三相负荷不平衡对配变低压侧电压的影响及对策分析

三相负荷不平衡对配变低压侧电压的影响及对策分析

李波杨睿

深圳供电局有限公司广东省深圳市518000

摘要：电力系统中三相电压不平衡主要是由负荷不平衡，系统三相阻抗不对称以及消弧线圈的不正确调谐所引起的。由于系统阻抗不对称而引起的背景电压不平衡度，很少超过0.5％。一般架空电网的不平衡度或不平衡电压不超出0.5％～1.5％的范围，其中1％以上的情况往往是分段的架空电网，其换位是在变电所母线上实现的。电缆线路的不对称度等于零，因为无论是三芯电缆或单芯电缆，各相心线对接地包皮来说都处于对称的位置。电力系统三相电压平衡的状况是电能质量的主要指标之一。

关键词：三相负荷；不平衡；低压测电压；影响；对策；分析

三相电压不平衡过大（超过标准值２％）将导致一系列问题。国标《电能质量三相电压允许不平衡度》（ＧＢ／Ｔ１５５４３－１９９５）是针对电力系统正常工况而制定的。标准规定了三相电压不平衡的允许值及其计算、测量和取值方法等。这是控制电网不平衡度的主要依据，这种不平衡是由三相负荷不对称引起的。电气化铁路、交流电弧炉、电焊机和单相负荷等均是三相不对称负荷。

在中性点不接地系统（６、１０、３５ｋＶ）中，当消弧线圈调谐不当，和系统对地电容处于串联谐振状态时，会引起中性点电压过高，从而引起三相对地电压的严重不平衡。《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（ＤＬ／Ｔ６２０－１９９７）规定，中性点电压位移率应小于15％相电压。需要指出，这种由零序电压引起的三相电压不平衡并不影响三相线电压的平衡性，因此,不影响用户的正常供电，但对输电线、变压器、互感器、避雷器等设备的安全是威胁的，也必须加以控制。

一、三相电压不平衡度标准----关于电压不平衡度的允许值。

国标《电能质量三相电压允许不平衡度》（ＧＢ／Ｔ１５５４３－１９９５）是电能质量系列标准之一。现将标准的主要内容作些介绍。

该标准规定了三相电压不平衡度的允许值及其计算、测量和取值方法。标准只适用于负序分量引起的不平衡场合，因为零序分量引起的不平衡基本上不影响旋转电机的正常运行，且国际上绝大多数有关不平衡的标准均是针对负序分量制定的。

此外，该标准只适用于电力系统正常运行方式下的电压不平衡。因此，故障方式引起的不平衡（例如：单相接地，两相短路故障等）不在考虑之列。由于电网中较严重的不平衡往往是由于单相或三相不平衡负荷所引起的，因此，标准的衡量点选在电网的公共连接点（PCC），以便在保证其他用户正常用电的基础上，给干扰源用户以最大的限值。实际上一个大用户（例如：钢铁企业）内部有多个连接点，负序干扰源在内部连接点上，引起的不平衡度一般大于在PCC上引起的不平衡度。

标准规定：电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。这是基于对重要用电设备（旋转电机）标准，电网电压不平衡度的实况调研，国外同类标准以及电磁兼容标准全面分析后选取的。

作为电能质量指标的电压不平衡度，在空间上和时间上均处于动态变化之中，从整体上表现出统计的特性，因此，标准中规定用95％概率大值作为衡量值。也就是说，标准中规定的“正常电压不平衡度允许值2％”是在测量时间95％内的限值，而剩余5％时间可以超过2％。过大的“非正常值”时间虽短，也会对电网和用电设备造成有害的干扰，特别是对有负序起动元件的快速动作继电保护和自动装置，容易引起误动。所以，标准中对最大的允许值作了“不得大于4％”的规定。

标准规定了对每个用户电压不平衡的一般限值为1.3％，这是参考了国外相关规定，并考虑到不平衡负荷是电网中少数特殊负荷而定的。但实际情况千差万别，因而，它还规定“根据连接点的负荷状况，邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，可作适当变动。”

二、三相电压不平衡度标准----三相平衡化的基本原理

将不平衡三相系统变换成平衡的三相系统时，在变换设备中应该设有能够暂时储存电磁能量的电感线圈和电容器元件。最简单的例子为图1（a）所示的单相电阻负荷R形成的不平衡三相系统，在其他两相分别适配电感和电容的电抗，如图1（b）所示，即可构成平衡的三相系统。该平衡的三相系统的相量图如图2所示。

由此可见，采用平衡化电路可将不平衡的三相系统，变换成平衡的三相系统。变压器三相电压不平衡的危害：

1．低压网损增大。根据均方根电流法，功率损失：ΔP＝3I2R·10-3经比较三相负载不平衡较平衡负载损失增大。

2．三相负载不平衡影响运行设备出力供电设备容量设计是以三相负载平衡条件确定的，如果三相负载不平衡，设备容量只能按三相负载中最大一相为限，因此，设备出力降低。例如：100kVA配电变压器，二次额定电流为144A，若IA＝144A、IB、IC分别为72A，配电变压器的出力只有67％。

3．三相负载不平衡，中性线电流增大，三相电压出现不平衡。三相负载不平衡，中性线有零序电流通过在铁芯中产生零序磁通，但得不到由一次侧来的磁通的抵消，并重迭在原有正相序的主磁通上。这个零序磁通会在一、二次侧线圈中感应出零序电势，并迭加在各相的端电压上，造成三相电压不对称，使中性点产生位移。

三相中那相负载大，那相电压就降低，而负载小的相相电压升高(正常运行中使用电焊机时，接电焊机一相相电压降低，另外，两相上的灯泡发生损坏现象，就是这个道理)。为此，规定中性线电流不得超过配电变压器二次额定电流的25％。如果控制中性线电流不超过25％，则中性点位移，不会严重影响到三相电压不对称。

4．中性线电流过大，使配电变压器运行温度升高，严重时，会将配电变压器损坏。当中性线电流过大时，零序电流所产生的零序磁通，会在油箱壁及钢结构件中通过，引起较大的电能损耗，从而，使配电变压器运行温度升高。

5．三相负载不平衡造成三相电压不平衡，影响电动机的输出功率，并使绕组温度升高。三相电压不平衡时，在感应电动机的定子中，便产生一个逆序旋转磁场，感应电动机在正、逆两个磁场的作用下运行。由于正序旋转磁场比逆序旋转磁场大，放电动机的旋转方向仍与正序方向相同，但转子逆序磁场的存在，而产生较大的逆序制动力矩，使电动机输出功率减少，绕组温度升高，从而危及电动机安全运行。

6．三相负载不平衡，影响电度表准确度，使电度表误差增大。在有功电度表,从三相二元件电度表的误差曲线图中得出，当曲线2(一相电流为零时的误差曲线)的位置平移，其平移的位置(程度)取决于三相负载的变化。

三、三相不平衡的解决办法

引起三相电压不平衡的原因有多种，如：单相接地、断；其一、断线故障如果一相断线但未接地，或断路器、隔离；其二、接地故障当线路一相断线并单相接地时，虽引起三；谐振原因随着工业的飞速发展，非线性电力负荷大量增；谐振引起三相电压不平衡有两种：一种是基频谐振，特征类似于单相接地，即，一相电压降；另一种是分频谐振或高频谐振。

1.针对配变平均负载率低于25%、电压波动过大的季节性“低电压”问题，可使用有载调容、调压配变；

2.新增台区配变在设计时充分考虑供电半径及负载大小、平衡分配；

3.对于出口电流不平衡度超过15%、负载率大于60%，且通过管理措施难于调整的配变台区，可加装三相不平衡自动调整装置来调整，尤其对于低电压谐波、电压闪变、无功补偿容量不足等多种因素，导致“低电压”问题，可配置低压静止无功发生器（LBSVG）；

4.对于由于供电半径过大，负荷过重导致的供电末端“低电压”问题，且通过增加无功补偿装置不能提高的，可加装低压线路调整装置；

5.由于三相负载不平衡导致某相电压过高，另一相末端电压低的台区，在通过管理措施难于调整的，可通过加装LINGBU系列-电网三相不平衡智能调节器（LBSTUR）来调整三相不平衡。领先技术团队研发的三相不平衡智能调节器，可以针对性解决三相不平衡问题，在补偿系统无功的同时，调整不平衡有功电流的作用。其理论结果可使三相功率因数均补偿至1，三相电流调整至平衡。实际应用表明，可使三相功率因数补偿到0.95以上，使不平衡电流调整到变压器额定电流的10％以内。

参考文献：

[1]周守昌.电路原理[M].第2版.北京：高等教育出版社，2004.

[2]谢连富，单铁铭.不平衡电流无功补偿方法的研究[J].继电器，2006,34（9）：76-79.