三相负载，降低不平衡度

1）基本概况

三相不平衡是指在电力系统在正常运行时，由于构成三相电力系统的元件参数不对称，尤其是三相负荷的不对称，三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围。将三相不平衡度控制在一定范围内是保证电能质量和降低损耗的重要工作之一。不平衡度是指三相系统中电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波风量的均方根值百分比。

（1）三相不平衡的危害

①增加线损。

在电气照明系统设计中，三相负荷越接近，越节省管材与导线，且减小中性线电流，进而中性点电位浮动小，各相负载电压得以保证，能耗也最小。因为建筑供配电及照明系统中，终端用户的供电形式均为三相五线制。若系统三相负荷对称运行，零线上通过电流则为零；而三相负荷不平衡时，各相的负荷电流不相等，就在相间产生量不平衡电流。对于有中性线引出的低压系统，这些不平衡电流除了在相线上引起损耗外，还将在零线上引起损耗，对应系统输电线路线损也增加。例如，三相负荷平衡时，假设总负荷电流为3I，每相电流均为I，设相线及中性线电阻都是R，In＝0，则线路功率损耗为：

若某项负荷为2I，另两项都是0.5I，则中性线电流就不为0，功率损耗为：

与平衡时相比，功率损耗增加了1.25倍。

采用三相四线制供电方式：当三相负荷平衡时线损最小；当只有一相负荷重时线损增量较小；当一重一轻，而第三相负荷为平均值时线损增量较大；当有两相负荷较重，另一相负荷较轻时，线损增量最大。相负荷不平衡时，线损增加率随不平衡度按平方关系上升，当中性线电阻为2倍输电线路电阻时，线损最大可达到三相平衡时的8倍。即使三相负荷大小相等，当相角不对称时，同样可以引起线损的增加。因此，在实际计算中，不仅要考虑三相负荷大小的不平衡，还应考虑相角的不对称。

建筑供配电及照明系统中，系统设计的平面布置及系统方案的确定，应尽可能做到三相对称布置。由于调整三相负荷达到三相平衡几乎不用增加投资，所以应将它作为首先采取的降损措施。

②影响用电设备的安全运行。

当配电变压器在三相负载不平衡时运行，其各相输出电流就不相等，若控制最大相电流为额定电流，则其余两相就不能满载，变压器容量就不能充分利用。变压器内部三相压降不相等，这必将导致配变输出电压三相不平衡。同时，配点变压器在三相负载不平衡时运行，会导致中性点漂移，致使各相相电压发生变化。此外三相不平衡还会导致一些作用于负序电流的保护盒自动装置误动作。所以三相负载不平衡运行时，将严重危及用电设备的安全运行。

③感应电动机效率降低。

由于不平衡电压存在着正序、负序、零序3个电压分量，会产生制动转矩。使感应电动机的最大转矩和输出功率下降，从而导致感应电动机效率降低。同时会导致绝缘老化过程加快。

（2）三相不平衡的原因

①电环节元件三相参数不对称，往往是由于线路的不平衡引起的。供电环节的三相元件主要包括发电机、变压器和线路（架空线和电缆）等。三相架空线路由于在架设时三相导线的排列方式不能完全保证时间、相对地的相对位置关系完全对称，电缆的不对称度几乎为零。

②电环节元件三相参数不对称，主要是由三相负荷不对称引起的。

在公共建筑中主要是单相照明和单相用电设备，工业上有例如电气化铁路和节流电弧炉这样的干扰负荷。

③对称故障。

包括不对称短路故障（单相接地故障、相间故障、两相接地故障）和非全相运行工况（单相断线、两相断线）。其中中性点不直接接地系统的单相接地故障和非全相运行工况可能允许运行较长一段时间，从而造成三相电压不平衡。

（3）改善三相不平衡的措施

①将不对称负荷分散接在不同的供电点。

②使用交叉换相等办法使不对称负荷合理分配到各相。

③加大负荷接入点的短路容量。

④装设调整不平衡电流的无功补偿装置，可以在补偿系统无功的同时调整不平衡有功电流。

随着人民生活水平的提高，建筑物趋于智能化，电气设备与用电量也大大增加，三相不平衡越来越严重。所以，广大设计人员在电气设计时应该充分利用以上介绍的方法做到三相平衡，以保证电能质量，降低损耗。

2）节能诊断

（1）主要参数确定

主要参数包括三相L1、L2、L3电压，L1、L2、L3电流，L1、L2、L3功率，L1、L2、L3功率因数，N相电流。

（2）实例分析

①低压配电屏测试。

某配电室有两排配电屏，变压器1＃、2＃的后端负载配电屏由1个联络柜进行连接，变压器3＃、4＃后端负载配电屏由1个联络柜连接。屋顶的空调配电室有两排配电屏。配电屏采用固定式柜体，主接线采用单母线分段式的总线方式，配电室采用封闭式母线槽在顶上敷设。配电屏外观如图7.18所示，参数及分析如表7.21—7.23所示。

图7.18　低压配电屏

表7.21　配电屏电力测试一

表7.22　配电屏电力测试二

续表

注：上表中未能填写的部分主要因为现场条件有限，测试仪器无法满足环境要求，如相线端子距离过近，电缆线截面积大、线芯少、硬度大，钳形表无法钳拢等或功率因数太低，表计无法显示。

表7.23　配电屏电力参数分析表

从配电屏支路的电力分析来看，最大一相的过电压为4.09%，没有超过额定电压的5%，满足规范要求。为了高效地利用电流，一般负荷的三相电流不平衡度不超过15%，空调冷热站的支路三相平衡性较好，功率因数基本在0.8以上满足要求；信息中心的电流不平衡度超过了规范的要求；照明插座支路由于采用母线槽树干型敷设，母排过宽无法测量。

结论：空调冷热站各支路的进线电压的压值和不平衡度均满足规范要求；信息中心的电流不平衡度超过了规范要求，线路损失较大。

建议：通过调整信息中心末端负荷在各相上的平衡，减小线路损失。

②楼层配电箱。

建筑每层楼配置了1个配电间，配电间内安装了一台壁挂式楼层照明配电箱为楼层照明设备及室内设备供电。测试数据如表7.24，分析如表7.25所示。

表7.24　建筑配电盘进线测试一

续表

表7.25　建筑配电盘进线电力参数分析表

续表

从各楼层配电箱的进线的电力参数来看，最大一相的过电压为3.18%，超过了规范要求的过电压占额定电压的5%的限值。为了高效地利用电流，一般负荷的三相电流不平衡度不超过15%，有25个支路的电流不平衡度大于20%，占可测量的总量的89%；规范要求零线电流一般不应超过相线电流的33%，全部支路的零相比均大于规范要求，零序电流损失严重。

结论：楼层配电箱进线电流三相不平衡度较大，零线电流占相线电流的比重大，线路损失较大，同时也会提高变压器的损耗。

建议：通过调整末端负荷在各相上的平衡，减小线路损失，采用谐波小于基波6%以内的照明及办公设备，避免零线电流过大引起的额外损耗。

（3）节能措施

根据现场勘察的情况来看，超过89%的楼层配电箱进线电流不平衡度和所有支路的零相比都不满足电力规范的要求。因此，减小三相不平衡度和降低零线损失将是本次配电系统节能改造的重点。

办公楼的照明与插座负荷同楼内办公电器、照明灯具的工作制类型、使用时间、输出效率有关，并受到其人员的出差、外出和增减影响而呈现不规则变化。因此，采用具备自动跟踪输入电流，根据不平衡状况来自动分配末端负载的智能型负荷平衡器，可以最大限度地减小电流不平衡度，降低照明和插座能耗，保障节能量的持续产出。在各楼配电间的楼层配电箱旁边安装智能型负荷平衡器，平衡器落地安装，由角钢固定。(www.xing528.com)

建筑楼层配电箱的零线电流很大，几乎所有的进线零相比都不满足规范要求。采购符合国家谐波要求的照明灯具和办公设备，采用滤波电抗器，减小零线电流，降低零序电流在线缆和变压器内部的损耗。

（4）节能效果

建筑的楼层配电箱进线电流不平衡度平均值为35.81%，零相比为89.30%，都远远超过了规范要求，经过改造后，电流不平衡应达到15%以下，零相比不平衡度应达到33%以下。根据现场测试，建筑楼层配电进线一般为一相大、一相小、一相接近平均值，通过计算，可得到该项节能量约为13 748 kW·h。

3）主要技术

（1）就地补偿及调衡技术

①就地补偿技术。

在工矿企业，绝大多数用电设备均属于感性负荷，这些用电设备在运行时除了从供电系统取用有功功率外，还取用相当数量的无功功率。这就造成了系统无功电源的不足，使系统电压降低，从而损坏用电设备，影响生产的正常进行。另外，无功电源的不足所引起的功率因数和电压的降低，会使电器设备得不到充分的利用，电能损耗增加，效率降低，电路输送有功负荷的能力简单。因此，补充电网无功功率，提高功率因数，是电力系统安全经济运行的重要保证。无功补偿的方式有两种：集中补偿和就地补偿，而就地补偿较集中补偿具有特别的优点。

A.就地补偿的容量选择。

就地补偿就是补偿电容和感性负载直接并联，以提高功率因数，节约电能。

a.一般感性负载的就地补偿。

一般感性负载补偿容量的选择取决于负荷功率的大小及补偿前后的功率因数。若电力负荷有功功率为P，功率因数为cosφ1，补偿后为cosφ2，则补偿容量无功功率Q为：

cosφ2的确定必须适当，将功率因数由0.9提高到1所需的补偿容量与由0.72提高到0.9时相同，显然经济性显著降低，甚至会得不偿失。

b.异步电机的就地补偿。

对异步电动机的就地补偿，一般是将空载运行中的异步电动机的功率因数补偿到1，即：

其中，U为电机线电压，I0为空载电流，K为配比系数，一般取0.9＜K＜1。

异步电动机以空载情况补偿，则其满载时功率因数仍为滞后。若以额定负载下补偿到cosφ＝1，则空载或轻载时电机势必要过补偿。过补偿的电动机在切断电源后，由于电容的放电供给电动机激磁电流，使仍在旋转着的电动机成为异步发电机，从而使电压超出额定电压，对电机的绝缘与电容器不利。当负载由零到满载时，负载支路中增加的无功分量很少，而励磁电流将随着负载的增加而略有下降。从而将空载运行中异步电动机的功率因数补偿到接近1，可以保证从空载到满载都有较高的功率因数。

c.变流装置就地补偿。

近年来，大型电力电子装置得到了广泛地应用。它使电网电压波形的畸变程度加大，降低了电力系统的自然功率因数。特别是这些设备产生的谐波对计量和测量仪表，继电保护装置的影响，对电动机，变压器的影响以及对通信线路的干扰等，就更应进一步引起注意。

B.就地补偿的效益。

a.就地补偿可以增加供配电设备出力。

b.就地补偿可以改善用户的电压质量。

c.就地补偿可以减少线路的功率损失。

d.减小谐波对邻近设备的影响。

e.消除由过补偿引起的附加损耗。

②调衡技术。

原理1：在相线与相线之间跨接电阻，具有在相线与相线之间转移无功的能力。

原理2：在相线与相线之间跨接电容或电感，具有在相线与相线之间转移有功的能力。

调整不平衡有功电流技术说明：

A.如果不平衡有功电流相当于AB相之间跨接一电阻，这时AB相有电流且电流为I，C相无电流。那么校正这个不平衡电流的方法是在BC相之间接入一电容，选择电容量使其电流为0.58I，在AC相之间接入一电感，选择电感量使其电流为0.58I，于是不平衡电流消失。具体用电平衡图如图7.19所示。

图7.19　AB相之间跨接一电阻用电平衡图

B.如果不平衡电流相当于A相与中线之间跨接一电阻，这时的系统中只有A相有电流I，BC相均无电流。那么校正这个不平衡电流的方法是在AB相之间接入一电容，选择电容量使其电流为0.67I；在AC相之间接入一电感，选择电感量使其电流为0.67I；在B相与中线之间接入一电感，选择电感量使其电流为0.58I；在C相与中线之间接入一电容，选择电容量使其电流为0.58I，于是不平衡电流消失。具体用电平衡图如图7.20所示。

图7.20　A相与中线之间跨接一电阻用电平衡图

如果不平衡电流相当于不只一个电阻，那么可以分别按各个电阻为准，计算出所需的补偿量，然后利用叠加原理进行计算即可。上述的调整不平衡电流的方法也带来一个问题，就是需要使用电感。在调整不平衡电流的装置里安装大量的电感是一件很麻烦的事情，电感又大又重，成本很高，损耗较大。所幸的是，在实际的系统中，往往拥有大量的感性负荷。正是因为这些感性负荷的存在，才需要进行无功补偿，而负荷中的电感正好可以利用。理论分析与现场实验均表明：只要恰当地选择电容器的接法，就可以达到即补偿功率因数又调整不平衡电流的目的。

下面举一例说明如何连接电容器来达到既补偿无功又调整不平衡电流的目的。设有一用电系统如图7.21所示，这是一个功率因数很低且三相严重不平衡的例子，三相的功率因数均为0.71。C相电流比A相电流大一倍。由图中可以看到：补偿电容器的总容量恰好等于负荷中的电感总容量，只是由于恰当地选择了电容器的接法，从而使三相的电流平衡，并且三相的功率因数均等于1，零线没有电流。

图7.21　电容补偿电流用电平衡图

（2）零线有源电力平衡技术

①技术背景。

由于电器设备开启的随意性，在三相四线低压配电网中，三相负荷不平衡状况是不可避免的，在三相负荷不平衡时负荷中性点产生偏移，负荷轻的端电压升高，负荷重的端电压降低，从而导致用户的用电设备烧坏。同时，由于零线过载所导致零线断路的危害，还使断路点后的电气设备丧失保护接零的保护作用。当零线断路，而断路点后面某一电气设备发生碰壳漏电时，接在断路点后的所有电气设备外壳都会带上相当于相电压的对地电压，一旦人体接触这些电气设备外壳，就会造成触电伤亡。

随着人民生活用电水平的日益提高，单相用电情况日趋复杂，由于零线断路造成的电器损坏、人生伤亡事件时有发生，要求赔偿的事件不断发生。在商业办公楼、商场、银行、股票交易中心、学校等大型现代化设备密集应用场所使用数以百计的微型计算机、电视机等电子设备，已十分平常。工程技术人员发现在集中使用这些电子设备的地方，三相四线制供电的负载尽管平衡，但零线电流仍然很大致使零线发热，甚至烧毁，造成事故。通过众多案例的现场分析，发生零线断线主要原因如下：

A.三相负载严重不平衡，零线电流过大或零线导线截面积过小，零线被烧断。

B.零线接头处接触不良，造成火花现象，时间长了，引起零线断路。

C.配电变压器的零线接线柱与导线连接接触不良，维护不到位，引发零线断路。

D.配电变压器内部零线引出线断路。

E.零线上装有熔断器或开关，熔丝熔断或开关跳闸造成零线断路。

F.铜铝触头在长期在带电条件下发生电化学反应，接触不良导致的零线断路。

目前国内电力部门所能提供的预防措施主要有以下几种。

a.三相四线制供电，单相负载应尽量分配均匀，保持三相负载平衡，加强对三相电流的监视，发现不平衡及时进行调整。

b.零线电流不能大于相线电流的1/4，零线导线截面不能小于相线截面的1/2。

c.零线的连接要牢固可靠，配电变压器及配电屏的引入、引出线，如采用铝导线，应使用铜铝过渡线夹，并加强巡视和维护，特别要进行夜间巡视。

d.三相四线制线路的零线，应避免安装熔断器或单独的开关装置。

②技术简介。

对目前不能从根本上解决这一问题的现状，零线有源电力平衡技术可专门用于消除零线电流，从根本上解决这一困扰配电系统多年的问题。

零线有源电力平衡技术依据电网对称分量理论、瞬时无功理论、自动控制理论等现代先进技术，通过向电网零线施加等值反向瞬时的零线和零序电流，在电网中和负载零线和零序电流矢量和叠加后为零的方法，可以迅速有效消除电网零线电流，消除零线电流后，零线过载、跳闸、熔丝熔断问题自然解决；消除零线电流后，触点接触不良带来的损耗过热得到有效抑制；消除零线电流后，零线电压自动归零，可以有效抑制零线中铜铝触头的电化学反应。

采用在配网中安装、配置一定容量的零线有源电力平衡器可以有效解决零线断线故障，从而彻底解决零线断路带来的严重问题。零线有源电力平衡器作为新一代保障电力安全的高科技产品，可以广泛地应用于低压配电系统中，完美解决零线电流危害。零线有源电力平衡器与静止无功发生器、有源电力滤波器功能和性能比较如表7.26所示。

表7.26　相关产品功能、性能对比