī)的溫升和無(wú)功損耗，也將因不平衡電壓而增大。因此可以看出，如果在三相不平衡的狀態(tài)下運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，對(duì)經(jīng)濟(jì)和安全都會(huì)產(chǎn)生威脅。

2.6 對(duì)用戶的危害

由于三相負(fù)載中的一相或者兩相引起不平衡，進(jìn)一步把線路里的電壓升高了，對(duì)電能的質(zhì)量造成了貶值，同時(shí)對(duì)用戶的日常用電也就產(chǎn)生了影響。如果變壓器因?yàn)槿嗖黄胶庖鹱儔浩鲹p壞，導(dǎo)致線路也被燒斷，對(duì)用戶的日常生活造成不便，如果嚴(yán)重的話，還會(huì)加大經(jīng)濟(jì)損失。例如，低壓變壓器被燒毀；因停電的原因，導(dǎo)致工廠不能工作，企業(yè)不能正常運(yùn)行，這些都是對(duì)用戶產(chǎn)生的危害。另外，如果零線的電流增大，就會(huì)因?yàn)榱憔€發(fā)熱，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致零線被燒斷。在單相用戶端的電壓改為線電壓以后，對(duì)用戶的用電器設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生影響，出現(xiàn)燒毀的情況等。

3 實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載平衡的措施

3.1 管理方面的措施

首先強(qiáng)化日常維護(hù)，定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并配備配變監(jiān)測(cè)裝置，在日常管理中，定期開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，實(shí)時(shí)跟蹤三相失衡情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。同時(shí)還合理選取中性線截面，不能過(guò)小，應(yīng)當(dāng)和相線截面相同，且在中性線上不能設(shè)置熔斷器、刀閘等設(shè)施。

3.2 平衡配電變壓器的三相負(fù)荷

定期用電流表對(duì)變壓器的出線以及低壓線分支的部位對(duì)每一相的電流還有中線的電流進(jìn)行測(cè)量，而電流表要求用鉗形電流表。測(cè)量結(jié)果一旦超出了相關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，就要馬上對(duì)三相上的電荷進(jìn)行調(diào)整，主要調(diào)整用戶的數(shù)量、負(fù)荷的類(lèi)別以及出現(xiàn)漏電的情況進(jìn)行總結(jié)與分析，然后平均安裝到每相上，達(dá)到三相平衡。位于低壓臺(tái)區(qū)的用戶，如果單相負(fù)荷非常密集的話，供電方式就要使用三相四線制，達(dá)到三相四線的供電方式與單相供電的分配比例合理，實(shí)現(xiàn)正常供電。

除了低壓線路末端負(fù)荷符合標(biāo)準(zhǔn)以外，主干線也要與出線端的負(fù)荷的平衡也要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。而測(cè)量的低壓側(cè)電流的不平衡度不要超過(guò)10%，低壓側(cè)干線和分支線首端的電流的不平衡度不能超過(guò)20%。

3.3 選擇合理的無(wú)功補(bǔ)償方式

單相負(fù)荷是低壓電網(wǎng)的主要供電模式。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)三相負(fù)荷平衡是較為困難的，因此，在無(wú)功補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候可以以此為針對(duì)點(diǎn)，采用三相分補(bǔ)或三相共補(bǔ)的方法達(dá)到三相平衡。運(yùn)用通負(fù)荷并聯(lián)電容、部位跨接電容等方法都可以實(shí)現(xiàn)電能損耗的減小、提供功率因數(shù)、以及提高帶電能質(zhì)量，進(jìn)而節(jié)約電能。

3.4 裝設(shè)三相不平衡保護(hù)器

實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載平衡最直接有效的方法就是安裝三相不平衡保護(hù)器，也叫三相斷電保護(hù)器，如果在供電的時(shí)候，一相沒(méi)有電流通過(guò)，就可以自動(dòng)切斷電源，減少三相負(fù)載不平衡的產(chǎn)生。

3.5 新型三相平衡技術(shù)（APFSVG技術(shù)）

通常情況下，電力系統(tǒng)的功率因數(shù)低就會(huì)導(dǎo)致三相負(fù)載不平衡，為了實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載平衡，可以選擇盛弘有源濾波器（APF）和靜止無(wú)功器（SVG）對(duì)其進(jìn)行平衡，這款產(chǎn)品在除了實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載平衡以外，還可以補(bǔ)償無(wú)功，是電能管理方面性價(jià)比很高的產(chǎn)品。主要是經(jīng)過(guò)CT對(duì)電流進(jìn)行時(shí)刻檢測(cè)并記錄下電流信息，把信息通過(guò)DSP數(shù)字控制處理器進(jìn)行處理與分析，然后通過(guò)調(diào)節(jié)功率電路以及內(nèi)部存儲(chǔ)的電能把三相上不均衡的電流通過(guò)轉(zhuǎn)移或者是重新分配，實(shí)現(xiàn)三相電流平衡。這就是這款產(chǎn)品的主要工作原理。詳細(xì)的運(yùn)作原理的如圖2（以SVG為例）：

如果把A、B、C各相的電流設(shè)置為5A、10A、15A，這種情況就屬于三相電流不均衡，如果每相的電流都應(yīng)該是10A，就屬于三相電流平衡。

靜止無(wú)功器在工作的時(shí)候，通過(guò)把CT收集到的電流信息傳輸?shù)絻?nèi)部控制器處理與分析以后，就可以判斷出電流沒(méi)有達(dá)到平衡，并且還會(huì)把需要調(diào)節(jié)電流的具體數(shù)值計(jì)算出來(lái)。圖2中，如果A相的電流實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)就要通過(guò)計(jì)算以后，控制器把IGBT驅(qū)動(dòng)作為主要調(diào)節(jié)工具，把計(jì)算出C相上的多余的5A電流轉(zhuǎn)入到SVG，然后經(jīng)過(guò)SVG的調(diào)節(jié)把5A電流流入到A相，使A、B、C三相經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后都達(dá)到10A的電流，進(jìn)而在保證系統(tǒng)的總電流值不變的情況下實(shí)現(xiàn)三相平衡。在經(jīng)過(guò)一整套的超短時(shí)間的流程以后，實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載平衡，而SVG在運(yùn)行的時(shí)候消耗的能量也是非常少的，例如，風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)、開(kāi)關(guān)器件消耗的能量。SVG在其中發(fā)揮的作用是對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 運(yùn)作原理示意圖

在一般情況下，電流值的大小實(shí)際就是電流發(fā)揮的有效值，在前面說(shuō)到的SVG對(duì)電流調(diào)節(jié)的數(shù)值也是指在開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作的一定時(shí)間里電流的有效數(shù)值。

在運(yùn)行的一個(gè)瞬間，C相上的IGBT驅(qū)動(dòng)發(fā)生動(dòng)作，把C相上的交流電轉(zhuǎn)換成主流電以后傳輸?shù)絊VG里的母線電容上，具體流程如圖3。

圖3 流程示意圖

假如在另一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，A相上的IGBT驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)作，SVG里的母線電容里的直流電就會(huì)發(fā)生逆變后傳輸?shù)紸相上，詳細(xì)流程如圖4。

圖4 詳細(xì)流程示意圖

盛弘公司的SVG的操作運(yùn)行都是瞬時(shí)就可以完成的，但是在一段時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)換的有效電流值是可以達(dá)到平衡的，進(jìn)一步說(shuō)，也可以把它運(yùn)作的結(jié)果看作是分流的作用。實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載上的有效電流值的平衡。

如果系統(tǒng)中三相的電流都沒(méi)有達(dá)到平衡值的時(shí)候，其進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄍ瑑上嗥胶獾姆椒ù笾孪嗤?，也是通過(guò)把任意一相超過(guò)平衡值的電流分出來(lái)，在SVG的母線電容里進(jìn)行存儲(chǔ)，接下來(lái)既可以對(duì)缺少電流的一相進(jìn)行補(bǔ)償。

盛弘SVG調(diào)節(jié)三相負(fù)載平衡在與傳統(tǒng)的“電感和電容調(diào)平衡”的方法相比，打破了存在的客觀局限性。因?yàn)槭⒑隨VG可以對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)與收集，及時(shí)發(fā)現(xiàn)負(fù)載不平衡問(wèn)題，然后快速的進(jìn)行操作調(diào)節(jié)電流，使三相電流值達(dá)到平衡。比傳統(tǒng)的方法更簡(jiǎn)單快捷，不用復(fù)雜的運(yùn)算與高難度的接入方法就可以實(shí)現(xiàn)三相平衡。

4 總結(jié)語(yǔ)

三相負(fù)載不平衡就會(huì)對(duì)0.4kV低壓電網(wǎng)以及電氣設(shè)備產(chǎn)生不必要的損害，將三相負(fù)載調(diào)整至平衡，除了本文中的措施以外，在實(shí)際的工作中，加大力度進(jìn)行負(fù)荷調(diào)查，把每種配電變壓器的負(fù)載最大、平均負(fù)荷及發(fā)展趨勢(shì)都詳細(xì)的記錄下來(lái)，定期對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整。如果想減少或避免用電設(shè)備的損壞以及發(fā)生事故，就要在根本上進(jìn)行解決，控制不平衡現(xiàn)象的發(fā)生。

[1]廖建泉.淺談三相負(fù)載不平衡運(yùn)行對(duì)變壓器的危害[J].大眾科技，2012，09：72～73.

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