李志庚

(天津泰达水业有限公司 天津300457)

1 三相不平衡的基本概念

在供电线路中，三相平衡主要指三相交流电的电压相等，频率均为50Hz，初始角两两之间构成度数都为120°。三相不平衡是指在电力系统中三相电压(或电流)大小不一致，且初始角超过规定的范围。发生三相不平衡既与终端负荷特性有关，也与电力系统的规划、负荷的分配有关。在三相电源对称的情况下，可以根据中性点位移的情况来判断负载端不对称程度。当中性点位移超过一定程度时，会造成负载相电压严重不对称，使负载的工作状态不正常。GB/T15543—1995《电能质量三相电压允许不平衡度》适用于交流额定频率为50Hz的电力系统正常运行方式下，由负序分量所引起的公共连接点的电压不平衡。该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%[4]。

2 三相不平衡度的计算

三相电流不平衡度计算方法一般有以下常用的2个公式：

举例说明：

若三相电流分别为Ia＝12A，Ib＝10A，Ic＝9A，则三相平均电流为10.3A。

代入公式(1)：(12-9)/12×100%＝25%

代入公式(2)：(12-10.3)/10.3×100%＝22%

3 影响三相不平衡的因素

导致三相电压不平衡的因素有很多，如单相接地短路或单相接零短路、零线断路、单相断线故障、非线性负载引起的谐振等，电气运行人员要能够快速、正确地分辨是哪种故障引起的，才能快速解决故障，保证电气设备的运行安全。

3.1 单相接地短路或单相接零短路

如图1所示，当三相线路的某一项相接地或接零短路时，接地项的短路电流瞬间增大，保险将熔断，但其他两相的对地电压仍为220V，能够正常工作。单相接地虽引起三相电源不平衡，但未接地两相电压值不改变。单相接地短路或单相接零短路虽然对单相用电器不会造成太大的危害，但是对工业三相用电设备会造成严重的设备事故。工业三相用电情况下单相接地分为金属性接地(单相直接接地或者接零)和非金属性接地(零线断线)两种。金属性接地故障，相电压为零或接近零，非故障相电压升高1.732倍，且持久不变；非金属性接地故障，接地相电压不为零而是降低为某一数值，其他两相升高不到1.732倍，此种情况下对设备不会造成不可逆的伤害，只会造成设备停机无法正常运行，但是会造成中性点位移，使零线带电，对设备维修人员维修设备时造成危险，增加维修设备的难度。

图1 单相接地短路或单相接零短路示意图Fig.1 Schematic diagram of single-phase grounding short circuit or single-phase zero-short circuit

3.2 单相断线故障

如果单相断线但未接地，断路器、隔离开关某一相未接通或电压互感器保险丝熔断均可能造成三相参数不对称。上一电压等级线路一相断线时，下一电压等级的电压表现为三相电压均降低，其中某一相较其他二相均低，但电压差值不大，故障现象不明显；本级线路断线时，断线相电压为零，未断线相电压仍为相电压故障现象明显。

3.3 非线性负载引起的谐振

随着工业设备的飞速发展，非线性电力负荷逐年增加，大容量非线性电力负荷不仅会产生谐振，还会引起供电电压的波动与闪变，甚至引起三相电压不平衡。

3.3.1 基波谐振

发生基波谐振时，单相对地电压将出现以下两种现象：

①一相电压下降(不为零)，两相电压升高至超过线电压或电压表顶表。

②两相电压下降(不为零)，一相电压升高或电压表顶表。

这两种现象其单相对地电压的过电压均小于或等于3倍相电压。

3.3.2 分频谐振

发生分频谐振时，三相对地电压依相序次序轮流升高或同时升高，并在1.2～1.4倍相电压间做低频摆动，大约每秒一次。

例如，空母线投入运行开始充电时或单相接地故障消失时，若光字牌出现系统单相接地信号，且一相、两相或三相电压超过线电压，电压表指针打到头，并同时缓慢移动，亦或三相电压轮流升高直至超过线电压。类似情况一般均属谐振引起。

3.4 三相用电负荷的不合理分配

很多电气施工人员并没有专业的三相用电负荷平衡的概念，因此在电气安装的时候并没有意识到要控制三相负荷平衡，只是盲目和随意地进行电路的安装接线，这在一定程度上造成了三相负荷的不平衡。其次，我国的大多数用电线路都是动力和照明共用的，所以在使用单相的用电设备时，用电的效率就会降低，这样的差异进一步加剧了配电变压器三相负荷的不平衡状况。当然客观地说，也不能一概做到三相负荷完全平衡，例如居民小区的三相负荷情况需要根据小区居民的入住率来决定，并不能做到三相当中每一相的用户数量相同。

这也说明用电负荷是在不断变化的，其原因在于临时用电和季节性用电的不稳定性。这样在总量上和时间上的不确定和不集中性使得用电的负荷也不得不跟随实际情况而变化[2]。

4 三相不平衡的危害

三相不平衡的危害是多方面的，主要有：①增加供电线路的电能损耗；②增加配电变压器的电能损耗；③配电变压器功率减少；④配电变压器内部产生零序电流；⑤影响用电设备的安全运行；⑥电动机效率降低。

在配电网络中，电流流过电网线路时，因存在阻抗，必将产生电能的损耗，其损耗与通过电流的平方成正比。由于电网中单相负载的存在，造成三相负载不平衡在所难免。三相四线制接线方式，当三相负荷平衡时线损最小；当一相负荷重，两相负荷轻的情况下线损增量较小；当一相负荷重，一相负荷轻，而第三相的负荷为平均负荷的情况下线损增量较大；当一相负荷轻，两相负荷重的情况下线损增量最大。当三相负荷不平衡时，无论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大，线损增量也越大，中性点位移也同样越大，即中性线有电流通过。这样不但相线有损耗，中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。

配电变压器是生产、生活用电的主要设备，当其在三相负载不平衡的工况下运行时，变压器也处于不对称的运行状态，会造成变压器的损耗增大(包括空载损耗和负载损耗)。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，三相负载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，甚至导致变压器烧毁。零序电流同样会导致多种保护发生误动作，直接威胁电网正常运行[3]。

同样对发电机、变压器而言，当三相负荷不平衡时，如果控制最大相电流为额定值，则其余两相就不能满载，因而造成设备利用率下降；反之如要维持额定容量，将会造成负荷较大的一相过电压，而且还会出现磁路不平衡致使波形畸变、设备附加损耗增加等不良影响。

对三相异步电动机而言，三相电压不平衡的发生将导致数倍电流不平衡的发生，不平衡电流存在着正序、负序、零序3个分量，其中负序分量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。所以三相异步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。

三相电压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。如断路器允许电流的余量会减少，当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象。

5 三相不平衡的解决办法

5.1 注重对三相负荷的合理分配

电力系统的平衡不是绝对的，只能尽力做到相对的平衡。在对三相负荷的分配问题上，电力设计安装人员应当在实际工作中对相关的数据进行认真检测和分析，达到在一定程度上预测用电负荷的状态。另外，根据实际运行中负荷的不同情况，适当调整接线方式也对合理分配三相负荷有一定的影响[4]。

配电变压器的负荷实测工作看似简单，但是在实际工作中有几点需要注意，一是实测工作不能简单地测量变压器低压侧A、B、C三相引出线的相电流，而且要测量零线上的电流，或者是测量零线(排)对地电压，从而可以更好地比较出三相负荷的不平衡情况；二是实测工作要向低压配电线路的末端和分支端延伸，这样可以进一步发现不平衡负荷的出现地点，确定调荷点；三是负荷实测工作既要定期开展也要不定期开展，尤其是在大容量负荷投运和在高峰负荷期间，要增加实测的次数，通过及时测量变压器低压出线侧和接近用户端的低压线路侧的电流，随时了解设备运行工况，做好负荷的均衡合理分配。

5.2 对三相负荷中不平衡电流的治理方法

在一些工业电气设备比较集中、软启动器和变频器功率比较大的地方，或者电气设备需要频繁启停的地方，可以增设调整不平衡电流的无功补偿装置来解决经常出现的电网中的不平衡电流现象造成的各类后果。这样的装置不仅可以补偿系统的无功，而且也起到调整不平衡电流的作用。

根据不平衡电流电纳的补偿原理(图2)，在任何一个可以确定的时刻，只要出现了三相不接地的不平衡负载，那么其中的每一个相负载都可以等效为一个电阻和电容并联的形式。因此，在电纳补偿理论的指导下，可以将不同性质但符合补偿原理的情况进行等效分析，以确定相间和相对地间的无功补偿量。当配电变压器要进行不平衡电流的补偿时，应该满足以下原则：一是需要注意到不平衡电流的治理应当首先补偿功率因数，其次调节三相电流不平衡，这两者共同确定了补偿所需要的无功功率；二是在实际的工程施工时，应当采用全容性的治理方式，与电感补偿相区分，避免出现严重过补偿的情况；三是需要考虑到负荷是会随着时间变化而变化的，基于这种特性，补偿量也应该根据负荷的变化进行适当的调整；四是表现在装置开关和补偿设备的投切次数的限制，要在设计时将全天的优化方案进行策略的管理。总之，在进行比例调节系数的设置时，需要同时考虑功率因数限制条件以及过补偿限制条件。

5.3 在低压配电网公用主零线采用多点接地

在低压配电网公用主零线采用多点接地，不仅能够降低零线的电能损耗，避免因为负荷不平衡出现的零线电流产生的电压严重危及人身安全，而且通过多点接地，能够减低因为发热等原因造成的零线断股、断线，防止用户使用的相电压升高，损坏用电设备。

图2 三相不平衡补偿原理图Fig.2 Principle diagram of three-phase unbalance compensation

总的来讲，电力系统三相不平衡的问题不容忽视，轻则影响设备使用年限、使用效率，重则直接导致设备损坏，甚至危及人身安全。所以，要从各个方面加强对电力系统三相不平衡问题的治理，改善电力系统运行环境，尽可能消除三相不平衡的影响，使配电线路更安全、更有效的运行。