电力负荷不平衡的原因及危害

电力负荷不平衡的原因及危害

摘要：由于用户原因导致三相负荷不平衡，严重的三相负荷不平衡对低压电网、配电变压器以及10kV高压线路均造成危害，对供电企业安全生产、降低线损、用户安全用电有较大的影响。

关键词：配电网络、三相负荷不平衡、降低线损、安全供电

Abstract: The aspect of users causes the triphase load serious imbalance, which brings harm to the low voltage power grid, power distribution transformer and 10kV high voltage line, as well as impacts on the safety production of the power supply enterprise, line loss reduction, safety in utilizing electric energy of users.

Key words: power distribution network; triphase load imbalance; line loss reduction; safety in power supply

0引 言

电网改造以后，配电变压器基本放置在负荷中心，增加了配电变压器数量，缩短供电半径，加大导线直径，负荷分散，极大地改变了农村低压电网状况，给我们建造了一个好的电网“硬件”。如果是三相负荷不平衡，低压电网的可靠性和稳定性差，线损率就高。

一． 三相负荷不平衡的原因分析

低压电网三相负荷失衡有以下数种原因：

（1）低压电网三相负荷不平衡要增加损耗，虽然是早已被提出来了的。但以前由于农村照明等单相负荷较小，没有也不可能引起人们足够注意，故实践很少，亦不可能提出调平三相负荷的具体方法。

（2）电网改造和完善、新农村电气化工程中由于规模大、任务重、时间紧，不可能面面俱到（如规划调平三相负荷）；加之改造资金有限，为了降低费用，架设了一定数量的单相两线线路，尤其是低压分支线路中，单相两线线路占一定比例；还有在下户线接火施工中，一些施工人员素质低，没有三相负荷平衡的概念，施工中或随意接单相负荷，或为了不接成380V，把单相负荷都接到中间两根线上。这在一定程度上加重了三相不平衡度。

（3） 运行管理中，一般低压线路虽多为三相四线，但很多没有注意到把单相负荷均衡的分配到三相上，也不知道该怎样做才能均衡，造成某相或某两相负荷过多。更有甚者，有些地方供电所部署对于只有单相负荷且量值较小的三相四线线路，停用两根相线，只用单相两线供电，加重了三相不平衡度。

（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。

（5）家庭除照明灯具、电视机、DVD、电冰箱等中小功率电器增多外，大量的大功率家用电器进入寻常百姓家，例如电磁灶、微波炉、电饭煲、电水壶、电热水器、电暖器、空调、小水泵等，单台容量大多数在800～2000kW，都是采用单相（220V）电源，单相负荷激增；而另一方面，随着工业的发展，加工馒头、面皮、米皮出售，单相负荷增加。富裕地方单相负荷达到95％以上，经济较差的也占到60～70％。在单相负荷用电量极大增长的情况下，若不注意三相平衡，可能使低压电网的三相不平衡度很大，电网技术状况很差。

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。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、c 3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＝Ia2 R、Qb= Ib2 R 、Qc =Ic2 R，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√［（Ia2 R）（Ib2 R）（Ic2 R）］

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。

则变压器损耗：

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）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）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。

2 . 对配电线路的影响

（1）增加高压线路损耗：

低压侧三相负荷平衡时，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0.75 I，功率损耗为：

ΔP2 = 2（0.75I）2R＋（1.5I）2R = 3.375I2R =1.125（3I2R）；

即10kV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：

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，中性线电流为零，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1200 kWh，则平衡时只损失200 kWh，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.对供电企业的影响

低压电网损耗大，将降低供电企业的经济效益，甚至造成供电企业亏损经营。

变压器烧毁、线路烧断、开关设备烧坏，一方面增大供电企业的供电成本，另一方面停电检修、购货更换造成长时间停电，少供电量，既降低供电企业的经济效益，又影响供电企业的声誉，降低服务质量。

5. 对用户的影响

三相负荷不平衡，一相或两相畸重，必将增大线路中的电压降，降低电能质量，影响用户的电气设备使用。

变压器烧毁、线路烧断、开关设备烧坏，影响用户供电，轻则带来不便，重则造成较大的经济损失，如停电造成养殖的动植物死亡，或不能按合同供货被惩罚等。中性线烧断还可能造成用户大量低压电器被烧毁的事故。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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