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摘要：三相平衡运行时供配电网络最理想的运行状态，但由于终端负荷的复杂性，多样性，配电网络很难理想运行状态。本文针对配电系统三相不平衡现象，总结危害，制定改善措施。
关键词：配电网络 三相不平衡 应对措施
在三相供配电系统中，三个相的电压或电流幅值或有效值不等，或者三个相电压或电流的相位差不是120°，则称此为三相电压或电流不平衡或者不对称。在三相四线制的低压配电系统中，用户多为单相负荷或单相和三相负荷混用，且负荷大小、用电时间均不相同，导致了低压供电系统三相负载的长期性不平衡。所以，配电网络中的不平衡电流是客观存在的。对于三相不平衡电流，电力部门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。
一、不平衡运行的危害
以三相四线制的低压配电系统为例分析不平衡运行的危害，如图1所示。
图1、三相四线制配电系统图
图中，、、为三相变压器二次侧绕组，、、为三相电流，、、为线路阻抗，、、为负荷阻抗，为流过零线的电流，为零线阻抗。当配电系统不平衡运行时，会有以下危害：
1、增加线路电能损耗。线路的功率损耗为：Pl=2ZA+2ZB+2ZC+Z0。当系统三相平衡运行时，，即中性线没有有电流通过。此时只有相线有损耗，功率损耗为：Pl=2ZA+2ZB+2ZC=32ZA。此时，线路功率损耗最小。当系统三相不平衡时，，此时，零线有零序电流通过，增加电能损耗。三相负荷不平衡时，电流不平衡度越大，线路损耗也越大。线路损耗增加部分不仅有零线损耗，相线损耗也会相应增加。
2、增加配电变压器的电能损耗。变压器的损耗包括空载损耗和负载损耗。变压器运行电压不变，空载损耗不变。负载损耗随负荷的变化而变化，包括直流电阻损耗和其他的损耗，其他损耗包括涡流损耗、环流损耗、杂散损耗。由于其他损耗很小，将其忽略之后，可以简单的认为变压器负荷损耗与负荷电流的平方成正比，则三相变压器损耗为：
所以，在变压器负荷不变的情况下，当 ，即三相负荷达到平衡时，变压器的损耗最小，损耗为：
当变压器运行在最大不平衡时，即 ，时，变压器的损耗为： 。最大不平衡时的变损是平衡时的3倍。
3、降低变压器本身的出力，危害变压器运行安全。变压器各相绕组性能基本一致，额定容量相等，其最大允许出力受到每相额定容量限制。当变压器处于负载不平衡运行时，负载轻的一相就有富余容量，使变压器的出力减少。三相负载不平衡度越大，变压器出力减少越严重。同时，三相负荷不平衡，使负荷较大的绕组过热而使其寿命缩短，从而缩短了整台变压器的寿命。经研究得出，在变压器额定负荷下，电流不平衡度为10%时，其绝缘寿命约缩短16%。因此在长时间严重过负荷时，很容易烧毁变压器。
4、易造成烧断线路、烧毁开关设备。负载严重不平衡时，重负荷相电流会增加到负载平衡运行时电流的3倍。由焦耳定律可知，重负荷相发热量是负载平衡运行时的9倍，会造成该相导线温度直线上升，以致烧断。且中性线导线截面一般应是相线截面的50%，导线电阻增大，烧断的几率更高。同理在配电柜上，容易造成开关、接触器及开关与导线接头发热，进而烧坏开关设备，危害供电安全。
5、危及用户用电设备安全。变压器每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。三相负载平衡时，三相电流基本相等，变压器内部每相电压降也基本相同，则配变输出的三相电压平衡。当三相负载不平衡时，各相电流不相等，变压器内部三相压降就不相等，导致变压器输出电压三相不平衡。同时，变压器在三相负载不平衡运行状态下，中性线就会有电流通过，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。负载重的一相电压降低，而负载轻的一相电压升高。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。所以三相负载不平衡运行时，将严重危及用电设备的安全运行。
以白炽灯为例，配电系统三相不平衡会导致白炽灯寿命缩短（电压过高）或照度不足（电压过低）。当白炽灯端电压比额定电压高10%时，其发光效率将提高1/3，但其使用寿命只有原来的1/3。当白炽灯端电压比额定电压低10%时，白炽灯使用寿命将延长2～3倍，但发光效率将下降30%以上，灯光明显变暗，照度降低。[1]
二、应对三相不平衡的措施
因负荷不对称运行引起的配电网络三相不平衡可以采取的解决办法：
1、要做好用户负荷调查，在规划设计线路和用户报装接电时，尽量使三相负荷平均分配。
2、将不对称负荷分散接到不同的供电点，以减少集中连接造成不平衡度严重超标的问题。同时，经常检测线路负载电流，对用电负荷进行及时调整，使系统趋于三相平衡。
3、加大负荷接入点的短路容量，减小不对称负荷的影响。如改变网络运行方式或提高供电电压级别，提高系统承受不平衡负荷的能力。
4、根据王氏定理，在两相间跨接电阻可以在两相间转移无功，在两相间跨接电感或者电容可以在两相间转移有功。根据配电系统的运行状态，进行优化设计，不但可以使各相都得到良好的补偿，而且可以调整不平有功电流。
5、装设可调的平化衡装置，包括具有分相补偿功能的静止型无功补偿装置（SVC）和静止无功电源（Static Var Generator，缩写SVG）。SVG基本上不适用储能元件，而是充分利用三相交流电的特点，使能量在三相之间及时转换来实现补偿。与SVC相比，SVG能大大减小体积和材料消耗，而且相应速度快，调节性能好，综合了补偿无功功率，改善三相不平衡和抑制谐波的优点。[2]
三、总结
本文详细分析配电网络三相不平衡运行的危害，并总结应对不平衡运行的方法，为制定配网三相平衡优化方案提供参考。
[1] 刘介才.《工厂供电》.第一版.北京.机械工业出版社，2003.7：15.
[2]刘介才.《工厂供电》.第一版.北京.机械工业出版社，2003.7：19.
关键词：配电网络 三相不平衡 应对措施
在三相供配电系统中，三个相的电压或电流幅值或有效值不等，或者三个相电压或电流的相位差不是120°，则称此为三相电压或电流不平衡或者不对称。在三相四线制的低压配电系统中，用户多为单相负荷或单相和三相负荷混用，且负荷大小、用电时间均不相同，导致了低压供电系统三相负载的长期性不平衡。所以，配电网络中的不平衡电流是客观存在的。对于三相不平衡电流，电力部门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。
一、不平衡运行的危害
以三相四线制的低压配电系统为例分析不平衡运行的危害，如图1所示。
图1、三相四线制配电系统图
图中，、、为三相变压器二次侧绕组，、、为三相电流，、、为线路阻抗，、、为负荷阻抗，为流过零线的电流，为零线阻抗。当配电系统不平衡运行时，会有以下危害：
1、增加线路电能损耗。线路的功率损耗为：Pl=2ZA+2ZB+2ZC+Z0。当系统三相平衡运行时，，即中性线没有有电流通过。此时只有相线有损耗，功率损耗为：Pl=2ZA+2ZB+2ZC=32ZA。此时，线路功率损耗最小。当系统三相不平衡时，，此时，零线有零序电流通过，增加电能损耗。三相负荷不平衡时，电流不平衡度越大，线路损耗也越大。线路损耗增加部分不仅有零线损耗，相线损耗也会相应增加。
2、增加配电变压器的电能损耗。变压器的损耗包括空载损耗和负载损耗。变压器运行电压不变，空载损耗不变。负载损耗随负荷的变化而变化，包括直流电阻损耗和其他的损耗，其他损耗包括涡流损耗、环流损耗、杂散损耗。由于其他损耗很小，将其忽略之后，可以简单的认为变压器负荷损耗与负荷电流的平方成正比，则三相变压器损耗为：
所以，在变压器负荷不变的情况下，当 ，即三相负荷达到平衡时，变压器的损耗最小，损耗为：
当变压器运行在最大不平衡时，即 ，时，变压器的损耗为： 。最大不平衡时的变损是平衡时的3倍。
3、降低变压器本身的出力，危害变压器运行安全。变压器各相绕组性能基本一致，额定容量相等，其最大允许出力受到每相额定容量限制。当变压器处于负载不平衡运行时，负载轻的一相就有富余容量，使变压器的出力减少。三相负载不平衡度越大，变压器出力减少越严重。同时，三相负荷不平衡，使负荷较大的绕组过热而使其寿命缩短，从而缩短了整台变压器的寿命。经研究得出，在变压器额定负荷下，电流不平衡度为10%时，其绝缘寿命约缩短16%。因此在长时间严重过负荷时，很容易烧毁变压器。
4、易造成烧断线路、烧毁开关设备。负载严重不平衡时，重负荷相电流会增加到负载平衡运行时电流的3倍。由焦耳定律可知，重负荷相发热量是负载平衡运行时的9倍，会造成该相导线温度直线上升，以致烧断。且中性线导线截面一般应是相线截面的50%，导线电阻增大，烧断的几率更高。同理在配电柜上，容易造成开关、接触器及开关与导线接头发热，进而烧坏开关设备，危害供电安全。
5、危及用户用电设备安全。变压器每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。三相负载平衡时，三相电流基本相等，变压器内部每相电压降也基本相同，则配变输出的三相电压平衡。当三相负载不平衡时，各相电流不相等，变压器内部三相压降就不相等，导致变压器输出电压三相不平衡。同时，变压器在三相负载不平衡运行状态下，中性线就会有电流通过，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。负载重的一相电压降低，而负载轻的一相电压升高。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。所以三相负载不平衡运行时，将严重危及用电设备的安全运行。
以白炽灯为例，配电系统三相不平衡会导致白炽灯寿命缩短（电压过高）或照度不足（电压过低）。当白炽灯端电压比额定电压高10%时，其发光效率将提高1/3，但其使用寿命只有原来的1/3。当白炽灯端电压比额定电压低10%时，白炽灯使用寿命将延长2～3倍，但发光效率将下降30%以上，灯光明显变暗，照度降低。[1]
二、应对三相不平衡的措施
因负荷不对称运行引起的配电网络三相不平衡可以采取的解决办法：
1、要做好用户负荷调查，在规划设计线路和用户报装接电时，尽量使三相负荷平均分配。
2、将不对称负荷分散接到不同的供电点，以减少集中连接造成不平衡度严重超标的问题。同时，经常检测线路负载电流，对用电负荷进行及时调整，使系统趋于三相平衡。
3、加大负荷接入点的短路容量，减小不对称负荷的影响。如改变网络运行方式或提高供电电压级别，提高系统承受不平衡负荷的能力。
4、根据王氏定理，在两相间跨接电阻可以在两相间转移无功，在两相间跨接电感或者电容可以在两相间转移有功。根据配电系统的运行状态，进行优化设计，不但可以使各相都得到良好的补偿，而且可以调整不平有功电流。
5、装设可调的平化衡装置，包括具有分相补偿功能的静止型无功补偿装置（SVC）和静止无功电源（Static Var Generator，缩写SVG）。SVG基本上不适用储能元件，而是充分利用三相交流电的特点，使能量在三相之间及时转换来实现补偿。与SVC相比，SVG能大大减小体积和材料消耗，而且相应速度快，调节性能好，综合了补偿无功功率，改善三相不平衡和抑制谐波的优点。[2]
三、总结
本文详细分析配电网络三相不平衡运行的危害，并总结应对不平衡运行的方法，为制定配网三相平衡优化方案提供参考。
[1] 刘介才.《工厂供电》.第一版.北京.机械工业出版社，2003.7：15.
[2]刘介才.《工厂供电》.第一版.北京.机械工业出版社，2003.7：19.