简析不对称三相系统的危害及处理措施

简析不对称三相系统的危害及处理措施
摘要：介绍了低压电网三相负载不对称带来的诸多危害，譬如降低设备出力、使漏电保护器频繁动作、降低用户的电能质量、增加
线路损耗，甚至烧断中性线威胁用电设备的安全。

并分析了产
生这些危害的原因。

并为改善低压配电网的运行条件，提出了
调整三相负载平衡的具体方法。

关键词：低压配电网；负载平衡；危害
随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，家庭除照明电器增多外，大量的中高档，大功率的家用电器也进入寻常百姓家，小企业、小商户等用电户越来越多，这些都是采用单相电源；低压配电网也有类似现象。

在单相负荷用电量极大增长的情况下，若不注意三相负荷平衡，可能使低压配电网的三相不平衡度增加，电网技术状况变差。

而且低压配电网三相负载的不平衡，严重影响供电的可靠性、安全性，不仅使损耗增大，用户电能质量下隆，甚至会造成供电设备以及低压电器的损坏。

因此，三相负载的平衡问题应该引起人们的高度注意。

1三相负载不对称的成因
在三相四线制低压电力网中，由于用电户使用功率不相同，有单相负载的存在，因此三相负载一般是不对称的。

1．1正常情况
在正常情况下，各种单相负载，如电灯、电风扇、电视机、电冰箱、洗衣机等连接在电力网中，故三相负载一般是不会对称的。

这是因为：
(1)单相负载连接时，l一相负载分配很难做到均衡；
(2)即使在连接时三相负载分配得很均衡，但各个单相负载开、停
时也不能做到同时进行操作；
(3)即使在连接时，三相负载分配得很均衡，但是使用中各个单
相负载也会小断地增加负载；
(4)生产中存在着电焊负载。

1．2 非正常情况
在非正常情况下，j三相负载小对称的情况极为严重，其原有：
(1)配电变压器高压侧线路发生一相或两相断线或接地
故障；
(2)配电变压器高调分头接触不良或高、低压侧接头，
绕组故障；
(3)配电变乐器高，低侧三相或两相熔断器熔丝熔断；
(4)低压电网一相或两相线路发生接地或断线故障；
(5)三相线路阻抗相等或电动机三相绕组中，有一相或两相发生故
障；
(6)单相负载私托乱接或窃电价差额，把照明负荷误接到动力线
路上，见图1。

2 三相负载不对称度要求
(1)在三相三线制系统中，一般要求异步电动机任一相电
流与三相电流平均值的偏差不超过10％。

(2)在三相四线制系统中，相负载不对称度在电源侧不
得大于10％，在负载侧不得大于20％。

3 三相负载不对称的危害性分析
低压电网三相负载不对称时常见危害大致有以下几个方面。

3．1 降低设备出力。

变压器、开关、接触器、线路等设备是按三相负载平衡条件来设计的。

如果三相负载不平衡，设备容量只能以三相负荷中最大一相为限，因此设备出力降低，减小了其使用功率。

3．2 引起低压漏电保护器的频繁动作，甚至送不上电。

低压漏电保护是防止人身触电伤亡的有效技术措施，只有三相负载平衡，低压漏电保护才能良好运行。

正常运行时通过漏电保护器的电流为三相负载电流之和，发生触漏电事故时，为三相负载电流与触漏电电流之和。

因为触电是偶然发生的，故这时流过漏电保护器的电流一般为三相漏电流之和，每相漏电流的大小由每相对地阻抗的高
低决定，而每相对地阻抗的高低主要由接在该相上的单相负荷用电户的多少来决定。

当三相负载不平衡时，三相漏电流也不平衡，这时漏电保护器中流过的电流为三相不平衡漏电流，当该电流值大于或等于漏电保护器的额定动作电流时，将引起保护器跳闸，当三相负载平衡且三相线路对地绝缘大致相同时，流过漏电保护器的电流近似为零，使漏电保护器在发生触漏电事故时动作灵敏可靠，无故障时就不动作。

即使在阴雨天气，漏电流增加，由于三相电流平衡，通过漏电保护器的电流也近似为零，从而漏电保护器也不动作，从根本上改善了漏电保护器的运行条件。

3．3 降低用户的电能质量。

三相负载不平衡，在中性线阻抗过大(线径过小)或断线情况下，中性点就会发生较大位移，造成三相电压不对称，中性点向负载大的方向偏移，三相中哪相负载大，哪相电压就降低，而负荷小的相电压则升高。

其不平衡程度与三相负载不平衡程度成正比。

这使接在重负载相的单相用户，电压偏低，电灯不亮，电器效能降低，小水泵易烧毁；而接在轻负载相的单相用户，电压偏高，缩短电器使用寿命，还可能造成电器绝缘击穿，损坏电器。

3．4 影响电动机的正常运行
对三相动力用户来说，三相电压不平衡，影响电动机的输出功率，并引起电动机过热。

三相电压不平衡时，会出现正序和负序电压，在异步电动机定子中产生一个负序旋转磁场，电动机在正负两序磁场的作用下运行，由于正序旋转磁场比负序旋转磁场大，故电动机的旋转方
向仍与正序方向相同。

负序磁场的存在，产生了较大的负序方向的制动力矩，使电动机输出功率减少。

又由于转子阻抗小，产生的负序电流大，使绕组温度升高，减少了电动机的使用寿命。

3．5 使中性线中存在电流
如果长期运行，中性线绝缘层易老化，甚至烧毁中性线，严重时还会使配电变压器烧坏、单相用户的家用电器烧坏。

若三相负载严重不平衡且中性线阻抗很大时，将使中性线出现很高的对地电位，对人身安全构成危险。

对于三相四线制电路，假设三相负载阻抗Z A为容性、Z B为感生、Z C为纯阻性，当其电流电压相量图为图1时，其中性线电流İN=İA+İB+İC将会很大，甚至超过最大相电流，这是一种较为严重的失衡现象。

如图2：
图2 负载的电流、电压相量图
3．5．1 当中性线电流过大时，影响配电变压器的正常运行零序电流所产生的零序磁通会通过油箱壁及钢结构件引起较大的损耗，从而使配电变压器运行温度升高。

绝缘油和绝缘材料长期受
到高温影响，变压器寿命会缩短，严重的甚至烧坏。

3．5．2 中性线由于电流过大烧断时，对单相用户的家用电器可能造成严重危害
如图3所示。

在三相四线制电路中，L1相带一个220V、150W 灯炮，L2相带一个220V、15W 灯泡,L3相未带负荷。

现假设灯泡前的中性线因故断开，则150W 和15W 灯泡相当于串联后接在380V 回路中。

设其阻值分别为R1和R2 。

150W 灯泡上的电压仅为35V，微微发红；而15W 灯泡上的电压则高达345V，不久即烧毁。

其他家用电器也有类似现象。

若三相负载平衡，即使中性线偶尔断开，各相负载电压也相差无几，不至于烧毁电器。

图3 中性线断后引起负荷电压不对称
3．5．3 中性线由于电流过大烧断时，会加重触电危险
当中性线断开点之后的电气设备单相碰壳时，这时断开点之后采用接零保护的所有用电设备，便会带有较高的接触电压，使接触该设备的人有触电的危险。

虽然零线采用重复接地减小了这种触电的危险
性，但这种现象也不可避免。

3．6 三相负载不平衡时，会增加线路上的能量损耗。

对于三相四线制线路，当三相功率因数相等而各相电流不等时，线损为
ΔP={[(I A-I B)2+(I B-I C)2+(I C-I A)2]/3}×R+I N2R N
式中：I A、I B、I C分别为各相负载电流，I N为流过中性线的电流，R为三相输电线的电阻，R N为中性线电阻。

从式中可以看出不平衡度越大，则线路损耗也越大，中性线电流越大，中性线截面越细(阻抗大)，损耗也越大。

3．7三相负载不对称使各相电压不平衡
由于配电变压器按对称运行情况设计，制造其每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。

相负载对称时，三相电流相等，则变压器的内部压降相同，所以其输出电压是对称的。

当相负载不对称时，各相电流不一致，因此每相在变压器内部的电压降低也就不相等，造成相输出电压不对称。

当变压器三相负载不平衡时，中性线电流较大。

由于中性线具有较大的阻抗压降，从而中性点位移，各相电压发生变化。

当A相负载为感性时，A相电压变化最严重，B相次之，C相最小；当A相负载为电阻性时，B相电压变化最为严重。

当中性线电流为额定电流的25％时，在感性负载的情况下，负载相的电压变化率为8％；当中性线电流为额定电流的50％时，负载相的电压变化率达12％，而非负载相则不超过5％。

这种电压变化造
成有些相的电压过高或过低，这对电气设备的运行和安全极为不利。

3．8 三相负载不对称使零序电流增大，局部钢构件温度升高三相负载不对称运行时产生零序电流，这个零序电流随不对称程度大小而变化，不对称程度越大，零序电流也就越大。

由于零序电流的存在，在变压器铁芯中产生零序磁通，而高压侧没有零序电流，这就迫使零序磁通只能从变压器的油箱壁及钢结构件中通过，而这些钢构件设计时不考虑导磁，所以磁滞和锅流损耗造成钢构件局部温度升高，从而造成了功率损耗。

3．9三相负载不平衡，降低了电动机的效率
由于变压器相负载不平衡引起的平衡电压，存在着正序、负序、零序个电压分量。

当通入电动机以后，负序电动势就产牛与正序电动势相反的旋转磁场，起到制动作用。

由于正序磁场比负序磁场大，电动机仍与正序磁场旋转方向一致，但由于负序磁场的制动作用，电动机输出功率减少。

如果电动机的中性线接零，还将有零序电流通过。

这个零序电流在绕组电阻消耗电能增加电动机发热，同时还产牛一个脉振磁场，消耗较大的尤功功率。

上述可知，变压器不对称运行时，将使电动机的效率降低并增加电动机的温升和尤功消耗，这是不经济和不安全的。

3．10三相负载不平衡，增加输电线路损耗
电流通过导体产生的功率损耗与线路电流的平方成正比。

三相负载对称和小对称运行时，在送电容量相同情况下，三相负载不对称造成的线路损耗是比较大的，运行是极不经济的。

4 一般调整方法
随着人们生活水平的提高，照明设备、家用电器的增多，加之农副加工业、小企业、小商店、动植物养殖业的迅猛发展，使得单相负荷成为农村低压配电网的主要用户，因此在农村电网搞负载三相平衡是十分必要的。

在单相负载很多的城市低压配电网也有类似现象。

负载三相平衡的调整方法常见的有以下几种：
4．1 根据用户类型均衡分配负载
用电户一般分为5类：一类为高用电户，其中房屋多、照明灯多、家用电器多，用电时间长，用电量大；一类为一般用户；一类为低用电户，其家中灯泡少，家用电器少，每天主要在晚上负荷高峰期间用一会儿电，用电量很少；一类为小企业、养殖业用户等，其家中有容量较大的单相负荷，(如小水泵、电热器具、其他加工机具等)，用电有一定规律性，再一类是小商户，平时如一般用电户，夏季连续几个月使用冰柜。

为了使三相负载电流在多数时间接近或相等，则每相上应接这五类用户各1／3。

4．2 根据用户用电性质均衡分配负载
现代大楼办公设备上使用较多的单相净化稳压电源，往往呈容性，而传统的白炽灯、日光灯均呈阻性和感性。

因此在三相四线制供电系统中，要力求按负荷的性质和功率大小均匀分配三相负荷，同时中性线的截面积不要选择太小，以免电流过大造成事故。

4．3 做到三相负载的三级平衡
(1)配电变压器出口平衡：在配电盘上部的低压进线上测定三相电流相等，中性线电流为零。

(2)线路出口平衡：在配电盘下部的各路低压线路出线上测定三相电流相等，中性线电流为零。

(3)接点(杆塔上的下户线接点)平衡。

接点平衡，即用电户的就地平衡，是基础，自下而上，才能达到低压电网处处平衡。

农村低压线路遍布大街小巷，若干线下户线从某杆基上引下，此处称接点。

接点平衡即该点处的单相负荷均衡地分配到三相上，即负荷就地平衡。

所有接点平衡一所有区段平衡一线路出口平衡；所有线路出口平衡一变压器出口平衡。

实际线路，有的接点能够就地平衡，有的则不能(如三相差距太大，或只有一相或两相下户线)，可通过下一接点平衡，即就近平衡，总之使不平衡的区段最短。

三相负载的平衡以晚上高峰期间用电为基准，兼顾其它时间。

参考文献：
[1] 邱关源．电路(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，2000．
[2] 张弘廷．低压降损的金钥匙[M]．北京：中国电力出版社，2003．
[3] 陈家斌．接地技术与接地装置[M]．北京：中国电力出版社，2003。