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國網城步縣供電分公司 三相不平衡調節典型經驗
1.前言
一個三相平衡電路的三相電壓源必須是正弦波，且頻率相同，幅度相同，相位互差120度；三相的負荷阻抗相同且均為線性阻抗，因此三相的電流都是正弦波，且頻率相同，幅度相同，相位互差120度。
絕對的三相平衡是不存在的，實際的三相系統總是存在不同程度的不平衡現象。電網希望用戶負載的三相電流越平衡越好，否則三相不平衡電流會導致變壓器容量浪費、中性線電流過大；電網希望用戶負載的無功電流越小越好，否則無功在電網與負載間來回循環，導致電能浪費；電網希望用戶負載的諧波電流越小越好，否則諧波會導致電網電壓、電流失真，引起設備工作異常；用戶希望電網提供的電壓幅值越穩定越好，否則過高或過低的電壓都會導致設備保護甚至損壞。
2、三相不平衡的概念
事故性不平衡：由于三相系統中某一相（或兩相）出現故障所致，例如一相或兩相斷線，或者單相接地故障等。這種狀況是系統運行所不允許的，一定要在短期內切除故障使系統恢復正常。
正常性不平衡：由于系統三相元件或負荷不對稱引起的。作為電能質量指標之一的“三相電壓允許不平衡度”是針對正常不平衡運行工況而定的。
3、三相不平衡的國家標準及規定
國家標準
電壓不平衡度的允許值
GB/T 15543-1995規定，電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%。這是基于對重要用電設備（旋轉電機）標準、電網電壓不平衡度的實況調查、國外同類標準及電磁兼容標準進行全面分析后選取的。
GB755-1981《電機基本技術要求》中規定，同步電機連續運行的I2/IN最大值為0.08-0.10，而旋轉電機的負序阻抗約為0.14-0.45，如機端不平衡度為2%，則相應的電流不平衡度為0.044-0.14，即有可能超過該電機的負序電流長期承受能力。但將機端作為公共連接點，只有極少量的直配供電網。實際旋轉電機與公共連接點之間一般有線路及變壓器的阻抗。只要這些元件的折合阻抗能達到0.1以上，則相應的負序電流有望降至額定電流的8%以下。當然，旋轉電機負序承受能力和電機本身承載狀況也有關系。如電機不滿載，自然可以負擔更多的負序電流。
國家規定
對于出口電流不平衡度超過15%，負載率大于60%通過管理措施難以調整的配變臺區，需加裝三相不平衡自動調節裝置。
對于低壓諧波、電壓閃變、無功補償容量不足等多種因素導致的“低電壓”問題，需加裝低電壓無功發生器（SVG）。
規定了電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，同時規定了短時的不平衡度不得超過4%。對接入公共連接點的每個用戶引起該點正常壓不平衡的允許值一般為1.3%。
二、三相不平衡的危害
1、增加線路的電能損耗
在三相四線制供電網絡中，電流通過線路導線時，因存在陰抗必將產生電能損耗，其損耗與通過電流的平方成正比。當低壓電網以三相四線制供電時，由于有單相負載存在，造成三相負載不平衡在所難免。當三相負載不平衡運行時，中性線即有電流通過。這樣不但相線有損耗，而且中性線也產生損耗，從而增加了電網線路的損耗。
2、增加配電變壓器的電能損耗
配電變壓器是低壓電網的供電主設備，當其在三相負載不平衡工況下運行時，將會造成配變損耗的增加。因為配變的功率損耗是隨負載的不平衡度而變化的。
在生產、生活用電中，三相負載不平衡不平衡時，使變壓器處于不對稱運行狀態。造成變壓器的損耗增大（包括空載損耗和負載損耗）。根據變壓器運行規程規定，在運行中的變壓器中性線電流不得超過變壓器低壓側額定電流的25%。此外，三相負載不平衡運行會造成變壓器零序電流過大，局部金屬件升溫增高，甚至會導致變壓器燒毀。
3、配變出力減少
配變設計時，其繞組結構是按負載平衡運行工況設計的，其繞組性能基本一致，各相額定容量相等。配變的最大允許出力要受到每相額定容量的限制。假如當配變處于三相負載不平載不平衡工況下運行，負載輕的一相就有富余容量，從而使配變的出力減少。
其出力減少程度與三相負載的不平衡度有關。三相負載不平衡越大，配變出力減少越多。為此，配變在三相負載不平衡時運行，其輸出的容量就無法達到額定值，其備用容量亦相應減少，過載能力也降低。假如配變在過載工況下運行，即極易引發配變發熱，嚴重時甚至會造成配變燒損。
4、配變產生零序電流
配變在三相負載不平衡工況下運行，將產生零序電流，該電流將隨三相負載不平衡的程度而變化，不平衡度越大，則零序電流也越大。運行中的配變若存在零序電流，則其鐵芯中將產生零序磁通。（高壓側沒有零序電流）這迫使零序磁通只能以油箱壁及鋼構件作為通道通過，而鋼構件的導磁率較低，零序電流通過鋼構件時，即要產生磁滯和渦流損耗，從而使配變的鋼構件局部溫度升高發熱。配變的繞組絕緣因過熱而加快老化，導致設備壽命降低；同時，零序電流的存在也增加配變的損耗。
5、影響用電設備的安全運行
配變在三相負載不平衡時運行，其各相輸出電流就不相等，其配變內部三相壓降就不相等，這必將導致配變輸出電壓三相不平衡。同時，配變在三相負載不平衡時運行，三相輸出電流不一樣，而中性線就會有電流通過。因而使中性線產生陰抗壓降，從而導致中性點漂移，致使各相相電壓發生變化。負載重的一相電壓降低，而負載輕的一相電壓升高。在電壓不平衡狀況下供電，即容易造成電壓高的一相接帶的用戶設備燒壞，而電壓你的一相接帶的用戶用電設備則可能無法使用。所以三相負載不平衡運行時，將嚴重危及用電設備的安全運行。
三相電壓不平衡的發生將導致達到數倍電流不平衡的發生，誘導電動機逆扭矩增加，從而使電動機的溫度上升，效率下降，能耗增加，發生震動，輸出虧耗等影響。各相之間的不平衡會導致用電設備使用壽命縮短，加速設備部件更換頻率，增加設備維護的成本。斷路器允許電流的余量減少，當負載變更或交替時容易發生超載、短路現象。中性線中流入過大的不平衡電流，導致中性線增粗。
三、三相不平衡的原因
1、配電變壓器三相不平衡的原因
電網的電都是三相的，但是一般民用負載都是單相的，還存在電焊等兩相負載，電焊設備是接在兩相之間，依靠瞬間短路產生極大電流融化金屬，因為負載是兩相的，導致電網側三相電流中一相沒有電流，因此也會出現不平衡的情況。
一般在配電時會有意讓單相負載均勻地分配在三相上，比如三層大樓，一樓全接A相，二樓全接B相，三樓全接C相，這樣實現一個大體的三相平衡。以上的前提是居民還是建立在穩定居住的情況下，而個別農村存在春節期間和春節過后的居民流動性的問題。這樣的時候，人工已平均分配各相使用的平衡度，由于在居民在年底回家過年和春節外出返工兩個節點都會引起三相不平衡。
不平衡會導致變壓器容量浪費，N線電流增大，中性點偏移等等情況，因此需要治理。
2、參數計算
我們知道，配電變壓器三相負荷不平衡率的計算公式是：
三相負荷不平衡率＝（最大相負負荷 - 最小相負荷）/最大相負荷*100%
（國家規定的配電三相負荷不平衡率的標準是不大于15%，中性線電流不大于變壓器額定電流的25%）。
不平衡的表達式為：
不平衡的精確計算式為：
3、調節可性行分析
治理三相不平衡的原理
三相不平衡治理設備開啟后，通過外接電流互感器（CT）實時檢測系統電流，并將系統電流信息發送給內部控制器進行處理分析，以判斷系統是否處于不平衡狀態，同時計算出達到平衡狀態時各相所需轉換的電流值，然后將信號發送給內部 IGBT 并驅動其動作，將不平衡電流從電流大的相轉移到電流小的相，最后達到三相平衡狀態。 如下圖所示：
2、避免因局部電壓不平衡，引起的設備誤報警
3、避免零地電壓偏高導致控制系統弱電設施燒毀的風險
治理不平衡的規格
1、對于三相電網電流，輸出ABC分別均為30A，N線電流為0，達到三相完全平衡
2、對于單相負載，C相電流輸入90A，N線輸出90A
3、對于不平衡治理設備，A相B相流入30A，C相輸出60A，N線流入90A。
這樣，就保證了即使在單相負載的情況下，三相不平衡治理設備也可以令三相電網電流保持完全平衡。
原先不平衡電流都通過N線流入電網，現在在負載側的不平衡電流仍然存在，不過全部都流入三相不平衡治理設備中了。
總結--可性行分析解決三相不平衡的措施
1、將不對稱負荷合理分布于三相中，使各相負荷盡可能平衡；
2、將不對稱負荷分散于不同的供電點，減少集中連接造成的不平衡度過大；
3、將不對稱負荷接入高一級電壓供電。電壓等級越高，系統短路容量也越大，不對稱負荷在系統總負荷中所占比例就越小，電壓三相不平衡度也隨之減小。對于單相負荷，系統短路容量只要大于負荷容量的50倍，就能保證連接點的電壓三相不平衡度小于2%；
4、將不對稱負荷采用單獨的變壓器供電；
5、采用特殊接線的平衡變壓器供電。平衡變壓器是一種用于三相――兩相并兼有降壓及換相兩種功能的特殊變壓器。使用它供電可以提高電能質量，減小電能損耗，當前多用于對電氣化鐵路和大型感應加熱爐的供電
6、加裝三相電流平衡裝置
總結：
就以上6種方式進行討論，前面5種的方案不管從資金投入、人工管理難度性及可行性分析，都不可能做到全面性。
而第6種方案，加裝三相電流平衡裝置通過以上文中分析，是最有效益、最為理想和最全面的解決方案。
四、鋪頭1#公變三相不平衡調節
1、基本參數
鋪頭1#公變的具體參數信息
產品結構圖
產品二次接線圖
2、調節裝置計算容量設計
根據鋪頭1#公變的基本信息描述，變電壓額定容量為100KVA，相對應的低壓側額定電流為144A。依此信息設計配置產品為三相
不平衡調節裝置容量為100kvar，裝置100kvar按I＝100/U/1.732=144A,完全可以滿足此鋪頭1#公變的調節優化使用，并有余量用
于優化電能質量。
4、安裝過程
初檢
在安裝調節裝置前，首先應進行如下檢查：
1.目檢調節裝置外部和內部是否存在運輸損壞。如有損壞，請立即通報承運商。
2.核對產品標簽，確認設備的正確性。設備外殼貼有銘牌、眉頭，標明了調節裝置型號、容量及主要參數。
選位
調節裝置安裝位置
調節裝置應安裝在清潔的環境中，并且應通風良好，以保證環境溫度滿足產品規格要求。
調節裝置由內部風扇提供強制風冷，冷風通過調節裝置機柜前面的風柵進入調節裝置內部，并通過調節裝置后部的風柵排出熱風。
請勿阻塞通風孔。
調節裝置可選擇機架安裝方式、平面安裝方式及壁掛式安裝方式。為了方便日常運行時對調節裝置進行維護，除滿足當地規定外，
調節裝置進線端應保留足夠空間，以方便維護人員進行線纜的接入。
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注意！ |
u 如果安裝方式為壁掛模式，在模塊的上下出口至少要預留150mm的進出風空間 u 如果安裝方式為機柜模式，在機柜的前后出口至少要預留600mm的進出風空間以及后方維護空間 u 如有必要，應安裝室內排氣扇，以避免室溫增高 |
為了延長使用壽命，調節裝置位置的選擇應保證：
1.接線方便
2.有足夠的操作空間
3.通風良好，以滿足散熱要求
4.周圍無腐蝕性氣體
5.無過濕和高溫源
6.非多塵環境
7.符合消防要求
調節裝置機箱進線端有電力端子和CT輸入接線端子。調節裝置整機前面板有主觸摸屏，用于集中操作和顯示運行狀態。
裝置的搬運
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注意！ |
u 由于單個調節裝置模塊重量為30kg-50kg，在短距離內推薦由兩個人共同搬運，如果要長距離搬運，需要借助一定的運輸設備來完成。 |
三相四線調節裝置至負載的中線電纜視補償諧波情況，因為三次以及三的倍數次諧波都流經中線，所以要求中線電纜規格是進線電纜的2倍左右（否則中線可能會發熱導致危險）。
各電流等級下的調節裝置進線電纜如下表：
表4.7 電纜規格
裝置額定電流
50A
100A
150A
200A
250A
300A
350A
銅電纜（mm2）
16
35
50
95
120
150
185
鋁電纜（mm2）
根據用戶手冊完成一線的接線和外部采樣CT的接線后，確認完成無誤后，下一步上電調試及可完成整個安裝過程。
治理效果
未開機運行治理
注：三相負荷不平衡率＝（最大相負負荷 - 最小相負荷）/最大相負荷*100%
開機運行治理后
注：三相負荷不平衡率＝（最大相負負荷 - 最小相負荷）/最大相負荷*100%
安裝地點：鋪頭1#公交
該處變壓器為公變，變壓器為100KVA，用戶主要為當地居民自建住房，用途主要以餐飲、自住為主。負荷主要為單相照明、空調、取暖
設備為主。三相負荷不平衡現象比較嚴重，會對變壓器長期穩定運行存在較大隱患。
1、三相負荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴重后果：
不平衡時重負荷相電流過大，超載過多，可能造成繞組和變壓器油的過熱。繞組過熱，絕緣老化加快;變壓器油過熱，引起油質劣化，
迅速降低變壓器的絕緣性能，減少變壓器壽命(溫度每升高8℃，使用年限將減少一半)，甚至燒毀繞組。
2、三相負荷不平衡運行會造成變壓器零序電流過大，局部金屬件溫升增高：
在三相負荷不平衡運行下的變壓器，必然會產生零序電流，而變壓器內部零序電流的存在，會在鐵芯中產生零序磁通，這些零序磁通就
會在變壓器的油箱壁或其他金屬構件中構成回路。但配電變壓器設計時不考慮這些金屬構件為導磁部件，則由此引起的磁滯和渦流損耗使
這些部件發熱，致使變壓器局部金屬件溫度異常升高，嚴重時將導致變壓器運行事故。
實測數據
A相電流（A）
B相電流（A）
C相電流（A）
A相功率因數
B相功率因數
C相功率因數
安裝前
40.2
70.5
54.9
0.96
0.98
0.96
安裝后
53.5
53.2
54.3
1.00
1.00
1.00
裝置投運后對于負載并不大的情況三相不平衡有明顯質的改善，隨著負載加大效果更為明顯。并且無功補償功率因數提升，變壓器損耗降低，運行穩定，功耗低，效果明顯。