农村配电网三相负荷不平衡的危害和防范措施

作者：刘云志

来源：《职业圈》2007年第21期

        【摘要】低压电网三相负荷可能因多种原因导致不平衡，甚至不平衡度相当严重。三相负荷不平衡对配电变压器、线路均造成危害，降低安全水平、增大线损，导致设备损坏。为此，供电企业应尽力避免、纠正三相负荷不平衡。

        【关键词】农村配电网；三相负荷不平衡；降低损耗；安全供电

        【中图分类号】 TM713【文献标识码】A

        【文章编号】1671-5969（2007）21-0169-02

        农网改造中，采取了诸如将配电变压器设置在负荷中心、缩短供电半径、选用较大截面导线等措施，极大地改善了农村低压电网状况，构建了一个良好的电网“硬件”。但是，如果“软件”配套不好，尤其是三相负荷不平衡，那么就不能充分地发挥好“硬件”的潜力，以致低压电网网损偏高，电能质量和供电可靠性都大打折扣。

        一、三相负荷不平衡的原因

        低压电网三相负荷不平衡有以下几个原因：

        1．农网改造前，农村低压电网不在电业部门的必管范围，设备、线路状况极差，线损很高，上缴电费没完成涨电价，降损压力不大。 

        2．农网改造，规模大、任务重、时间紧，不可能面面俱到（如规划调平三相负荷）。 

        3．近年来，农村经济不断发展，农民生活水平不断提高，尤其是农网改造及“同网同价”实施后，大量的大功率家用电器进入寻常百姓家，例如空调、电热水器、电饭煲、电炒锅、电热水壶、小水泵等，单台容量大多数从几百瓦到几千瓦不等，而且都是采用单相220V电源供电，造成单相负荷激增；另一方面，随着工业的发展，农副业加工量减少，单相负荷已经跃升为农村电力负荷的“主力军”，据了解，现在一般农村单相负荷已占到总用电负荷的70％以上，比重相当大。面临这种单相负荷用电极大增长的情况，如果不注意三相平衡，可能会使低压电网的三相不平衡度很大，电网运行状况下降。

        二、三相负荷不平衡的危害

        1．对配电变压器的影响

        （1）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。空载损耗与高压侧电压的平方成正比，与负载大小、性质无关。正常情况下，变压器运行于额定电压，基本上不变化，因此变压器的空载损耗可以看成是一个恒量。而负荷损耗随负荷的变化而变化，与低压侧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以看成是3只单相变压器的负荷损耗之和。数学定理：当a、b、c三数均大于或等于零时，≥3 。（当a＝b＝c时，代数和取得最小值为3）。现在我们假设变压器的三相损耗分别是

        ＝ 、 ＝ 、 ＝，（式中： 、、是變压器低压侧各相的负荷电流，R是变压器的各相电阻），则变压器总的负荷损耗是＝ 。

        1）当变压器运行于三相负荷平衡时，负荷电流平均分配在三相上，即＝＝＝I，因此 ＝＝ ＝Q，此时 ＝ 

        ＋＋取得最小值为3＝3 。

        2）当变压器运行于三相负荷最大不平衡时，负荷电流全部在一相上，为3I，假设是A相，即＝3I，而另外两相B、C相电流为零，即 ＝＝0，此时 ＝ ＝＋＋＝ 

        ＝9。

        由1）、2）可见，变压器运行于三相负荷最大不平衡时的负荷损耗是平衡时的3倍。

        （2）三相负荷不平衡可能造成变压器烧毁的严重后果。当变压器运行于三相负荷不平衡时，重负荷相电流过大（最大达到平均相电流的3倍），如此大的相电流可能引起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，缩短变压器的使用寿命，甚至烧毁。

        （3）三相负荷不平衡运行会产生零序电流，使局部金属件温升升高。由于中性线的存在，运行于三相负荷不平衡的变压器，必然会产生零序电流，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。 

        2．对高压线路的影响

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

        ＝3。2）低压侧三相负荷不平衡将反映到高压侧，在最大不平衡时，高压对应相的电流为1.5I，另外两相均为0.75I，功率损耗为＝ ＋2×＝3.375 。

        由（1）、（2）可见，当三相负荷最大不平衡时，高压线路上电能损耗增加12.5％。

        （2）增加高压线路跳闸次数，缩短开关设备使用寿命。低压电网三相负荷不平衡引起高压侧某相电流过大，从而可能会引起高压线路过流跳闸停电，影响众多用户生产、生活用电。同时，变电站开关设备因频繁跳闸而缩短使用寿命。

        3．对低压线路的影响

        （1）三相负荷不平衡将增加线路损耗。三相四线制供电线路中：1）三相负荷平衡时，每相电流相等为I，中性线电流为零，功率损耗为＝3。2）三相负荷最大不平衡时，某一相电流为3I，另外两相为零，中性线电流也为3I，功率损耗为 ＝2× 

        ＝18。

        由1）、2）可见，低压线路最大不平衡时的电能损耗是平衡时的6倍。换言之，若最大不平衡时每月损失电能600kWh，则平衡时只损失100kWh，由此可知调整三相负荷的减损潜力。

        （2）三相负荷不平衡可能烧断线路。重负荷相电流过大（最大达到平均相电流的3倍），由于发热量 ＝0.24，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，直至烧断。而且由于中性线导线截面一般选取相线导线截面的50％，加上接头质量不好，使导线电阻增大，因此中性线烧断的几率更高。

        4．对供电企业的影响。供电企业直管到户，低压电网损耗增大，将降低供电企业的经济效益。农电工承包台区线损，线损高则经济利益受损，必然影响农电工情绪，轻则工作消极，重则违纪违法。

        变压器烧毁、线路烧断，一方面增大供电成本，另一方面停电检修、购货更换造成长时间停电、少供电，既降低供电企业的经济效益，又降低供电企业的声誉。

        5．对用户的影响。三相负荷不平衡，一相或两相畸重，必将增大线路的电压降，降低电能质量，影响用户的生产、生活用电。中性线烧断还可能造成用户大量低压电器烧毁的事故。

        三、三相负荷不平衡的防范措施

        1．原理。实际中，每相的用电负荷比较直观：动力线路三相平衡，而单相用户负荷有较大差异。每相的对地阻抗又由什么决定呢？三相动力线路一般质量较好，对地绝缘阻抗较高；而照明等单相负荷则用电线路情况复杂、质量低劣、绝缘程度差，使该相的对地阻抗显著降低，且用电户数越多，线路越密杂，则绝缘程度越差，使接带该类用户多相的对地阻抗降低越显著。 

        2．具体措施

        （1）从公用变出线至进户表电源侧的低压干线、分支线应尽量采用三相四线制，减少迂回，避免交叉跨越。

        （2）无论架空线路或电缆线路，相线与零线应按A、B、C、O采用不同颜色的导线或标识，并按一定顺序排列。

        （3）在低压线路架好、下线集装各户电能表前，要把配变下的单相负荷用电户统一规划，均衡地分配到低压线路的三相上，并记录在册。下线集表施工时要查对无误。表箱编号要注明相位，如“××线路×相××号”。

        （4）下线集表完工后，要核对低压电网实际运行三相负载是否在平衡度允许范围内，必要时做出调整。

        （5）在以后发展用户或变更用户时，要顾及三相平衡问题，在实际工作中形成常态机制，不断完善提高。

        总之，没有绝对的平衡，但要相对的平衡，以平衡度指标为限，在实际工作中加大负荷调查分析力度，将各配变各类负载最大、平均负荷及发展趋势记录在案，经常对配变负荷电流进行跟踪测试，及时发现不平衡超标情况，反馈负荷分析同时，不定期组织进行有针对性地调整。只有这样，才能从根本上控制不平衡现象发生，避免發生损坏用电设备等故障和事故。

        基于三相负荷不平衡对配电变压器、线路均造成相当不利的电气运行环境，对供电企业安全供电、降低线损以及用户安全用电都影响相当大，我们在农村低压电网改造过程中，规划设计、用户接火、用电检查都要尽力避免、纠正三相负荷不平衡，打造一个良好的效益型、服务型用电环境。

        【参考文献】

        [1]谭劲.三相不平衡运行附加线损的定量分析及降低[J].曲靖师范学院学报，2005，（6）． 

        [2]韩学军，王晶浩，潘超，高琨.综合补偿三相不平衡负载的研究[J].电网技术，2006，（2）． 

        [3]彭辉，黄亦农，王茂海.配电网中三相不平衡负荷补偿[J].电力自动化设备，2002，（1）．

        【作者简介】刘云志（1978-），男，广东紫金人，中国南方电网有限责任公司广东电网公司惠州供电局调度中心助理工程师。 

        注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”