简述三相不平衡对电力系统的影响及改善措施

摘要：随着电力系统的发展，电网的三相负荷不平衡现象日益突出。当三相负荷分布不对称时，除了可能导致旋转电机转子发热损坏、继电保护误动作、大负荷相设备过负荷等危害外，还将引起配电网线损的严重增加。这种增加有时数倍于三相负荷对称分布的线损。采取切实可行、经济合理的补偿抑制措施，提高其电能质量确保系统的安全、可靠和经济运行。

关键词：三相不平衡危害措施

１ 造成三相不平衡的主要原因

造成三相不平衡的主要原因是大容量非对称负荷的接入和电网中的谐波分量。电力机车和电弧炉是一个典型的非对称负载。交流电气化铁路在国内是从电力系统110KV（220千伏）电力机车牵引变压器降压到27.5千伏（55千伏）后向牵引和电力机车单相供电，因电力机车为大功率单相整流拖动负荷，牵引变压器中将会产生负序电流和负序电压。除含基波成分外，还含谐波成分，因此实际上系统负序分量也将含谐波，但是基波成分占主要部分，特别是采取一定的滤波措施以后仍然如此。此外，牵引负荷具有波动性大和沿线分布广的特点，针对电力系统来说，电气化铁路牵引负荷属于非线性不平衡负载的动态干扰。交流电弧炉炼钢由于技术和经济的优势，发展迅速。单机容量从过去的几吨到三四百吨，电弧炉变压器从几百兆伏安提高到100-200MVA。电弧炉炼钢的冶炼周期为1.5-6小时，这主要取决于电弧炉的类型，规模和工艺，在这段时间内，对电网产生很多的不利影响。包括有功功率和无功功率冲击引起的电压波动和闪变、电弧的非线性导致的大量谐波注入电网等。

2 三相不平衡的主要危害

2.1 三相不平衡对发电机的影响 发电机定子绕组有负序电流时，在转子表面（例如，大齿，小齿，槽楔，护环等），阻尼绕组和励磁绕组中引起的两倍电源频率的电流。汽轮发电机转子是单一锻成体。具有很强的阻尼作用，所以二倍频率电流的励率电流在励磁绕组中感应的分量很小；又因二倍频电流有较强的集肤效应，对转子表面的渗透深度仅几毫米，流通路径中等价有功电阻较大。故而发电机在不对称运行时，转子表面产生的附加损耗可能就会很大。发生不对称故障时，定子直流分量会在转子表面产生工频电流的影响。它在转子表面的渗透深度比二倍频电流深引起附加温升。发电机不对称运行时，定子电流中最大相电流可能超过额定值，转子表面感应的二倍频电流密度很大，转子表面谐波附加损耗与二倍频电流所产生的损耗相叠加，将导致转子结构件，特别是护环与转子本体嵌装面、边段槽楔与小齿接触面以及大齿横向槽两端过热甚至烧损。

2.2 使三相电压不平衡，中性点电位漂移 规程规定:“配电变压器在运行中，其中性线的电流不得高于配电变压器的出口电流的25%”，当变压器在正常的三相平衡负载的运行状况时，在理想的情况下，中性点的电压为零，也就是说中性线上没有电流流过。而当配电变压器运行在三相不平衡状况下时，中性点的电位出现漂移，且三相输出电压也随之不平衡了。如一台10/0.4kV的配电变压器，其接线方式为Y/yno接线，正常运行时，它们的相位及相量都是平衡对称的。如果三相负载严重不对称不平衡时，在零线上就会出现比较大的电流和较高的电压，它将导致人身触电的危险和重负载相用电设备因电流过大而烧坏的恶果。

2.3 三相不平衡运行增加变压器及线路损耗 保持配电变压器平衡运行却是节能、提高电能质量的手段之一。三相电力变压器运行的对称设计。在运行正常时，变压器一次侧电源与二次侧负荷均应对称。但国内城乡配电网中大部分采用了三相四线制的接线方式，并且配电变压器为Y/Yo接线，其一次侧无零序电流，二次侧有零序电流，因此二次侧的零序电流完全是励磁电流，产生的零序磁通不能在铁芯中闭合，需要通过油箱壁闭合，进而在铁箱等附件中发热产生铁损，Y/Yno接线变压器的零序电阻比正序电阻要大，因此零序电流产生的附加铁损较大。配电网中因单相负荷的存在，往往会造成三相不平衡，结果不仅会导致相线损耗增加，而且使中性线有电流通过，产生损耗，使线损也大大增加。

2.4 三相不平衡易引起继电保护和自动装置的误动作 电力系统的发展，大容量和长距离重负荷的出现，对继电保护和自动装置提出愈来愈高的要求。如果是电力系统在大负荷不平衡的状态下，特别是一些非线性负荷的动态，就会使近区电网中出现较高的负序和谐波水平。在负序和谐波共同的作用下，负序和谐波效应将导致负序故障的继电保护和自动装置的误动作（即：非故障起动）。负序电压滤过器的的输出端通常于负序电压继电器相连接，作为不对称短路保护的启动元件。因此负序电压滤过器的输入端于系统的线电压相连接，因为线电压中不含零序分量。在系统正常运行情况下，负序电压滤过器基本上没有输出；当系统发生不对称短路故障时，其输出电压很大时负序电压继电器能可靠起动。负序电流除了引起负序起动元件的误动作外，还会降低负序起动元件反应于电网故障的灵敏度。其主要原因是：干扰性负序电流的相角可以和电网短路引起的负序电流的相角相反，从而减小起动元件的负序电流。

3 改善三相不平衡的措施

3.1 不对称负荷分散的供应，减少集中连接过多造成的不平衡度超标 由于平衡的三相系统的总功率是恒定的，与时间无关，其平衡值不平衡的三相系统总功率波动，因此将不平衡的三相系统改造成一个均衡三相系统时，在平衡装置中应该设有能够暂时存储电磁能量的电磁元件。

3.2 使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化 如果产生电压不对称的原因主要是由于单相负荷在三相系统中位置的不合理分布则在设计供电系统时首先要使单相负荷平衡地在三相分布降低三相负荷电流不平衡度供电网络的电流不平衡度应小于20% 但在TN 及TT 系统接地形式的低压电网中当选用Y/y0 绕组的三相变压器时由单相不平衡负荷引起的中性线电流不得超过低压绕组额定电流的25% 且其一相的电流在满载时不得超过额定值在1000V 以下的配电网中各项安装的单相用电设备其相间容量最大值与最小值之差一般不应超过15%。

3.3 将不对称负荷接到更高电压级上供电，以使连接点的短路容量Sk足够大(例如对于单相负荷。Sk大于50倍负荷容旦时，就能保证连接点的电压不平衡度小于2％)。目前国际上采用静止无功补偿器(SVC)。SVC以其具有快速调节无功的功能为主要特征，广泛适用于一切冲击负荷和要求快速进行动态无功补偿的场合，校正三相电压不平衡（由分相无功功率补偿实现）。SVC一般由并联的感性和容性两大回路构成，其中至少一个回路为动态回路，即能根据补偿要求快速变化其无功功率的回路。依据构成动态回路的不同方式，目前主要有三种型式的SVC：晶闸管控制的电抗器即(TCR)；晶闸管投切的电容器即(TSC)和自饱和电抗器即(SR)。

电力系统中三相不平衡是影响供电系统电能质量的重要因素其具体的参数是衡量供配电系统电压质量的指标，在实际系统运行中，必须结合相关的国家标准规定的限值，采取切实可行、而又经济合理的补偿抑制措施以消除这种“污染”或“公害”提高其电能质量确保系统的安全、可靠和经济运行。

参考文献：

[1]林海雪.电力系统三相不平衡.中国电力出版社.1998.

[2]林海雪，孙树勤.干扰性负荷的供电.中国电力出版社.1994.

[3]王兆安，黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2002.

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