摘要：三相负荷不平衡作为低压供电系统长期、客观存在的问题，其造成的影响广泛而深远。本文针对低压配电系统三相负荷不平衡实际状况出发，从变电、配电、用电等多方面对三相负荷不平衡所造成的影响作了相对全面的分析，并对当下实用的几种治理方法作了简述及点评，为电力部门治理三相负荷不平衡提供参考。
关键词：低压三相负荷不平衡、三相负荷不平衡危害、三相负荷不平衡治理
1 引言
三相不平衡是指在电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围。 由于各相电源所加的负荷不均衡所致，属于基波负荷配置问题。由于单相负荷或单相和三相负荷混用，并且负荷大小不同和用电时间的不同，加之负荷分配受地形及电工习惯影响。所以，电网中三相间的不平衡电流是客观存在的，并且这种用电不平衡状况无规律性，也无法事先预知，导致了低压供电系统三相负荷的长期性不平衡。
近年来，随着社会经济发展，各种电器的使用，居民用电负荷大增，而民用电使用的均为单相系统，所以配电系统三相负荷不平衡现象愈加严重，这不仅增加线路损耗和配变损耗，还会造成线路三相电压的不平衡，严重的影响电能质量和供电质量，同时也会加快配变的老化，减少配变的出力情况。
2 三相负荷不平衡的危害
1）增加线路的电能损耗
在三相四线制供电网络中，电流通过线路导线时，因存在阻抗必将产生电能损耗，其损耗与通过电流的平方成正比。当低压电网以三相四线制供电时，由于有单相负荷存在，造成三相负荷不平衡在所难免。当三相负荷不平衡运行时，中性线即有电流通过。这样不但相线有损耗，而且中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。
相关规程规定:三相四线制配电系统中，相线截面积S>35平方毫米时，中性线截面积不得小于S/2平方毫米，且中性线的允许截面积应满足线路中最大不平衡负荷电流需要。在以往配电线路设计、架设时，往往采取中性线截面积为相线截面积的1/2，而忽略了不平衡负荷电流对中性线的影响。假设治理前三相电流IA为300A，IB为0A，IC为0A，则中性线电流I0为300A，相线阻值为R，中性线阻值R0=2R。治理后I=IA=IB=IC=100A，中性线电流I0=0A。则治理前后线损为：
从上式可得，治理后线损为治理前的九分之一，通过三相不平衡治理，可大幅度减少配电线路电能损耗。
2）增加配电变压器的电能损耗
配电变压器是低压电网的供电主设备，当其在三相负荷不平衡工况下运行时，将会造成配变损耗的增加。因为配变的功率损耗是随负荷的不平衡度而变化的。
在生产、生活用电中，三相负荷不平衡时，使变压器处于不对称运行状态。造成变压器的损耗增大(包括空载损耗和负荷损耗)。根据变压器运行规程规定，在运行中的变压器中性线电流不得超过变压器低压侧额定电流的 25%。此外，三相负荷不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件升温增高，甚至会导致变压器烧毁。
3）配变出力减少
配变设计时，其绕组结构是按负荷平衡运行工况设计的，其绕组性能基本一致，各相额定容量相等。配变的最大允许出力要受到每相额定容量的限制。假如当配变处于三相负荷不平衡工况下运行，负荷轻的一相就有富余容量，从而使配变的出力减少。
其出力减少程度与三相负荷的不平衡度有关。三相负荷不平衡越大，配变出力减少越多。为此，配变在三相负荷不平衡时运行，其输出的容量就无法达到额定值，其备用容量亦相应减少，过载能力也降低。假如配变在过载工况下运行，即极易引发配变发热，严重时甚至会造成配变烧损。
4）配变产生零序电流
配变在三相负荷不平衡工况下运行，将产生零序电流，该电流将随三相负荷不平衡的程度而变化，不平衡度越大，则零序电流也越大。运行中的配变若存在零序电流，则其铁芯中将产生零序磁通。(高压侧没有零序电流)这迫使零序磁通只能以油箱壁及钢构件作为通道通过，而钢构件的导磁率较低，零序电流通过钢构件时，即要产生磁滞和涡流损耗，从而使配变的钢构件局部温度升高发热。配变的绕组绝缘因过热而加快老化，导致设备寿命降低。同时，零序电流的存也会增加配变的损耗。
5）影响用电设备的安全运行
配变是根据三相负荷平衡运行工况设计的，其每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。当配变在三相负荷平衡时运行，其三相电流基本相等，配变内部每相压降也基本相同，则配变输出的三相电压也是平衡的。
假如配变在三相负荷不平衡时运行，其各相输出电流就不相等，其配变内部三相压降就不相等，这必将导致配变输出电压三相不平衡。同时，配变在三相负荷不平衡时运行，三相输出电流不一样，而中性线就会有电流通过。因而使中性线产生阻抗压降，从而导致中性点漂移，致使各相相电压发生变化。负荷重的一相电压降低，而负荷轻的一相电压升高。在电压不平衡状况下供电，即容易造成电压高的一相接带的用户用电设备烧坏，而电压低的一相接带的用户用电设备则可能无法使用。所以三相负荷不平衡运行时，将严重危及用电设备的安全运行。
三相电压不平衡的发生将导致达到数倍电流不平衡的发生。诱导电动机中逆扭矩增加，从而使电动机的温度上升，效率下降，能耗增加，发生震动，输出亏耗等影响。各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速设备部件更换频率，增加设备维护的成本。断路器允许电流的余量减少，当负荷变更或交替时容易发生超载、短路现象。中性线中流入过大的不平衡电流，导致中性线增粗。
同时，由于电容器输出的无功功率随所加电压的平方而变化，供电电压降低10%，电容器输出的无功功率几乎减少19%，也就是说，用户为了改善功率因数而花了相当大的投资去装设电容器时，由于电压降低10%而几乎要失掉20%的投资效益。
6）电动机效率降低
配变在三相负荷不平衡工况下运行，将引起输出电压三相不平衡。由于不平衡电压存在着正序、负序、零序三个电压分量，当这种不平衡的电压输入电动机后，负序电压产生旋转磁场与正序电压产生的旋转磁场相反，起到制动作用。但由于正序磁场比负序磁场要强得多，电动机仍按正序磁场方向转动。而由于负序磁场的制动作用，必将引起电动机输出功率减少，从而导致电动机效率降低。同时，电动机的温升和无功损耗，也将随三相电压的不平衡度而增大。所以电动机在三相电压不平衡状况下运行，是非常不经济和不安全的。
3 治理方法
对于三相负荷不平衡，通常可采用以下几种方法进行治理：
1）均匀分布负荷
通过负荷调相，将不对称负荷分散到不同的供电点，减少集中连接导致的不平衡度超标。这种方法无须增加额外设备，通过管理手段将负荷尽量平均分配到各相，但由于各个用户的负荷量不一致且用电时间不一致，又不能人为控制，因此不能从根本上解决问题。
2）增加短路容量
将不对称负荷接到更高的电压等级上供电，使连接点的短路容量足够大，以提高系统承受不平衡的负荷能力。这种方法改善了三相不平衡的用电环境，但没有实质性的解决三相不平衡问题，且同样存在一个客观问题，用电设备都有自己的额定电压，一般正常运行所允许的电压偏差范围并不大，所以将负荷接到更高电压等级供电的方法不是很实际。
3）电力电子自动倒闸装置
在配变台区低压出口处安装总控装置，监测三相总电流，自动计算并遥控安装在各出线的“三进一出”开关，实现负荷接入相序的自动切改，从而解决负荷接入相位更改，从根本上改变三相负荷不平衡。但受地区配电网结构、接入场地及发展时间等限制，在行业内还没有统一的标准，其推广应用也受到了各地方独特情况的影响，特别是农网等单相长距离供电的使用环境，三相线并没有在一起，无法使用电力电子自动倒闸装置进行相位切换。
4）分相补偿电容器的不平衡治理装置
采用分相投切电容器以补偿各相的无功电流，从而达到三相平衡。△接和Y接支路在三相不平衡控制器的控制下，即可以接于相线与相线之间，也可以接于相线与零线之间。既可实现角形电容全投，也可以星形接法电容全投。该方法只能完全补偿三相负荷不平衡配电网的无功功率，对三相直接不平衡有功功率抑制作用相对较小。
5）基于SPWM技术的三相不平衡治理装置
基于正弦脉宽调制（SPWM）技术的三相不平衡治理装置通常安装于配电变压器低压出口处，采用外部电力互感器CT实时采样负荷电流，并将负荷电流信号传递给内部DSP，DSP通过分析判定是否处于平衡状态，并计算出各相平衡所需的电流值，驱动IGBT动作，将电流从电流大的相转移至电流小的相，以达到三相电流平衡。这种装置可跟踪电力系统负荷电流变化，实时响应并进行电流调节，可对装置接入点上端（接入点到变压器方向）电流进行有效平衡治理，对装置接入点下端（接入点到负荷方向）平衡治理效果较小。
图1 低压三相负荷不平衡装置的主电路
4 结束语
三相负荷不平衡作为低压供电系统长期、客观存在的问题，其造成的影响广泛而深远，探究三相负荷不平衡形成的原因，研究三相负荷不平衡治理的方法并针对不同情况加以合理利用，从而减少因三相负荷不平衡而造成的电能、电力设备损失变得越来越重要。本文从变电、配电、用电等多方面对三相负荷不平衡所造成的影响作了相对全面的分析，并对当下实用的几种治理方法作了简述及点评，为电力部门治理三相负荷不平衡提供参考。
论文作者:徐明
论文发表刊物:《电力设备》2016年第16期
论文发表时间:2016/11/8
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