三相负荷平衡

关于三相负荷不平衡产生的原因及改进措施

公式：

三相负荷不平衡率 = (最大相负负荷 - 最小相负荷 )/最大相负荷 *100%

国家规定的配电三相负荷不平衡率的标准是不大于15%

举例：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。

一、三相不平衡的危害和影响

三相不平衡是指三相电源各相的电压不对称。是各相电源所加的负荷不均衡所致，属于基波负荷配置问题。发生三相不平衡即与用户负荷特性有关，同时与电力系统的规划、负荷分配也有关。该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。

（一）对变压器的危害。在生产、生活用电中，三相负载不平衡时，使变压器处于不对称运行状态。造成变压器的损耗增大(包括空载损耗和负载损耗)。根据变压器运行规程规定，在运行中的变压器中性线电流不得超过变压器低压侧额定电流的25%。此外，三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件升温增高，甚至会导致变压器烧毁。

（二）对用电设备的影响。三相电压不平衡的发生将导致达到数倍电流不平衡的发生。诱导电动机中逆扭矩增加，从而使电动机的温度上升，效率下降，能耗增加，发生震动，输出亏耗等影响。各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速设备部件更换频率，增加设备维护的成本。断路器允许电流的余量减少，当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象。中性线中流入过大的不平衡电流，导致中性线增粗。

（三）对线损的影响。三相四线制结线方式，当三相负荷平衡时线损最小；当一相负荷重，两相负荷轻的情况下线损增量较小；当一相负荷重，一相负荷轻，而第三相的负荷为平均负荷的情况下线损增量较大；当一相负荷轻，两相负荷重的情况下线损增量最大。

当三相负荷不平衡时，无论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大，线损增量也越大。

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。

3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3abc 。

3当a=b=c时，代数和a+b+c取得最小值： a+b+c3abc

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：

3Qa+Qb+Qc≥3

IaR•IBR•ICR

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、对高压线路的影响

(1)增加高压线路损耗：

低压侧三相负荷平衡时，6～10k V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：

我们知道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，影响用户的电器使用。

原因以及措施

1、影响变压器三相负荷不平衡的原因

根据我局低压配电网的现状及多年来的运行、管理经验，造成配电变压器三相负荷不平衡运行的主要原因是：

2、管理上存在薄弱环节

由于对配电变压器三相负荷不平衡的运行管理重视不够，一直没有一个考核管理办法，对配电变压器三相负荷的管理带有盲目性、工作随意性，以至于使运行、维护人员放松了

对配电变压器三相负荷的管理，致使大多数配电变压器长期在三相负荷极不平衡状态下运行。

2.1 单相用电设备影响

由于线路大多为动力、照明混载。而单相用电设备使用的同时率较低，用户横向用电差异较大，经常会造成配电变压器三相负荷的不平衡，并给管理增加了难度。

2.2 电网格局不合理的影响

低压电网结构薄弱，运行时间较长，改造投入不彻底，单相低压线路是台区的主网架问题，一直得不到有效根治。

其次居民用电大多为单相供电，负荷发展时无序延伸，造成台区三相电流不平衡无法调整。对于这样的低压网络必须投入较大的资金，彻底解决低压网布局，增加低压四线的覆盖面积，对线损、电压质量、供电可靠性、供电安全等都有很大改善效果。

2.3 临时用电及季节性用电影响

临时用电和季节性用电都有一定的时间性，用电增容不收费后，大棚在生产季节，单相水泵应用较多，而又分布极为分散，用电时间不好掌握，同时由于在管理上未考虑其三相负荷的分配问题，又未能及时监测、调整配电变压器的三相负荷，它的使用和停电，对配电变压器三相负荷的平衡都有较大的影响，特别是单相用电设备容量较大时，影响更大。

2.4 线路故障的影响

由于运行维护及管理不当或外力破坏等原因，低压导线断线，变压器缺相运行，修理不及时或现场临时处理，都可能造成某相长时间甩掉部分负荷，将会使配电变压器处于不平衡状态下运行。

从上述分析可知，影响配电变压器三相负荷不平衡运行的因素，既有主观上的又有客观上的，既有供电部门的又有用户的。

3 防止变压器负荷不平衡的措施

3.1 制定变压器负荷不平衡的运行管理制度

以变压器电能计量考核箱抄见电量为基准，按季度考核变压器三相负荷不平衡度的情况。设立变压器负荷管理的层级专项奖罚。

负荷每月至少进行一次测量，特殊情况下(如高峰负荷期间，负荷变化较大时等)可增加测量次数，对配电变压器负荷状况做到心中有数，为调整配电变压器负荷提供准确可靠的数据。配电专业的有关管理人员应定期或不定期的对配电变压器三相负荷状况进行监督性测量，掌握第一手材料，作为专业管理与考核的依据。

3.2 改造电网，增加低压四线覆盖密度，掌握三相负荷分布的动态

结合城网改造，合理设计电网改造方案。

配电变压器设置负荷中心，供电半径不大于300～500m，主干线、分支干线均采用三相四线制供电，5户以上居民建议不采用单相供电，同时制定台区负荷分配接线图，做到任何一个用户的用电改造接入系统，都受三相负荷平衡度的限制，避免改造的随意性。

3.3 加强供用电管理，确保变压器负荷平衡

用电与配电应密切配合。用户的临时用电，季节性用电，配电变压器运行人员都要及时掌握。尤其对单相设备申请用电，经过一年来的调整，不平衡度大幅度下降，安全经济运行能力明显增强。

4 改变三相负荷不平衡现状，实行单相三线制供电：

单相负荷的供电量约占全部供电量的20%～25%，也就相当于全国的总发电量1/4用于单相负荷。而现在我国的供电方式，对单相负荷供电的损失特别高，一般为20%以上，个别高达40%～50%，单相负荷供电的损失是很大，用电量约占全部电量的1/4，其产生的损失电量约占全部电量的1/10～1/15左右。本文主要从电网结构及供电方式上研究降低供电损失的措施。

1 单相供电损失大的原因(电网本身)

(1)供电半径长：无论城市还是农村，大都采取集中供电方式，如：居民小区建配电室，农村以村屯形成变压器台等，这样就形成了低压单相负荷供电半径长，一般都超过500m。

(2)光、力混供电：现在我国低压供电都采取低压为三相四线制、中性点直接接地系统，而高压多采用中性点绝缘的配电系统。在供电负荷构成上，动力和民用单相负荷共用一台变压器，形成了光、力混合供电状态。而在大多数光、力混合供电中，其动力又多为季节性负荷，如：城市的采暖锅炉，农村的排灌用电等等。这样就形成了在动力负荷为淡季时，变压器为严重轻载状态。使供电损失率增大(主要是铁损)。

(3)单相负荷的供电电压低。现在我国对民用单相负荷都采用单相220V供电(即一火，一零)。若提高电压，一方面不安全(对地电压不能超过250V)，另一方面，用电器具的电压也不易变更。因此，由于低压供电电压低，形成了低压线损增大，电压损失增大。既浪费了能源，又保证不了供电电压质量。

(4)当前我国电网上在用的设备70%是高能耗设备、急需更换低耗设备，在更换高耗设备时，是按原供电方式不变简单的更换，还是更换高耗设备和改造电网结构、改变供电方式结合起来，就是当前电网改造的中心问题。

2 单相三线制供电方式的优点。

单相三线制是指将单相电压分成相位相差180°的两个单相电压，而中间点是直接接地的一种供电方式，如图1所示。

高压侧为单相10kV，低压侧为相反的两个220V。单相三线制供电方式的优点：

(1)因为向量相反的两个单相220V联结在一起，且中间接点x是直接接地的(称中性点接地)，这时在两个相的输出端a1、a2，对地电压都不超过250V，符合安全规程的规定。

(2)由于单相三线制输出两个相反的单相电压，故a1、a2之间输出电压为440V，对一定容量的单相负荷相当于供电压提高一倍，因此供电电流为原来的1/2，如图2。一个村屯总荷 为10kW，10kW的单相负荷尽量均匀的分配到两个单相220V上。这时由于电压为440V，电流为原来的1/2，低压线损可降至原来的1/4。

(3)单相三线制供电线路电流可减少到原来单相供电的1/2。由图2b可见，由一个220V供电，其10kW的负荷完全由低压的两根导线供给。

由图2a可见，由两个相反的220V供电，10kW的负荷可分两组，每根导线只承担5kW，因此每根导线为原来电流1/2。如果负荷分配均匀，中性线没有电流，单相三线制电流降为原来的1/2，而流通回路长度没变，仍为两根线，因此线损可降至原来的1/4。

(4)由于单相三线制供电，负荷对称分布时，其电流为原来的1/2，故线路压降也减少1/2，对保证电压质量也有好处。

(5)由于高压侧为单相供电(如10kV)，可方便高压延伸到负荷中心，更能减小低压供电半径，使损失和电压降进一步降低，如图3所示。

假设图3中，原变电器台为光、力混合供电，农村排灌和照明共用一个台区，变台建在抽水站处，因此，居民照明供电就缩短了供电半径。为了节约资金，将原来变压器只给抽水用，一年也只运行2～3个月，即使是高耗变压器，使用时间也短，待资金能解决时再更换，将高压延伸2根线到村屯中间，安装一台单相三线的变压器，这时低压电供电半径即可缩短一半，使线损进一步降低。由于照明安装新型节能变压器，照明一年中长年使用，节能效果明显。也可实现变压器在比较高的负荷率下运行。