低壓配電系統(tǒng)三相不平衡問題的判斷與解決

李志庚

(天津泰達水業(yè)有限公司 天津300457)

1 三相不平衡的基本概念

在供電線路中，三相平衡主要指三相交流電的電壓相等，頻率均為50Hz，初始角兩兩之間構(gòu)成度數(shù)都為120°。三相不平衡是指在電力系統(tǒng)中三相電壓(或電流)大小不一致，且初始角超過規(guī)定的范圍。發(fā)生三相不平衡既與終端負(fù)荷特性有關(guān)，也與電力系統(tǒng)的規(guī)劃、負(fù)荷的分配有關(guān)。在三相電源對稱的情況下，可以根據(jù)中性點位移的情況來判斷負(fù)載端不對稱程度。當(dāng)中性點位移超過一定程度時，會造成負(fù)載相電壓嚴(yán)重不對稱，使負(fù)載的工作狀態(tài)不正常。GB/T15543—1995《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》適用于交流額定頻率為50Hz的電力系統(tǒng)正常運行方式下，由負(fù)序分量所引起的公共連接點的電壓不平衡。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點正常運行方式下不平衡度允許值為2%，短時間不得超過4%[4]。

2 三相不平衡度的計算

三相電流不平衡度計算方法一般有以下常用的2個公式：

舉例說明：

若三相電流分別為Ia＝12A，Ib＝10A，Ic＝9A，則三相平均電流為10.3A。

代入公式(1)：(12-9)/12×100%＝25%

代入公式(2)：(12-10.3)/10.3×100%＝22%

3 影響三相不平衡的因素

導(dǎo)致三相電壓不平衡的因素有很多，如單相接地短路或單相接零短路、零線斷路、單相斷線故障、非線性負(fù)載引起的諧振等，電氣運行人員要能夠快速、正確地分辨是哪種故障引起的，才能快速解決故障，保證電氣設(shè)備的運行安全。

3.1 單相接地短路或單相接零短路

如圖1所示，當(dāng)三相線路的某一項相接地或接零短路時，接地項的短路電流瞬間增大，保險將熔斷，但其他兩相的對地電壓仍為220V，能夠正常工作。單相接地雖引起三相電源不平衡，但未接地兩相電壓值不改變。單相接地短路或單相接零短路雖然對單相用電器不會造成太大的危害，但是對工業(yè)三相用電設(shè)備會造成嚴(yán)重的設(shè)備事故。工業(yè)三相用電情況下單相接地分為金屬性接地(單相直接接地或者接零)和非金屬性接地(零線斷線)兩種。金屬性接地故障，相電壓為零或接近零，非故障相電壓升高1.732倍，且持久不變；非金屬性接地故障，接地相電壓不為零而是降低為某一數(shù)值，其他兩相升高不到1.732倍，此種情況下對設(shè)備不會造成不可逆的傷害，只會造成設(shè)備停機無法正常運行，但是會造成中性點位移，使零線帶電，對設(shè)備維修人員維修設(shè)備時造成危險，增加維修設(shè)備的難度。

圖1 單相接地短路或單相接零短路示意圖Fig.1 Schematic diagram of single-phase grounding short circuit or single-phase zero-short circuit

3.2 單相斷線故障

如果單相斷線但未接地，斷路器、隔離開關(guān)某一相未接通或電壓互感器保險絲熔斷均可能造成三相參數(shù)不對稱。上一電壓等級線路一相斷線時，下一電壓等級的電壓表現(xiàn)為三相電壓均降低，其中某一相較其他二相均低，但電壓差值不大，故障現(xiàn)象不明顯；本級線路斷線時，斷線相電壓為零，未斷線相電壓仍為相電壓故障現(xiàn)象明顯。

3.3 非線性負(fù)載引起的諧振

隨著工業(yè)設(shè)備的飛速發(fā)展，非線性電力負(fù)荷逐年增加，大容量非線性電力負(fù)荷不僅會產(chǎn)生諧振，還會引起供電電壓的波動與閃變，甚至引起三相電壓不平衡。

3.3.1 基波諧振

發(fā)生基波諧振時，單相對地電壓將出現(xiàn)以下兩種現(xiàn)象：

①一相電壓下降(不為零)，兩相電壓升高至超過線電壓或電壓表頂表。

②兩相電壓下降(不為零)，一相電壓升高或電壓表頂表。

這兩種現(xiàn)象其單相對地電壓的過電壓均小于或等于3倍相電壓。

3.3.2 分頻諧振

發(fā)生分頻諧振時，三相對地電壓依相序次序輪流升高或同時升高，并在1.2～1.4倍相電壓間做低頻擺動，大約每秒一次。

例如，空母線投入運行開始充電時或單相接地故障消失時，若光字牌出現(xiàn)系統(tǒng)單相接地信號，且一相、兩相或三相電壓超過線電壓，電壓表指針打到頭，并同時緩慢移動，亦或三相電壓輪流升高直至超過線電壓。類似情況一般均屬諧振引起。

3.4 三相用電負(fù)荷的不合理分配

很多電氣施工人員并沒有專業(yè)的三相用電負(fù)荷平衡的概念，因此在電氣安裝的時候并沒有意識到要控制三相負(fù)荷平衡，只是盲目和隨意地進行電路的安裝接線，這在一定程度上造成了三相負(fù)荷的不平衡。其次，我國的大多數(shù)用電線路都是動力和照明共用的，所以在使用單相的用電設(shè)備時，用電的效率就會降低，這樣的差異進一步加劇了配電變壓器三相負(fù)荷的不平衡狀況。當(dāng)然客觀地說，也不能一概做到三相負(fù)荷完全平衡，例如居民小區(qū)的三相負(fù)荷情況需要根據(jù)小區(qū)居民的入住率來決定，并不能做到三相當(dāng)中每一相的用戶數(shù)量相同。

這也說明用電負(fù)荷是在不斷變化的，其原因在于臨時用電和季節(jié)性用電的不穩(wěn)定性。這樣在總量上和時間上的不確定和不集中性使得用電的負(fù)荷也不得不跟隨實際情況而變化[2]。

4 三相不平衡的危害

三相不平衡的危害是多方面的，主要有：①增加供電線路的電能損耗；②增加配電變壓器的電能損耗；③配電變壓器功率減少；④配電變壓器內(nèi)部產(chǎn)生零序電流；⑤影響用電設(shè)備的安全運行；⑥電動機效率降低。

在配電網(wǎng)絡(luò)中，電流流過電網(wǎng)線路時，因存在阻抗，必將產(chǎn)生電能的損耗，其損耗與通過電流的平方成正比。由于電網(wǎng)中單相負(fù)載的存在，造成三相負(fù)載不平衡在所難免。三相四線制接線方式，當(dāng)三相負(fù)荷平衡時線損最小；當(dāng)一相負(fù)荷重，兩相負(fù)荷輕的情況下線損增量較??；當(dāng)一相負(fù)荷重，一相負(fù)荷輕，而第三相的負(fù)荷為平均負(fù)荷的情況下線損增量較大；當(dāng)一相負(fù)荷輕，兩相負(fù)荷重的情況下線損增量最大。當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時，無論何種負(fù)荷分配情況，電流不平衡度越大，線損增量也越大，中性點位移也同樣越大，即中性線有電流通過。這樣不但相線有損耗，中性線也產(chǎn)生損耗，從而增加了電網(wǎng)線路的損耗。

配電變壓器是生產(chǎn)、生活用電的主要設(shè)備，當(dāng)其在三相負(fù)載不平衡的工況下運行時，變壓器也處于不對稱的運行狀態(tài)，會造成變壓器的損耗增大(包括空載損耗和負(fù)載損耗)。變壓器運行規(guī)程規(guī)定，在運行中的變壓器中性線電流不得超過變壓器低壓側(cè)額定電流的25%。此外，三相負(fù)載不平衡運行會造成變壓器零序電流過大，局部金屬件升溫增高，甚至導(dǎo)致變壓器燒毀。零序電流同樣會導(dǎo)致多種保護發(fā)生誤動作，直接威脅電網(wǎng)正常運行[3]。

同樣對發(fā)電機、變壓器而言，當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時，如果控制最大相電流為額定值，則其余兩相就不能滿載，因而造成設(shè)備利用率下降；反之如要維持額定容量，將會造成負(fù)荷較大的一相過電壓，而且還會出現(xiàn)磁路不平衡致使波形畸變、設(shè)備附加損耗增加等不良影響。

對三相異步電動機而言，三相電壓不平衡的發(fā)生將導(dǎo)致數(shù)倍電流不平衡的發(fā)生，不平衡電流存在著正序、負(fù)序、零序3個分量，其中負(fù)序分量誘導(dǎo)電動機中逆扭矩增加，從而使電動機的溫度上升、效率下降、能耗增加、發(fā)生震動、輸出虧耗等。所以三相異步電動機在三相電壓不平衡狀況下運行，是非常不經(jīng)濟和不安全的。

三相電壓不平衡會導(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)備維護的成本。如斷路器允許電流的余量會減少，當(dāng)負(fù)載變更或交替時容易發(fā)生超載、短路現(xiàn)象。

5 三相不平衡的解決辦法

5.1 注重對三相負(fù)荷的合理分配

電力系統(tǒng)的平衡不是絕對的，只能盡力做到相對的平衡。在對三相負(fù)荷的分配問題上，電力設(shè)計安裝人員應(yīng)當(dāng)在實際工作中對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行認(rèn)真檢測和分析，達到在一定程度上預(yù)測用電負(fù)荷的狀態(tài)。另外，根據(jù)實際運行中負(fù)荷的不同情況，適當(dāng)調(diào)整接線方式也對合理分配三相負(fù)荷有一定的影響[4]。

配電變壓器的負(fù)荷實測工作看似簡單，但是在實際工作中有幾點需要注意，一是實測工作不能簡單地測量變壓器低壓側(cè)A、B、C三相引出線的相電流，而且要測量零線上的電流，或者是測量零線(排)對地電壓，從而可以更好地比較出三相負(fù)荷的不平衡情況；二是實測工作要向低壓配電線路的末端和分支端延伸，這樣可以進一步發(fā)現(xiàn)不平衡負(fù)荷的出現(xiàn)地點，確定調(diào)荷點；三是負(fù)荷實測工作既要定期開展也要不定期開展，尤其是在大容量負(fù)荷投運和在高峰負(fù)荷期間，要增加實測的次數(shù)，通過及時測量變壓器低壓出線側(cè)和接近用戶端的低壓線路側(cè)的電流，隨時了解設(shè)備運行工況，做好負(fù)荷的均衡合理分配。

5.2 對三相負(fù)荷中不平衡電流的治理方法

在一些工業(yè)電氣設(shè)備比較集中、軟啟動器和變頻器功率比較大的地方，或者電氣設(shè)備需要頻繁啟停的地方，可以增設(shè)調(diào)整不平衡電流的無功補償裝置來解決經(jīng)常出現(xiàn)的電網(wǎng)中的不平衡電流現(xiàn)象造成的各類后果。這樣的裝置不僅可以補償系統(tǒng)的無功，而且也起到調(diào)整不平衡電流的作用。

根據(jù)不平衡電流電納的補償原理(圖2)，在任何一個可以確定的時刻，只要出現(xiàn)了三相不接地的不平衡負(fù)載，那么其中的每一個相負(fù)載都可以等效為一個電阻和電容并聯(lián)的形式。因此，在電納補償理論的指導(dǎo)下，可以將不同性質(zhì)但符合補償原理的情況進行等效分析，以確定相間和相對地間的無功補償量。當(dāng)配電變壓器要進行不平衡電流的補償時，應(yīng)該滿足以下原則：一是需要注意到不平衡電流的治理應(yīng)當(dāng)首先補償功率因數(shù)，其次調(diào)節(jié)三相電流不平衡，這兩者共同確定了補償所需要的無功功率；二是在實際的工程施工時，應(yīng)當(dāng)采用全容性的治理方式，與電感補償相區(qū)分，避免出現(xiàn)嚴(yán)重過補償?shù)那闆r；三是需要考慮到負(fù)荷是會隨著時間變化而變化的，基于這種特性，補償量也應(yīng)該根據(jù)負(fù)荷的變化進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；四是表現(xiàn)在裝置開關(guān)和補償設(shè)備的投切次數(shù)的限制，要在設(shè)計時將全天的優(yōu)化方案進行策略的管理?？傊?，在進行比例調(diào)節(jié)系數(shù)的設(shè)置時，需要同時考慮功率因數(shù)限制條件以及過補償限制條件。

5.3 在低壓配電網(wǎng)公用主零線采用多點接地

在低壓配電網(wǎng)公用主零線采用多點接地，不僅能夠降低零線的電能損耗，避免因為負(fù)荷不平衡出現(xiàn)的零線電流產(chǎn)生的電壓嚴(yán)重危及人身安全，而且通過多點接地，能夠減低因為發(fā)熱等原因造成的零線斷股、斷線，防止用戶使用的相電壓升高，損壞用電設(shè)備。

圖2 三相不平衡補償原理圖Fig.2 Principle diagram of three-phase unbalance compensation

總的來講，電力系統(tǒng)三相不平衡的問題不容忽視，輕則影響設(shè)備使用年限、使用效率，重則直接導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至危及人身安全。所以，要從各個方面加強對電力系統(tǒng)三相不平衡問題的治理，改善電力系統(tǒng)運行環(huán)境，盡可能消除三相不平衡的影響，使配電線路更安全、更有效的運行。