三相四线低压配电系统电压、电流不平衡问题研究(1)

三相四线低压配电系统电压、电流不平衡问题研究

华北水利水电学院周国安

引言

低压配电系统，是指从终端降压变电站的低压侧到用户内部低压设备的电力线路，其电压一般为380/220V。对于380/220V低压配电系统，我国广泛采用中性点直接接地的运行方式，且引出中性线N和保护线PE。中性线N的功能，一是用于需要220V相电压的单相设备；二是传导三相系统中的不平衡电流和单相电流；三是减小负荷中性点电压偏移。保护线PE的功能，是防止发生触电事故，保证人身安全。通过公共的PE线，将电气设备外露的可导电部分连接到电源的中性点上，当系统设备发生单相接地故障时，便形成单相短路，使保护动作、开关跳闸、切除故障设备，从而防止人身触电，这种保护称为保护接零。

按国家标准规定，凡含有中性线的三相系统，统称为三相四线制系统，即“TN”系统；若中性线与保护线共用一根导线（保护中性线PEN）则称为“TN-C”系统；若中性线与保护线完全分开，各用一根导线，则称为“TN-S”系统；若中性线与保护线在前段共用，而在后段又全部或部分分开，则称之为“TN-C-S”系统。

对低压配电系统的配电要求：

⑴可靠性要求。低压配电线路首先应当满足用户所必须的供电可靠性要求。所谓可靠性，是指根据用户用电负荷的性质和避免由于事故停电造成经济损失，对用电设备提出的不中断供电的要求。

⑵用电质量要求。低压配电线路应当满足用户电能质量的要求。电能质量主要是指电压、频率和基本正弦波形，三个指标中的电压质量，是看加在用电设备端的网络实际电压与该设备的额定电压之间差值，差值越大，说明电压质量越差，对用电设备的危害也越大。电压质量除了与电源有关之外，还与动力、照明线路的设计是否合理有关。频率为系统额定频率50Hz。波形应为正弦波形无谐波。

低压配电系统供电对象多为民用住宅小区、公共娱乐场所、办公楼、教学、

科研与试验、博物馆、火车站、高层建筑、工厂车间动力照明等。中性线在三相不对称负荷中的作用是保证三相负荷电压降对称的基本条件，380/220伏三相四线制供电系统的最大优点是动力和照明合用一台变压器，这样就可以大大节省投资，方便管理，目前，我国城乡低压系统都有采用三相四线制混合用的低压供电系统。据资料显示，有的配电系统甚至80％以上的负荷都属于单相负荷，这样，必然会产生相间负荷分配的平衡问题。负荷的不平衡会带来三相电压的不平衡，若再加上一旦中性线断线，则三相负荷电压的不平衡更为严重，以致引起大片用户烧坏用电设备的严重事故，给用户造成严重的经济损失，甚至会引起火灾等事故。

在三相四线制供电系统中，在设计阶段都会考虑负荷每相的平衡性，但是，接入每相负荷的大小在概率统计上都具有随机性，低压系统中除了电动机为对称负荷外，照明和单相负荷均会造成负荷的不对称，从而导致三相电流的不对称，以致中性线的电流不为零。若不考虑中性线电阻的存在，则各相电压仍然对称，各相负荷依然能够正常工作；若考虑中性线电阻的存在，则负荷中性点和电源中性点之间电压都不再等于电源电压。尤其当中性线电阻较大或三相负荷的不平衡度过大时中性点的电压偏移亦较大，可能会引起电器设备不能正常工作。

若中性线断线，单相负荷的正常工作状况就会遭到破坏，轻则无法正常发挥作用，重则将损坏电器设备。因此，中性线对三相不对称负荷能否正常工作起着及其重要的作用，在使用中除了中性线不能装设熔断器外，还要保证其可靠性，才能保证三相不对称电路的单相负荷设备的安全及正常工作。

中性线断路，只要负荷不对称，就会出现中性点漂移，而且中性点漂移的程度随负荷不对称程度增大而增大，各相电压随负荷不对称增大而变化很大。由于没有中性线导通不平衡电流，负荷中性点因各相负载不平衡而产生较大位移，造成三相供电电压严重不平衡。引起的过电压幅值为几十至上百伏，历时几十至几千秒时间内形成。同时，由于中性点电位的升高，使接零设备的外壳带上危险的电压，造成设备的损坏和人员伤亡等事故。用电负荷大的相，因其阻抗低而分压小，其负载实际承受的电压低于额定相电压220 V，出现灯泡发暗或电器不能正常运转等欠压现象。用电负荷小的相因阻抗大而分压大，负载承受的电压远高于额定电压，甚至接近线电压，造成用户的用电设备因过电压而烧毁。例如，一只

220 V 的白炽灯，如果发生380 V 过电压，灯泡发白，灯丝过热经历几十秒后灯丝烧毁。又如，一只220 V 电源变压器，如果发生380 V过电压，铁芯高饱和引起励磁电流加大，可以经历上百至上千秒，最终变压器过热烧毁。由此可见，中性线断线引起过电压有一个潜伏期、高速发展期及最终结束期。其时间为几十秒至几百、上千秒。因此过电压保护的动作速度可以有大的延迟。

根据上面分析中性线断线过电压发生发展和设备损坏是一个比较长的过程的规律。因此，改进办法是过电压保护动作应当有足够的延时，动作值也应当提高。这样可以躲过电网中的过电压，减少误动作。

近年来，随着我国人民的生活水平不断提高，家用电器的数量和质量也不断提高，那么低压系统的用电安全是一件关系老百姓切身利益的大事。从上述分析可知，不论有无中性线，只要相间负荷分配不平衡，即会出现中性点漂移。当中性点偏移值过大时，会对用户造成严重的后果。

本项目从补偿平衡原理出发，研究负载为星形接线的电压、电流不平衡问题。

①若中性线完好，采用在相与中性线间补偿无功或相间补偿无功的方法，控制中性线电流为零、三相电流平衡，以降低系统线损且避免中性线电流过大烧毁电器设备。重点研究补偿相的选择和补偿量的计算问题。在补偿相选择过程中，对需要补偿的相进行判断，可保证投切的是电容而非电感，符合实际的操作情况。

②若中性线断线，采用相或相间补偿无功的方法，控制三相负载电压接近平衡，以降低系统事故且避免负载不正常运行和损坏、提高对系统用户用电的可靠性和用户负载的安全性，重点研究补偿相的选择和补偿量的计算问题。由于此时的补偿量不能显式表示，故采用遗传算法这种优化方法进行求解，可按设定精度进行计算，实现全局寻优。与不采用优化方法相比，小减小计算量、快速求解。经过补偿使三相负载电压接近平衡，不仅降低系统事故且避免负载不正常运行和损坏。此方法大大提高对系统用户用电的可靠性和用户负载的安全性。

由于所研究的问题是在负荷侧，为了简化分析，假定三相电源的电压是对称的，三相电压的模相等，相位互差1200，频率为系统额定频率值即50Hz，波形为正弦波。

本报告分二章，通过对不同运行情况进行无功补偿，实现对三相电流、电压