电力变压器三相电流不平衡危害及对策

电力变压器三相电流不平衡危害及对策

刘辉

(佛山市华鸿铜管有限公司)

摘要：本文主要讲述电力变压器三相负荷不平衡的原因、危害及对策。

关键词：三相负荷不平衡原因;危害;能源系统;对策

一、前言

在我们日常工作中,常会遇到电力变压器三相电流不平衡的异常情况,为保证电力系统安全平稳运行,必须了解电力变压器三相负荷不平衡的原因及对电力系统的危害.本文针对电力变压器三相负荷不平衡的原因、危害及对策作分析和研究.

二、电力变压器三相负荷不平衡的原因

目前公司主要大功率设备为水平熔铸炉及半连铸炉,炉子为单相可调压熔炉(炉子分为熔化区和保温区),生产时因工艺不同而调节不同档位进行加温熔化,因此产生用电负荷不平衡.

三、电力变压器三相负荷不平衡的危害

1.对配电变压器的影响

（1）电力变压器三相负荷不平衡将增加变压器的损耗：变压器的损耗包括空载损耗和负荷损耗。正常情况下变压器运行电压基本不变，即空载损耗是一个恒量。而负荷损耗则随变压器运行负荷的变化而变化，且与负荷电流的平方成正比。当三相负荷不平衡运行时，变压器的负荷损耗可看成三只单相变压器的负荷损耗之和。

从数学定理中我们知道：假设a、b、c3个数都大于或等于零，那么a+b+c≥33√abc。

当a=b=c时，代数和a+b+c取得最小值：a+b+c＝33√abc。

因此我们可以假设变压器的三相损耗分别为：Qa＝Ia2R、Qb=Ib2R、Qc=Ic2R，式中Ia、Ib、Ic分别为变压器二次负荷相电流，R为变压器的相电阻。则变压器的损耗表达式如下：

Qa+Qb+Qc≥33√［（Ia2R）（Ib2R）（Ic2R）］

由此可知，变压器的在负荷不变的情况下，当Ia=Ib=Ic时，即三相负荷达到平衡时，变压器的损耗最小。

变压器损耗：

当变压器三相平衡运行时，即Ia=Ib=Ic=I时，Qa＋Qb＋Qc=3I2R；

当变压器运行在最大不平衡时，即Ia=3I，Ib=Ic＝0时，Qa=(3I)2R=9I2R=3(3I2R)；

即最大不平衡时的变损是平衡时的3倍。

（2）电力变压器三相负荷不平衡可能造成烧毁变压器的严重后果：上述不平衡时重负荷相电流过大（增为3倍），超载过多，可能造成绕组和变压器油的过热。绕组过热，绝缘老化加快；变压器油过热，引起油质劣化，迅速降低变压器的绝缘性能，减少变压器寿命（温度每升高8℃，使用年限将减少一半），甚至烧毁绕组。

（3）电力变压器三相负荷不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件温升增高：在三相负荷不平衡运行下的变压器，必然会产生零序电流，而变压器内部零序电流的存在，会在铁芯中产生零序磁通，这些零序磁通就会在变压器的油箱壁或其他金属构件中构成回路。但配电变压器设计时不考虑这些金属构件为导磁部件，则由此引起的磁滞和涡流损耗使这些部件发热，致使变压器局部金属件温度异常升高，严重时将导致变压器运行事故。

（4）有的各相负荷看上去比较接近，各相电流也较相近，但中性线电流却很大，甚至超过最大相电流，这是因三相负荷的性质不同所引起的。如某三相四线供电线路，测得相电压UA=UB=UC=220V，IA=IB=4A，IC=3.2A，IN=4.2A。为了验证IN的值，测得各相负荷的相位｜ΦA｜=｜ΦB｜=40°，ΦC=0°，则ZA和ZB中必有一相为感性，一相为容性。设ZA为感性，ZB为容性，向量图如图1所示。

｜IA＋IB｜=2cos20°IA=7.5（A）

则IN=｜IA＋IB＋IC｜=4.3（A），理论计算和仪表测量结果基本吻合，说明中性线电流大确因三相负荷的性质不同所引起。

2.对高压线路的影响

（1）增加高压线路损耗：低压侧三相负荷平衡时,6～10kV高压侧也平衡，设高压线路每相的电流为I，其功率损耗为：ΔP1=3I2R

低压电网三相负荷不平衡将反映到高压侧，在最大不平衡时，高压对应相为1.5I，另外两相都为0.75I，功率损耗为：ΔP2=2（0.75I）2R＋（1.5I）2R=3.375I2R=1.125（3I2R）；

即高压线路上电能损耗增加12.5％。

（2）增加高压线路跳闸次数、降低开关设备使用寿命：我们知道高压线路过流故障占相当比例，其原因是电流过大。低压电网三相负荷不平衡可能引起高压某相电流过大，从而引起高压线路过流跳闸停电，引发大面积停电事故，同时变电站的开关设备频繁跳闸将降低使用寿命。

3.对配电屏和低压线路的影响

（1）三相负荷不平衡将增加线路损耗：三相四线制供电线路，把负荷平均分配到三相上，设每相的电流为I，中线电流为零，其功率损耗为：ΔP1=3I2R

在最大不平衡时，即某相为3I，另外两相为零，中性线电流也为3I，功率损耗为：ΔP2=2（3I)2R=18I2R=6（3I2R)；即最大不平衡时的电能损耗是平衡时的6倍，换句话说，若最大不平衡时每月损失1200kWh，则平衡时只损失200kWh，由此可知调整三相负荷的降损潜力。

（2）三相负荷不平衡可能造成烧断线路、烧毁开关设备的严重后果：上述不平衡时重负荷相电流过大（增为3倍），超载过多。由于发热量Q＝0.24I2Rt，电流增为3倍，则发热量增为9倍，可能造成该相导线温度直线上升，以致烧断。且由于中性线导线截面一般应是相线截面的50％，但在选择时，有的往往偏小，加上接头质量不好，使导线电阻增大。中性线烧断的几率更高。

同理在配电屏上，造成开关重负荷相烧坏、接触器重负荷相烧坏，因而整机损坏等严重后果。

4.对用户的影响

三相负荷不平衡，一相或两相畸重，必将增大线路中的电压降，降低电能质量，影响公司其他用电的设备正常使用。或导致变压器烧毁、线路烧断、开关设备烧坏，影响公司其他供电，轻则带来不便，重则造成较大的经济损失。中性线烧断还可能造成用户大量低压电器被烧的事故。

四、能源系统

公司于2014年投入能效管理系统平台,能源管理平台能实时监控及查询历史用电数据,为提供能源管理数据分析及设备改造前后数据效果分析起到有效作用.我司半连铸炉供电变压器经常出现过载跳闸影响生产情况，通过能源系统监控数据,发现公司用电负荷严重三相不平衡.

对策一：

1、结合在线抄集系统数据，分析结论为半连铸炉4台全开时，A相电流比B.C相偏高，其中C相工作中电流最低，通过换相调整，日间用电三相电流基本偏差不大，夜间C相差较大，因半连铸炉是单相电炉，所以导致三相不平衡原因之一。下图是调整前后三相负荷用电对比:三相电流平衡状态监测:

图3调整前负荷曲电流数据图

从上图可以看到，八厂区1250千伏安变压器三相电流严重不平衡，其中A相电流达到了2005安，而B相电流1500安、C相电流只有1395安左右，A相电流比B高出接近500A、A相电流C相电流高出接近600A，A相电流长时间运行在1880安以上，已经超过1250千伏安变压器的额定电流1804安，容易导致变压器及其它用电设备的损坏。

调整前三相电流不平衡度计算:{（最大相的电流Imax-三相平均电流Ipj）/三相平均电流Ipj}×100％.即得出以下结果

[2005-(2005+1500+1395)/3]/(2005+1500+1395)/3*100%=23%

图4是调整后负荷电流曲线图

三相电流平衡状态监测:

图5换相后负荷曲电流数据图

上图是用电设备调整后的三相电流曲线，负荷较大时，三相电流分别运行在1490安、1540安、1615A左右，趋于较为合理的用电状态。

调整后三相电流不平衡度计算:{（最大相的电流Imax-三相平均电流Ipj）/三相平均电流Ipj}×100％.即得出以下结果:

[1615-(1490+1540+1615)/3]/(1490+1540+1615)/3*100%=4%

国家标准《GB/T15543-2008电能质量三相电压电流不平衡》的规定:为了保证变压器的合理运行，三相变压器每相负载的分配应保证在一天大部分时间和高峰负载期三相基本平衡。满足“三相负载电流不平衡度不大于15%”，中性线电流不得超过额定电流的25%的规定。

从上图数据分析，调整前电流平衡度是23%(超国家标准15%),调整后电流平衡度是4%(达到国家标准),换相后三相电流相间电流相差比换相之前少，目前是三3台炉，因炉是单相炉，开4台电流相差比较大，根据监控系统数据，查看全厂历史用电记录，进行数据分析，研究负荷调整分配方案，通过调整分配负荷相序,有效提高变压器利用率,降低变压器温升及改善供电质量,大大减少了设备工作中经常出现单相过载跳闸事故及减少电气维修人员的维修率，达到了预期改造的目的。

对策二

比较彻底的解决方法，单相调压器改为三相调压器，实现三相自动平衡补偿。

参考文献：

[1]《三相负荷不平衡的原因及危害》中国电力出版社

[2]《调整三相负荷不平衡的方法》中国电力出版社