三相不平衡的基本概念

三相不平衡是電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，雖然影響電力系統(tǒng)的因素有很多，但正常性不平衡的情況大多是因?yàn)槿嘣⒕€路參數(shù)或負(fù)荷不對(duì)稱。由于三相負(fù)荷的因素是不一定的，所以供電點(diǎn)的三相電壓和電流極易出現(xiàn)不平衡的現(xiàn)象，損耗線路。不僅如此，其對(duì)供電點(diǎn)上的電動(dòng)機(jī)也會(huì)造成不利的影響，危害電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。因此，如果三相不平衡超過(guò)了配電網(wǎng)可以承受的范圍，那么整體的電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行就會(huì)受到影響。

三相不平衡的基本概念

三相不平衡是指在電力系統(tǒng)中三相電流（或電壓）幅值不一致，且幅值差超過(guò)規(guī)定范圍。由于各相電源所加的負(fù)荷不均衡所致，屬于基波負(fù)荷配置問(wèn)題。發(fā)生三相不平衡即與用戶負(fù)荷特性有關(guān)，同時(shí)與電力系統(tǒng)的規(guī)劃、負(fù)荷分配也有關(guān)。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，三相平衡主要指的是三相的電壓相量的大小相等，而且如果按照A、B、C的順序進(jìn)行排列，他們兩兩之間構(gòu)成的角度都為2n/3。而三相不平衡就是指相量大小、角度的不一致。《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-1995)適用于交流額定頻率為 50 赫茲。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，由于負(fù)序分量而引起的 PCC 點(diǎn)連接點(diǎn)的電壓不平衡。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常運(yùn)行方式下不平衡度允許值為 2%，短時(shí)間不得超過(guò) 4%。 圖例：

理想的三相波形圖與不平衡時(shí)的三相波形圖

三相電流不平衡度計(jì)算方法一般有以下常用的兩個(gè)公式：

不平衡度%=（最大電流-最小電流）/最大電流×100%

不平衡度%=（MAX相電流-三相平均電流）/三相平均電流×100%

舉個(gè)例子：

三相電流分別為IA=9A IB=8A IC=4A，則三相平均電流為7A，相電流-三相平均電流分別為2A 1A 3A，取差值最大那個(gè)，故MAX（相電流-三相平均電流）=3A，所以三相電流不平衡度=3/7。

引起三相不平衡的原因有哪些？

引起三相電壓不平衡的原因有多種，如：?jiǎn)蜗嘟拥亍嗑€諧振等，運(yùn)行管理人員只有將其正確區(qū)分開(kāi)來(lái)，才能快速處理。

1. 斷線故障

如果一相斷線但未接地，或斷路器、隔離開(kāi)關(guān)一相未接通，電壓互感器保險(xiǎn)絲熔斷均造成三相參數(shù)不對(duì)稱。上一電壓等級(jí)線路一相斷線時(shí)，下一電壓等級(jí)的電壓表現(xiàn)為三個(gè)相電壓都降低，其中一相較低，另兩相較高但二者電壓值接近。本級(jí)線路斷線時(shí)，斷線相電壓為零，未斷線相電壓仍為相電壓。

2. 接地故障

當(dāng)線路一相斷線并單相接地時(shí)，雖引起三相電壓不平衡，但接地后電壓值不改變。單相接地分為金屬性接地和非金屬性接地兩種。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，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。

3. 諧振原因

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，非線性電力負(fù)荷大量增加，某些負(fù)荷不僅產(chǎn)生諧波，還引起供電電壓波動(dòng)與閃變，甚至引起三相電壓不平衡。

諧振引起三相電壓不平衡有兩種：

（1）基頻諧振

基頻諧振，特征類似于單相接地，即一相電壓降低，另兩相電壓升高，查找故障原因時(shí)不易找到故障點(diǎn)，此時(shí)可檢查特殊用戶，若不是接地原因，可能就是諧振引起的。

（2）分頻諧振

另一種是分頻諧振或高頻諧振，特征是三相電壓同時(shí)升高。
另外，還要注意，空投母線切除部分線路或單相接地故障消失時(shí)，如出現(xiàn)接地信號(hào)，且一相、兩相或三相電壓超過(guò)線電壓，電壓表指針打到頭，并同時(shí)緩慢移動(dòng)，或三相電壓輪流升高超過(guò)線電壓，遇到這種情況，一般均屬諧振引起。

4. 三相負(fù)荷的不合理分配

很多的裝表接電的工作人員并沒(méi)有專業(yè)的對(duì)于三相負(fù)荷平衡的知識(shí)概念，因此在接電的時(shí)候并沒(méi)有注意到要控制三相負(fù)荷平衡，只是盲目和隨意的進(jìn)行電路的接電荷裝表，這在很大程度上造成了三相負(fù)荷的不平衡。其次，我國(guó)的大多數(shù)電路都是動(dòng)力和照明混為一體的，所以在使用單相的用電設(shè)備時(shí)，用電的效率就會(huì)降低，這樣的差異進(jìn)一步加劇了配電變壓器三相負(fù)荷的不平衡狀況。

5. 用電負(fù)荷的不斷變化

造成用電負(fù)荷不穩(wěn)定的原因包括了地II經(jīng)常出現(xiàn)的拆遷，移表或者用電用戶的增加；臨時(shí)用電和季節(jié)性用電的不穩(wěn)定性。這樣在總量上和時(shí)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(shí)際情況而變化。

6. 對(duì)于配變負(fù)荷的監(jiān)視力度的削弱

在配電網(wǎng)的管理上，經(jīng)常會(huì)忽略三相負(fù)荷分配中的管理問(wèn)題。在配電網(wǎng)的檢測(cè)上，對(duì)配電變壓器的三相負(fù)荷也沒(méi)有進(jìn)行定期的檢測(cè)和調(diào)整。除此之外，還有很多因素造成了三相不平衡的現(xiàn)象，例如線路的影響以及三相負(fù)荷矩的不相等等。

三相不平衡有哪些危害？

1、增加線路的電能損耗

在三相四線制供電網(wǎng)絡(luò)中，電流通過(guò)線路導(dǎo)線時(shí)，因存在阻抗必將產(chǎn)生電能損耗，其損耗與通過(guò)電流的平方成正比。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)以三相四線制供電時(shí)，由于有單相負(fù)載存在，造成三相負(fù)載不平衡在所難免。當(dāng)三相負(fù)載不平衡運(yùn)行時(shí)，中性線即有電流通過(guò)。這樣不但相線有損耗，而且中性線也產(chǎn)生損耗，從而增加了電網(wǎng)線路的損耗。

2、增加配電變壓器的電能損耗

配電變壓器是低壓電網(wǎng)的供電主設(shè)備，當(dāng)其在三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行時(shí)，將會(huì)造成配變損耗的增加。因?yàn)榕渥兊墓β蕮p耗是隨負(fù)載的不平衡度而變化的。

3、配變出力減少

配變?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，其繞組結(jié)構(gòu)是按負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的，其繞組性能基本一致，各相額定容量相等。配變的最大允許出力要受到每相額定容量的限制。假如當(dāng)配變處于三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行，負(fù)載輕的一相就有富余容量，從而使配變的出力減少。其出力減少程度與三相負(fù)載的不平衡度有關(guān)。三相負(fù)載不平衡越大，配變出力減少越多。為此，配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，其輸出的容量就無(wú)法達(dá)到額定值，其備用容量亦相應(yīng)減少，過(guò)載能力也降低。假如配變?cè)谶^(guò)載工況下運(yùn)行，即極易引發(fā)配變發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐膳渥儫龘p。

4、配變產(chǎn)生零序電流

配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡工況下運(yùn)行，將產(chǎn)生零序電流，該電流將隨三相負(fù)載不平衡的程度而變化，不平衡度越大，則零序電流也越大。運(yùn)行中的配變?nèi)舸嬖诹阈螂娏?，則其鐵芯中將產(chǎn)生零序磁通。(高壓側(cè)沒(méi)有零序電流)這迫使零序磁通只能以油箱壁及鋼構(gòu)件作為通道通過(guò)，而鋼構(gòu)件的導(dǎo)磁率較低，零序電流通過(guò)鋼構(gòu)件時(shí)，即要產(chǎn)生磁滯和渦流損耗，從而使配變的鋼構(gòu)件局部溫度升高發(fā)熱。配變的繞組絕緣因過(guò)熱而加快老化，導(dǎo)致設(shè)備壽命降低。同時(shí)，零序電流的存也會(huì)增加配變的損耗。

5、影響用電設(shè)備的安全運(yùn)行

配變是根據(jù)三相負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的，其每相繞組的電阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。當(dāng)配變?cè)谌嘭?fù)載平衡時(shí)運(yùn)行，其三相電流基本相等，配變內(nèi)部每相壓降也基本相同，則配變輸出的三相電壓也是平衡的。假如配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，其各相輸出電流就不相等，其配變內(nèi)部三相壓降就不相等，這必將導(dǎo)致配變輸出電壓三相不平衡。同時(shí)，配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，三相輸出電流不一樣，而中性線就會(huì)有電流通過(guò)。因而使中性線產(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接帶的用戶用電設(shè)備燒壞，而電壓低的一相接帶的用戶用電設(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。

6、電動(dòng)機(jī)效率降低

配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡工況下運(yùn)行，將引起輸出電壓三相不平衡。由于不平衡電壓存在著正序、負(fù)序、零序三個(gè)電壓分量，當(dāng)這種不平衡的電壓輸入電動(dòng)機(jī)后，負(fù)序電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與正序電壓產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相反，起到制動(dòng)作用。但由于正序磁場(chǎng)比負(fù)序磁場(chǎng)要強(qiáng)得多，電動(dòng)機(jī)仍按正序磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。而由于負(fù)序磁場(chǎng)的制動(dòng)作用，必將引起電動(dòng)機(jī)輸出功率減少，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫升和無(wú)功損耗，也將隨三相電壓的不平衡度而增大。所以電動(dòng)機(jī)在三相電壓不平衡狀況下運(yùn)行，是非常不經(jīng)濟(jì)和不安全的。

如何改進(jìn)三相不平衡？

01

注重對(duì)三相負(fù)荷的合理分配

在對(duì)三相負(fù)荷的分配問(wèn)題上，電力工作人員應(yīng)當(dāng)在實(shí)際的工作中將相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真的采集和記錄，達(dá)到能夠在一定程度上預(yù)測(cè)用電負(fù)荷的狀態(tài)。其次，可以通過(guò)裝設(shè)平衡裝置的方式來(lái)達(dá)到更好三相平衡的分配問(wèn)題。在一些采用低壓三相四線制的地g,可以增設(shè)調(diào)整不平衡電流無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)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(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功，而且也可以調(diào)整不平衡有功電流的作用。另外，根據(jù)實(shí)際情況中負(fù)荷矩的不同情況，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整接線方式也對(duì)合理分配三相負(fù)荷有一定的影響。

02

對(duì)三相負(fù)荷中不平衡電流的治理方法

根據(jù)不平衡電流電納的補(bǔ)償原理，在任何一個(gè)可以確定的時(shí)刻，主要出現(xiàn)了三相不接地的不平衡負(fù)載，那么他們中的每一個(gè)相負(fù)載都可以同一個(gè)電阻和電容形成并聯(lián)的形式。因此，在不平衡電流治理電納補(bǔ)償理論的指導(dǎo)下，可以將不同性質(zhì)符合的等效進(jìn)行分析，確定相間和相對(duì)地的無(wú)功補(bǔ)償量。當(dāng)配電變壓器要進(jìn)行不平衡電流的補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)該滿足一下的幾點(diǎn)原則。一是需要注意到電流的治理應(yīng)當(dāng)有兩個(gè)內(nèi)容，一個(gè)是補(bǔ)償功率因數(shù)，一個(gè)是調(diào)節(jié)三相電流不平衡，這兩者共同確定了補(bǔ)償所需要的無(wú)功功率。第二點(diǎn)，在實(shí)際的工程施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用全容性的治理方式，與電感補(bǔ)償相區(qū)分，避免出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r。第三點(diǎn)是需要考慮到負(fù)荷是會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化的，基于這種特性，補(bǔ)償量也應(yīng)該根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。第四點(diǎn)表現(xiàn)在裝置開(kāi)關(guān)和補(bǔ)償設(shè)備的投切次數(shù)的限制，要在設(shè)計(jì)時(shí)將全天的優(yōu)化方案進(jìn)行策略的管理?？傊谶M(jìn)行比例調(diào)節(jié)系數(shù)額設(shè)置時(shí)，需要同時(shí)考慮功率因數(shù)的限制條件以及過(guò)補(bǔ)償限制的條件。

03

增設(shè)對(duì)三相負(fù)荷的檢測(cè)調(diào)整

定期開(kāi)設(shè)對(duì)三相負(fù)荷的檢測(cè)工作也是非常必要的。在對(duì)三相符合的合理分配以及控制后，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)開(kāi)設(shè)檢測(cè)工作。電力的平衡不能是絕對(duì)的，只能是盡力做到相對(duì)的平衡，在實(shí)際的檢測(cè)工作中，各部門應(yīng)當(dāng)以國(guó)家和相關(guān)部門制定的平衡度的衡量指標(biāo)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，將檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行專業(yè)的記錄和分析，對(duì)各相的負(fù)荷電流進(jìn)行定期的檢測(cè)，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)一些三相的不平衡狀況。當(dāng)在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有安全隱患的部位，要及時(shí)的進(jìn)行調(diào)整和修改。對(duì)于檢測(cè)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的部位，也應(yīng)當(dāng)提高瞽惕。在檢測(cè)結(jié)束以后，不僅需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析，還要進(jìn)行及時(shí)的反饋。這里的反饋主要是指根據(jù)檢測(cè)結(jié)果推斷出的三相需要進(jìn)行的調(diào)整，以及對(duì)于新技術(shù)在三相中運(yùn)用的可能性預(yù)測(cè)。通過(guò)合理的檢測(cè)和對(duì)檢測(cè)結(jié)果的深入分析，我們可以在最大程度上避免不平衡現(xiàn)象的出現(xiàn)，降低用電事故的出現(xiàn)。

審核編輯 ：李倩