低压电网中不平衡电流的危害及对策

高月民

（胜利石理局生产管理部，山东东营257000）

摘

要：面对低压电网中不平衡电流造成的危害，本文在相线与相线之间跨接的电感或者电容具有在相

线之间转移有功功率作用的基础上，进一步分析了如何恰当地选择电容器的接法，就可以达到即补偿功率因数又调整不平衡电流的目的，并就电容的各种投切方式进行了详尽比较分析，找到了使用调整不平衡电流功率因数补偿装置可以大大减少不平衡电流和取得节能效果的方法。

关键词：不平衡电流；补偿电容；功率因数中图分类号：TM714.1文献标识码：A 文章编号：1008-8083（2009）03-00076-03

三相不平衡电流的危害是多方面的，特别是不平衡电流

增大将大大增加线损。由于对于三相不平衡电流，除了尽量合理地分配负荷之外几乎没有什么行之有效的解决办法。正因为找不到解决问题的有效办法，因此反而不被人们所重视。

一、不平衡电流的危害

电网中的不平衡电流会增加线路及变压器的铜损，增加变压器的铁损，降低变压器的出力甚至会影响变压器的安全运行，影响电能表的精度而造成计量损失。

1.不平衡电流对系统铜损的影响

由于系统的铜损是与电流的平方成正比的，忽略零线的损耗，当三相电流平衡的时候，系统的铜损最小。

设某系统的三相线路及变压器绕组每相的总电阻为R 。如果三相电流平衡，IA=100A ，IB=100A ，IC=100A ，则

总铜损=1002R+1002R+1002

R=30000R 。如果三相电流不平衡，IA=50A ，IB=100A ，IC=150A ，则总铜损=502R+1002R+1502R=35000R 比平衡状态的铜损增加了17%。在最严重的状态下，如果IA=0A ，IB=0A ，IC=300A ，则总铜损=3002R=90000R

比平衡状态的铜损增加了3倍。2.不平衡电流对变压器铁损的影响

现有的6/0.4kV 的低压配电变压器多为Yyn0接法三相三柱铁心的变压器。当二次侧负荷不平衡，零线电流即为零序电流，而在一次侧由于无中点引出线零序电流无法流通，故零序电流不能安匝平衡，对铁心而言，有一个激磁零序电流，它受零序激磁阻抗控制，这一零序激磁阻抗较大，相对地电压的对称会受到影响，中性点会偏移。当零线电流为额定电流的25%时，中性点移位约为额定电压的7%，尚不致严重地影响到三相相电压的不平衡。国家标准GB50052-95第6.0规定:“当选用Yyn0结线组别的三相变压器，其由单

相不平衡负荷引起的电流不得超过低压绕组额定电流的

25%，且其中一相的电流在满载时不得超过额定电流值。”由于上述规定，了Yyn0结线配电变压器接用单相负荷的容量，也影响了变压器设备能力的充分利用。

并且，对三相三柱的磁路而言，零序磁通在油箱壁及紧固件内形成回路，产生较大的涡流损耗，使变压器的铁损增加。当零序电流过大导致零序磁通过大时，由于中性点漂移过大会引起某些相电压过高而导致铁心磁饱和，使铁损急剧增加，加上紧固件过热等因素，可能会发生任何一相电流均未过载而变压器却因过热而损坏的事故。

由于Yyn0结线组的配电变压器零序激磁阻抗较大，因此零线电流会造成较大的电压变化，形成比较严重的三相电压不平衡现象，不但影响单相用户，对三相用户的影响更大。

3.不平衡电流对计量的影响根据对称分量法，三相不平衡电流可以分解为三相平衡的正序、

负序、和零序三个分量。负序和零序电流分量的存在必然会对计量仪表的精度产生影响。即使在高压侧，虽然零序电流在变压器内环流不会向系统传递，但负序电流分量可以毫无阻碍地向系统传递，因此仍然会对计量仪表的精度产生影响。

二、电感与电容组合调整不平衡电流

对于三相不平衡电流，通常采取的解决办法是尽量合理地分配负荷，但是由于各用户的负荷量不一致且用电的时间不一致，又不能人为控制，因此不能从根本上解决问题。

普遍采用的方法是采用单相电容器分相补偿的办法，但是，这种方法使少投甚至不投补偿电容的相得不到良好的补偿。并且，采用这种方法在某些情况下虽然可以使三相电流的大小相等，但是由于三相的补偿程度不同，三相的功率因数不同，三相电流的相位不是互差120度，零线仍然会有电流。

采用电感与电容的功率转移作用不但可以将三相的功率因数均补偿至接近于1，而且可以将三相间的不平衡有功电流调整至基本平衡。其基本工作原理分析如下。

收稿日期：2009-02-16

作者简介：高月民（1960-），男，山东日照人，胜利石理局生产管理部副总工程师。

第23卷第3期胜利油田职工大学学报

Vol.23No.32009年6月

JOURNAL OF SHENGLI OIL FIELD STAFF UNIVERSITY

Jun.2009

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图1

如图2所示单相电阻性负荷，对于这样的负荷状态，在A 相与B相之间跨接一个电容，选择电容量为25kVar，在A相与C相之间跨接一个电感，选择电感量为25kVar，在C相与零线之间跨接一个电容，选择电容量为13KVar，在B相与零线之间跨接一个电感，选择电感量为13KVar，于是三相的功率因数均变成1，并且有功功率被平均分配到了三相之间。

图2

以上这些调整不平衡电流的方法利用了一个基本原理，即在相线与相线之间跨接的电感或者电容具有在相线之间转移有功功率的作用。当实际的负荷相当于若干个电阻时，只要按照各个电阻的情况分别计算出补偿量，再按照迭加原理相加就可以了。

三、电容调整不平衡电流

上述的调整不平衡电流的方法也带来一个问题，就是需要使用电感。电感又大又重，成本很高，损耗较大。

在实际的系统中，往往拥有大量的感性负荷，而负荷中的电感正好可以为我们所利用。理论分析与现场实验均表明只要恰当地选择电容器的接法，就可以达到即补偿功率因数又调整不平衡电流的目的。

如图3所示系统的功率因数很低且三相严重不平衡，三相的功率因数均为0.71，C相电流比A相电流大一倍。由于负荷含有足够多的电感，补偿电容器的总容量恰好等于负荷中的电感总容量，只是由于恰当地选择了电容器的接法，从而使三相的电流平衡，并且三相的功率因数均等于1，零线没有电流。

图3

在上面系统中的负荷含有足够多的电感，因此可以取得较好的调整不平衡效果。当负荷的功率因数较高，可以利用的电感较少，而三相电流的不平衡现象又比较严重时，可能达不到完全平衡的目的。经理论计算与实验的结果都表明只要负荷中含有电感，就可以在将三相的功率因数均补偿至1的基础上，使三相有功电流的不平衡程度有所减轻，仍然可以达到其他补偿方式所达不到的效果。如图4所示的不平衡程度与图3所示系统相当，只是三相的功率因数较高均为0.85。对于这种情况，虽然可供利用的负荷电感较少，补偿电容器的总容量恰好等于负荷中的电感总容量，补偿后三相的功率因数均等于1，三相的有功电流虽然没有完全平衡，但不平衡程度大大减轻，零线电流明显减小。

从上述可以看出，只要恰当地在系统的各相线与相线之间及各相线与零线之间接入不同数量的单相电容器，就可以达到即补偿功率因数又调整不平衡有功电流的目的。并且投入的电容器总量与将三相的功率因数均补偿至1所需的电容器总量相同。

图4

四、电容调整不平衡电流投切方式分析

在设计补偿装置时，为了充分利用电容器，应该使各电容器即可以接于相线与相线之间也可以接于相线与零线之间，因此结构比较复杂，成本比普通的三相电容器同时投切的补偿装置要稍高一些。但是由于其达到的效果是普通补偿装置所达不到的，如果应用于三相电流不平衡的场合，其性能价格比优于其他任何形式的补偿装置。

图5

图6

图7

以图7所示实际负荷情况为例，如果使用单相电容器分相投切的补偿装置来进行补偿，补偿后的结果示于图10。从图10与图7的数据对比中可以看出，投入相应的单相电容器后，三相的电流都有所减小，三相间的不平衡程度没有变化，未投电容器前C相与A相的电流比电容器为2:1，投入电容

器后C相与A相的电流比仍然是2:1。投入电容器后的零线电流减小，这是因为零线中的不平衡无功电流被消除掉了，只剩下不平衡的有功电流部分。从此例可以看出，在三相电流严重不平衡的系统中应用时，单相电容器分相投切的补偿装置比三相电容器同时投切的补偿装置的使用效果要好一些。但是这类补偿装置的结构也比较复杂，成本也比较高。

下面再以图7所示实际负荷情况为例，考查一下使用单相电容器分相投切的补偿装置来进行补偿，但是按照使电流平衡的算法投入电容器，（也就是电流较大的相多投电容，电流较小的相少投甚至不投补偿电容），可以达到什么样的效果。按照使电流平衡的算法投入电容器后的结果示于图11。在此例中由于A相电流较小,为了平衡电流,只好不投电容器。从图11与图7的数据比中可以看出，投入相应的单相

电容器后，三相间的不平衡程度有所减小，未投电容器前C

相与A相的电流比电容器为2:1，投入电容器后C相与A相的电流比减小为1.7:1。投入电容器后的零线电流减小，但付出的代价是对A相没有进行补偿。

通过分析，我们不难将各种补偿方法的性能进行比较，为了对各种情况下变压器及线路的损耗有一个定量的认识，如表1中列出了使用各种补偿方法的效果，但是只列出了变压器及线路的铜损，没有列出变压器的铁损，这是因为变压器的铁损很难计算，特别是在有零线电流的情况下，

由零序77磁通造成的变压器铁损往往与零线电流成非线性关系，无法计算，也没有现成的实测数据可以参考。可以肯定的是，如果考虑了变压器的铁损，则调整不平衡电流功率因数补偿装置可以得出更好的节能效果。表中的数据也没有考虑10KV以上线路的损耗，因为10KV以上线路的电流是若干条10KV 线路电流的组合，很难进行处理。表中数据的计算过程假定变压器为S7系列200KVA，10KV线路假设长度为5km，导线为35平方毫米钢芯铝绞线。投入三相电容器同时投切的补偿装置后的电流值使用图5所示的数据。投入单相电容器分相投切的补偿装置后的电流值使用图6所示的数据。投入单相电容器分相投切按电流平衡算法的补偿装置后的电流值使用图7所中的数据。

表1：各种状态下变压器及线路的损耗（不包括变压器铁损）

五、结论

综上所述，使用单相电容器分相投切按电流平衡算法的补偿方法可以取得最好的节能效果，并且零线电流很小，完全符合国家标准关于零线电流不超过变压器额定电流25%的要求。同时，零线电流小即表明中性点漂移小，因此也可以获得最好的供电质量。表1的数据对比使用了图4中的负荷系统，而图4中的负荷系统功率因数较高，为0.85。如果使用图3的低功率因数负荷系统进行补偿前后的对比，可以得出更好的节能效果。

参考文献

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（责任编辑王桂亭）

（上接第59页）以树脂的基本配方固结地层砂（粒度中值：0.148,泥质含量5.6％的地层砂）的性能测试结果列于表9。

表9树脂胶结地层砂的性能

从表9看出树脂对地层砂有较好的固结强度。

6.不同粒度的砂砾和基本配方胶结好的岩心对应的孔喉半径和滤砂测定结果见表10。

表10孔喉半径与砂砾粒度关系和滤砂实验结果

四、结论

1.新型两相油水井防砂材料固结固体纤维材料和固结地层砂（在60°C恒温两天），其试样有较高的固结强度和渗透率值，试样抗折强度大于3.0M Pa，渗透率大于

2.0um2。

2.液相防砂材料与固相纤维材料的比值选择1.0：0.6~0.8（体积比），即可确保有较好的渗透性又能保证较高的强度和可泵性。

3.固体纤维材料密度低，与树脂的密度相当，很容易悬浮和分散与树脂溶液中，因此能保证较大的携带比，并且泵送容易。

4.新型两相油水井防砂材料既能充填亏空油层形成人工井壁又具有固结地层的疏松砂砾的作用。

5.所选择的0.5~1.5mm的颗粒粒径固体纤维材料形成的人工井壁能挡住粒径大于0.03mm砂粒。

参考文献

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（责任编辑王桂亭）

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