三相负荷不平衡的管理与控制

三相负荷不平衡的管理与控制

施菊华

上海市崇明区教育事务服务保障中心     

【摘要】本文主要阐述了校园低压线路三相负荷不平衡的成因、危害及如何改善，结合笔者校园建筑电气安装工程施工管理实践，从三大方面作了必要的分析，提出如何管理与控制校园三相负荷不平衡现象，以使广大校园电气管理人员引起重视，更好的保障校园电气安全。

【关键词】三相负荷不平衡；成因；危害；改善

1 前言

近年来，随着科技的发展和生活水平的不断提高，校园电气设施设备的发展也越来越快，电脑、电视、空调、风机、泵房、厨房设备等电气负载急剧增加，用电量大幅度攀升，导致一部分老校园呈现超负荷、三相负荷不平衡的情况。而崇明作为上海的郊区，供电基础建设与市区差距较大，尤其是乡村学校，三相负荷不平衡的现象更为突显，整个校园的用电存在安全隐患。崇明区教育局在这部分老学校、乡村学校的高低压配电改造和建设管理过程中，花了很多心血，集中进行配电间设备及线路改造，诸如将变配电装置设在负荷中心，合理增设独立变压器或扩大变压器容量，缩短供电半径，加大电缆、导线直径，整改户内线路，增加低压线路等措施，对三相负荷不平衡有很大改善作用。

2  校园低压线路三相负荷不平衡原因分析

2.1低压电网电压波动造成电压不平衡，三相电流不平衡。

2.2单相负荷和三相负荷混合使用、每个相的负载分布不一致、单相负载使用时间不同以及单相负载的接入是导致三相不平衡的主要原因。如在一部分校园的发展中，大量的照明负荷、单相空调、速热装置等大功率设备的不断增多，加上接电人员的不专业、疏忽、偷懒，就会造成三相负载的不平衡。单相负荷与三相负荷混用接线如图1。

图1  TN-S系统

2.3相间短路、单相短路造成三相电流、电压不平衡。

2.4有时候，三相负载的负载情况看起来比较接近，各相的电流也相差不多，但是中性线的电流却很大，甚至超过了最大相电流。这是因为三相负载的性质不同所引起的。表1对校园常用电气设备的负载性质进行了汇总和统计。

3  三相负荷不平衡的危害

由表1可知，生活中常用的电器设施设备以感性、阻性负载为主，我们的校园也是如此，现以感性负载为例分析，理想状态，当三相负载完全平衡时，三相电流相等，中线电流。如图2。

当三相负载出现不平衡时，三相电流（或电压）幅值不一致，中线电流将不再为零，，如图3。

图4三相负荷不平衡造成电压中性点偏移示意图

由此图2、3、4可见，三相负荷不平衡最为直观的表现是电流与电压的幅值和角度的改变导致中性点漂移，这会给我们校园的电气设备和线路有很大危害，主要表现在以下几方面。

3.1配变会产生零序电流。这种电流的大小取决于三相负载不平衡的程度，不平衡度越大，零序电流也越大。这种情况会导致配变的绕组绝缘因过热而加快老化，并且零序电流的存在也会增加配变的损耗。

3.2配变出力的不均。当负载不平衡时，负载轻的一相会有富余的容量，造成配变的输出减少。而负载重的那一相则因为过热影响其寿命，进而缩短整个变压器的寿命。经过研究发现，在变压器额定负荷下，电流不平衡度为10%时，其绝缘寿命约会缩短16%。因此，在过负荷状态下，很容易使变压器损坏甚至烧毁。

3.3增加线路的电能损耗。三相负载运转不平衡会让电流通过中性线，这会导致相线和中性线都产生损耗，进而增加了电网线路的损耗。中性线中流通的电流过大可能会导致线路熔断。有些建成年代较久的校园中性线导线的粗细一般都能达到相线的50%。但在选择时，选择的中性线粗细比这要小，接头质量不能达到预期要求，这会导致电阻增大，甚至中性线接头过热烧断故障也是经常发生的事情。

3.4电动机效率降低。校园的水泵、厨房排风设备、电梯等由于不平衡电压存在，三相电压不平衡度增大会导致无功损耗增加，电动机在此情况下运行非常不安全且不经济。

3.5用电设备的安全运行受到严重影响。当负载不平衡时，一相电压的降低会导致负载重的设备无法正常工作，而升高的电压则会对负载轻的设备造成损害。这对大量使用白炽灯的照明系统也会产生负面影响，使光通量减少、照度降低。当电压升高或降低5％时，灯泡的寿命将减半或消耗量剧增。过高或过低的电压还会影响电器的过压或欠压保护，从而导致电器无法正常工作。如果一相电压过高，会导致用电设备损坏，而过低则会导致设备无法正常使用。因此，三相负载不平衡会对用电设备的安全运行产生严重威胁。

4  三相负荷不平衡如何改善、控制

4.1均匀分布负荷 

校园配变布点尽量接近负荷中心，避免扇型供电和迂回供电。改造校园低压供电线路，根据校园实际负荷重新设计调整低压配电回路的三相负荷，尽量使其平衡。

4.2合理减少供配电系统的阻抗

系统阻抗是导致电压偏移的主要因素之一。为了保持电压水平相对稳定，合理选择导线截面并降低系统阻抗是至关重要的。增加铜线的粗细可以减少电阻，降低输电损耗，并减少负荷变动情况下电压的波动。当条件允许时，应该使用电缆线路来供电。需要注意的是，与架空线相比，高压电缆的电抗远小。

4.3 为了提升校园用户的功率因数并降低输送的无功功率，需要采取合理的措施，特别是针对常用电器多为感性负载的情况。因此，合理配置无功补偿设备尤为重要，可以使用新型的无功补偿设备，并推荐将原来采用的三相集中补偿改为分相就地补偿。许多校园已经通过采用分相电容补偿的方法改善三相负荷不平衡的问题，将功率因数从cos=0.8提高到cos=0.95。该方法的原理与三相负荷不平衡自动调节装置相似。

4.4积极开展变压器负荷实际测量和线路调整工作。定期或不定期开展，尤其是在大的负荷投运和在高峰负荷期间，要增加实测的次数，对配变低压侧A、B、C三相引出线的相电流及零线的电流，或者是测量零线（排）对地电压，再向低压配电线路的末端和分支端延伸，从而通过计算判定三相负荷不平衡的情况，确定调荷点。

4.5增大中性线截面，使之与相线截面相同。在三相对称平衡系统中零线电流为零，但是三相平衡系统只是理想状态，即使是三相对称负荷也会有稍微的参数差异，也会有少量零序电流。在单相负荷中，即使负荷分配的再平衡，由于同时使用系数，用电设备差异等等都会导致零线中有电流流过。但是三相不平衡最大的零线电流也是等同于相线电流，所以按等径相线选择零线是没问题的。

5 三相负荷不平衡校园实例的管理控制

近年来，崇明区部分老校园已对三相负荷不平衡进行针对性的管理控制后有明显改善。如向化小学、庙镇幼儿园、大新中学、庙镇小学、西门小学、莺莺幼儿园、实验小学、新村学校等。以向化小学为例，该校原与镇政府、乡办企业、居民等共用一台400kVA变压器，且距离校园250米远，原校园申请容量仅为60kW，随着学校不断发展，新增、更新很多电器设备，特别是单相空调，后期大量接入，导致校园不平衡电流现象尤为突出，经过实地踏勘设备及线路情况，核算实际总用电量，决定一将校园用电容量扩大，二缩短供电半径，三增加电缆截面，四将三相负荷在末端进行合理分布，五配置电容柜分相补偿，六低压出线增设多功能表供实时观测电流电压数值。通过这六个方法，该校园的三相不平衡得到了有效改善。如改造后向化小学办公室低压系统图如图5。

6 结语

总之，我们应该采取科学合理的措施来预防、管理、控制校园电气三相负载不平衡的隐患，保障校园用电安全。

参考文献

【1】智能电表计量误差来源分析及其抑制方法探究[J]. 王妲.电子测试,2019(07)

【2】基于电压幅值对数变换的配电网三相不平衡线性潮流计算[J]. 李红伟;潘力;韩璐;葛茗瑞.中国电力,2022(05)

【3】低压配电网三相不平衡问题及处理对策探究[J]. 冯亚明.科技创新与应用,2021(25)

【4】分布式电源接入对配电网供电可靠性影响分析[J]. 赵永生;王吉文;凌松;程辰.电气自动化,2020(06)