廣州供電局有限公司花都供電局 張 堯

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探討三相不平衡對(duì)電網(wǎng)造成的危害

廣州供電局有限公司花都供電局 張 堯

【摘要】電力系統(tǒng)的三相不平衡問(wèn)題一直是供電企業(yè)的難題, 三相不平衡對(duì)電氣設(shè)備和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有較大的危害和影響, 本文主要針對(duì)三相不平衡問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的研究，有效降低三相不平衡度，以提高電能質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】三相不平衡；負(fù)序分量；解決措施

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的全國(guó)用電總量也在突飛猛進(jìn)。據(jù)中新社報(bào)道,2011年我國(guó)全國(guó)用電量已經(jīng)突破4萬(wàn)億千瓦時(shí)，因此低壓配電網(wǎng)的建設(shè)及升級(jí)改造工程顯得尤其重要。而在低壓配電網(wǎng)中三相不平衡往往會(huì)產(chǎn)生很多負(fù)面影響，如增加電能的損耗，導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓漂移引起三相電壓不對(duì)稱(chēng)，配變出力減少并且產(chǎn)生零序電流等等，嚴(yán)重的甚至?xí)龎挠脩?hù)的用電器，造成經(jīng)濟(jì)的損失。三相不平衡不僅僅在配電網(wǎng)中產(chǎn)生不良的影響，更會(huì)影響到整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因?yàn)槿嗥胶馐钦麄€(gè)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)之一。通過(guò)對(duì)三相不平衡的研究，我們可以穩(wěn)定電網(wǎng)的運(yùn)行，減低電能的損耗，保證各類(lèi)用電器的安全使用，因此對(duì)于三相不平衡研究有著其十分重要的實(shí)際意義。

1　三相不平衡的基本概念

根據(jù)電工理論，多相系統(tǒng)可分為對(duì)稱(chēng)的和不對(duì)稱(chēng)的兩大類(lèi)。所謂對(duì)稱(chēng)的m相系統(tǒng)，是指各相電量(電動(dòng)勢(shì)、電壓或電流)大小相等、彼此的相位差均等于2π/m多相系統(tǒng)又可分為平衡的與不平衡的，前者功率瞬時(shí)值與時(shí)間無(wú)關(guān)，而后者功率瞬時(shí)值隨時(shí)間而變。我們所說(shuō)的三相不平衡主要是指在電力系統(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。

2　三相不平衡的危害

2.1對(duì)變壓器的危害

變壓器是電網(wǎng)中重要的組成部分，三相不平衡會(huì)使變壓器出現(xiàn)以下問(wèn)題：

(1)減少變壓器的出力。對(duì)三相變壓器來(lái)說(shuō)，其總輸出容量等于每相輸出的容量之和，即：

S=Su+Sv+Sw （1）

由于變壓器制造時(shí)候是按照對(duì)稱(chēng)運(yùn)行條件而設(shè)計(jì)的，其每相的參數(shù)都基本相同。因此，在三相不平衡狀態(tài)運(yùn)行下，變壓器總出力會(huì)受到負(fù)載最重一相的額定輸出容量的限制，導(dǎo)致變壓器的效率過(guò)低，同時(shí)減低其過(guò)載能力。

(2)增加變壓器的損耗，同時(shí)使其溫度上升，降低壽命。三相不平衡必然會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)部產(chǎn)生零序電流，零序磁通不能在鐵芯中閉合，需通過(guò)油箱壁閉合，因而零序電流引起的磁滯會(huì)使變壓器溫度上升過(guò)高，影響變壓器的正常運(yùn)行，降低其壽命。

2.2使導(dǎo)線溫度上升（線損上升）

導(dǎo)線有電流流過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的熱量，稱(chēng)為線損。線損也是當(dāng)今供電部門(mén)較為關(guān)注的問(wèn)題之一，配電網(wǎng)的三相不平衡問(wèn)題會(huì)使線損上升，浪費(fèi)電能的同時(shí)也會(huì)提高供電部門(mén)的供電成本，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)燒壞電氣設(shè)備，造成經(jīng)濟(jì)上的損失。

如圖1所示為三相平衡的輸電線路等效圖：

由于三相平衡，所以Ia=Ib=Ic且Io=0，此時(shí)系統(tǒng)的輸出功率為：

此時(shí)系統(tǒng)的線損為：

圖1　三相平衡輸電等效電路圖

若假設(shè)此系統(tǒng)三相極端不平衡，即系統(tǒng)僅由其中一相對(duì)外所有用戶(hù)輸出功率，B、C相開(kāi)路，且要保證系統(tǒng)的輸出功率不變（如圖2所示）：

圖2　輸電網(wǎng)三相極端不平衡等效電路圖

即：

得：

即此時(shí)系統(tǒng)的線損為：

P1`是三相不平衡時(shí)的輸出功率；

△P`是三相不平衡時(shí)的線損。

零線電阻為2R1是由于一般情況下零線橫截面積是火線橫截面積的二分之一。

由此得出在保證用戶(hù)數(shù)量不變，輸出功率不變的情況下，極端三相不平衡的線損是三相平衡線損的9倍。因此降低三相不平衡度，有助降低配電線路的線損，降低成本，減少電能損耗。

2.3引起中性點(diǎn)電壓漂移

如圖3所示，當(dāng)輸電線路三相對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)，中心點(diǎn)電壓UN=0；當(dāng)三相不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)，UN≠0，且UN的大小和三相電壓不平衡度有關(guān)，三相電壓不平衡度越大，UN的值越大，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題。而根據(jù)中國(guó)電力工業(yè)部編撰的《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定：運(yùn)行中的變壓器的中性點(diǎn)電流不得超過(guò)額定電流的25%，當(dāng)變壓器負(fù)荷極不平衡時(shí)，變壓器中性點(diǎn)UN在零線上產(chǎn)生的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，由于電流具有熱效應(yīng)，這樣極容易導(dǎo)致零線因發(fā)熱而燒斷，導(dǎo)致?lián)p壞電力設(shè)備。

圖3　中性點(diǎn)電壓偏移相量圖

假定一個(gè)三相不平衡電路，其參數(shù)如圖4所示：

設(shè)節(jié)點(diǎn)N的節(jié)點(diǎn)電壓為UN，基于基爾霍夫電流定律，可知：

聯(lián)合上面式子得：

圖4　三相不平衡網(wǎng)絡(luò)引起電壓偏移

而在日常的生活當(dāng)中，因中性線電流過(guò)大而導(dǎo)致中性線燒斷的事故常有發(fā)生，如下圖5所示：當(dāng)中性線斷線時(shí)，原來(lái)接在A相的燈泡甲與接在B相的燈泡乙就串聯(lián)在一起，380V的線電壓UAB就直接加在甲燈與乙燈上，由于超出額定電壓，這樣會(huì)容易導(dǎo)致電阻較小或者額定功率較小的燈泡燒毀。

圖5　三相不平衡引起中性線燒斷

3　結(jié)語(yǔ)

就目前而言，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(hù)用電設(shè)備燒壞，而電壓低的一相接帶的用戶(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。

三相電壓不平衡的發(fā)生將導(dǎo)致達(dá)到數(shù)倍電流不平衡的發(fā)生。誘導(dǎo)電動(dòng)機(jī)中逆扭矩增加，從而使電動(dòng)機(jī)的溫度上升，效率下降，能耗增加，發(fā)生震動(dòng)，輸出虧耗等影響。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。因此，我們應(yīng)該對(duì)三相不平衡問(wèn)題進(jìn)行積極的研究，有效降低三相不平衡度，提高電能質(zhì)量。