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      知識分享

      電能質量之三相不平衡的危害及治理辦法

      2020.11.09

      三相不平衡是電能質量的一個重要指標,雖然影響電力系統的因素有非常的多,但正常性不平衡的情況大多是因為三相的元器件、線路參數或負荷的不對稱。由于三相負荷的因素是不一定的,所以供電點的三相電壓和電流極易出現三相不平衡的現象,損耗線路。不僅如此,其對供電點上的電動機也會造成一些不利的影響,嚴重危害電動機的正常運行。那么常常提及的三相不平衡是如何定義的呢?它是如何產生會造成什么危害,又需要如何治理呢?今天就這些問題進行全面的分析,讓我們來認真了解一下三相不平衡。

       

      一、三相電流不平衡的主要危害

       

      1、旋轉電機在不對稱狀態下運行,會使轉子產生附加損耗及發熱,從而引起電機整體或局部升溫,此外反向磁場產生附加力矩會使電機出現振動。 對發電機而言,在定子中還會形成一系列高次諧波。

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      2、引起以負序分量為啟動元件的多種保護發生誤動作,直接威脅電網運行。

       

      3、對發電機、變壓器而言,當三相負荷不平衡時,如控制最大相電流為額定值,則其余兩相就不能滿載,因而設備利用率下降,反之如要維持額定容量,將會造成負荷較大的一相過負荷,而且還會出現磁路不平衡致使波形畸變,設備附加損耗增加等。

       

      二、三相負荷不平衡的對各行業危害

       

      1、對配電變壓器的影響

       

      1)三相負荷不平衡將增加變壓器的損耗:

      變壓器的損耗包括空載損耗和負荷損耗。正常情況下變壓器運行電壓基本不變,即空載損耗是一個恒量。而負荷損耗則隨變壓器運行負荷的變化而變化,且與負荷電流的平方成正比。當三相負荷不平衡運行時,變壓器的負荷損耗可看成三只單相變壓器的負荷損耗之和。

      從數學定理中我們知道:假設a、b、c 3個數都大于或即是零,那么a+b+c33√abc 。

      a=b=c時,代數和a+b+c取得最小值:a+b+c33abc 。

      因此我們可以假設變壓器的三相損耗分別為:QaIa2 R、Qb= Ib2 R 、Qc =Ic2 R,式中Ia、Ib、Ic分別為變壓器二次負荷相電流,R為變壓器的相電阻。則變壓器的損耗表達式如下:

      Qa+Qb+Qc33√[(Ia2 R)(Ib2 R)(Ic2 R)]

      由此可知,變壓器的在負荷不變的情況下,當Ia=Ib=Ic時,即三相負荷達到平衡時,變壓器的損耗最小。

      則變壓器損耗:

      當變壓器三相平衡運行時,即Ia=Ib=Ic=I時,QaQbQc=3I2R;

      當變壓器運行在最大不平衡時,即Ia=3I,Ib=Ic0時,Qa=3I2R=9I2R=33I2R);

      即最大不平衡時的變損是平衡時的3倍。

       

      2)三相負荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴重后果:

      上述不平衡時重負荷相電流過大(增為3倍),超載過多,可能造成繞組和變壓器油的過熱。繞組過熱,絕緣老化加快;變壓器油過熱,引起油質劣化,迅速降低變壓器的盡緣性能,減少變壓器壽命(溫度每升高8℃,使用年限將減少一半),甚至燒毀繞組。

       

      3)三相負荷不平衡運行會造成變壓器零序電流過大,局部金屬件溫升增高:

      在三相負荷不平衡運行下的變壓器,必然會產生零序電流,而變壓器內部零序電流的存在,會在鐵芯中產生零序磁通,這些零序磁通就會在變壓器的油箱壁或其他金屬構件中構成回路。但配電變壓器設計時不考慮這些金屬構件為導磁部件,則由此引起的磁滯和渦流損耗使這些部件發熱,致使變壓器局部金屬件溫度異常升高,嚴重時將導致變壓器運行事故。

       

       1690.jpg

      2、對高壓線路的影響

       

      1)增加高壓線路損耗:

      低壓側三相負荷平衡時,610k V高壓側也平衡,設高壓線路每相的電流為I,其功率損耗為: ΔP1 = 3I2R

      低壓電網三相負荷不平衡將反映到高壓側,在最大不平衡時,高壓對應相為1.5I,另外兩相都為0.75 I,功率損耗為:

      ΔP2 = 20.75I2R+(1.5I2R = 3.375I2R =1.1253I2R);

      即高壓線路上電能損耗增加12.5%。

       

      2)增加高壓線路跳閘次數、降低開關設備使用壽命:

       

      我們知道高壓線途經流故障占相當比例,其原因是電流過大。低壓電網三相負荷不平衡可能引起高壓某相電流過大,從而引起高壓線途經流跳閘停電,引發大面積停電事故,同時變電站的開關設備頻繁跳閘將降低使用壽命。

       

      3、對配電屏和低壓線路的影響

       

      1)三相負荷不平衡將增加線路損耗:

      三相四線制供電線路,把負荷均勻分配到三相上,設每相的電流為I,中性線電流為零,其功率損耗為: ΔP1 = 3I2R

       

      在最大不平衡時,即某相為3I,另外兩相為零,中性線電流也為3I,功率損耗為:

      ΔP2 = 23I2R = 18I2R = 63I2R);

       

      即最大不平衡時的電能損耗是平衡時的6倍,換句話說,若最大不平衡時每月損失1200 kWh,則平衡時只損失200 kWh,由此可知調整三相負荷的降損潛力。

       

      2)三相負荷不平衡可能造成燒斷線路、燒毀開關設備的嚴重后果:

       

      上述不平衡時重負荷相電流過大(增為3倍),超載過多。由于發熱量Q0.24I2Rt,電流增為3倍,則發熱量增為9倍,可能造成該相導線溫度直線上升,以致燒斷。且由于中性線導線截面一般應是相線截面的50%,但在選擇時,有的往往偏小,加上接頭質量不好,使導線電阻增大。中性線燒斷的幾率更高。

       

      同理在配電屏上,造成開關重負荷相燒壞、接觸器重負荷相燒壞,因而整機損壞等嚴重后果。

       

       

      4、對供電企業的影響

       

      供電企業直管到戶,低壓電網損耗大,將降低供電企業的經濟效益,甚至造成供電企業虧損經營。農電工承包臺區線損,線損高農電工獎金被扣發,甚至連工資也得不到,必然影響農電工情緒,輕則工作消極,重則為了得到錢違法犯罪。

      變壓器燒毀、線路燒斷、開關設備燒壞,一方面增大供電企業的供電本錢,另一方面停電檢驗、購貨更換造成長時間停電,少供電量,既降低供電企業的經濟效益,又影響供電企業的聲譽。

       

      5、對用戶的影響

       

      三相負荷不平衡,一相或兩相畸重,必將增大線路中的電壓降,降低電能質量,影響用戶的電器使用。

       

      變壓器燒毀、線路燒斷、開關設備燒壞,影響用戶供電,輕則帶來不便,重則造成較大的經濟損失,如停電造成養殖的動植物死亡,或不能按合同供貨被懲罰等。中性線燒斷還可能造成用戶大量低壓電器被燒毀的事故。

       

      三、三相不平衡如何治理

       

      1、重視低壓配電網的規劃工作,加強與地方政府規劃等部門的工作溝通,避免配電網建設無序,尤其避免在低壓配電網中出現頭痛醫頭,腳痛醫腳的局面,在配電網建設和改造當中對低壓臺區進行合理的分區分片供電,配變布點盡量接近負荷中心,避免扇型供電和迂回供電,配電網絡的建設要遵循“小容量、多布點、短半徑”的配變選址原則。

       

      2、在對采用低壓三相四線制供電的地區,要積極爭取對有條件的配電臺區采用3芯或者4芯電纜或者用低壓集束導線供電至用戶端,這樣可以在低壓線路施工中最大程度的避免三相負荷出現偏相的出現,同時要做好低壓裝表工作,單相電表在A、B、C三相的分布盡量均勻,避免出現單相電只掛接在一相或者兩相上,在線路末端造成負荷偏相。

       

      3、在低壓配電網零線采用多點接地,降低零線電能損耗。目前由于三相負荷的分布不平衡,導致了零線出現電流,按照規程要求零線電流不得超過相線電流的25%,在實際運行當中,由于零線導線截面較細,電阻值較相同長度的相線大,零線電流過大在導線上也會造成一定比例的電能損耗,所以建議在低壓配電網公用主零線采用多點接地,降低零線電能損耗,避免因為負荷不平衡出現的零線電流產生的電壓嚴重危及人身安全,而且通過多點接地,減低了因為發熱等原因造成的零線斷股斷線,使得用戶使用的相電壓升高,損壞家用電器。此外對于零線損耗問題,在目前一般低壓電纜中,零線的截面為相線的1/2,電阻值大造成了在三相負荷不平衡時,零線損耗加大,為此可以考慮到適當增大零線的導線截面,例如采用五芯電纜,每相用一個芯線而零線則用兩個芯線。

       

      4、對單相負荷占較大比重的供電地區積極推廣單相變供電。目前在城市居民小區內大部分的負載電器是采用單相電,由于線路負荷大多為動力、照明混載,而電氣設備使用的同時率較低,這樣使得低壓三相負荷在實際運行中的不平衡的幅度更大。另外從目前農村的生活用電情況看,在很多欠發達和不發達地區的農村存在著人均用電量小,居住分散,供電線路長等問題,對這些地區可以考慮到對于用戶較分散、用電負荷主要以照明為主、負荷不大的情況,采用采用單相變壓器供電的方式,以達減少損耗和建設資金的目的。目前單相變壓器損耗比同容量三相變壓器減少15%~20%,有的廠家生產的單相變在低壓側可以引出380V220V兩種電壓等級,同時在一些地區也已開展利用多臺單相變向三相負荷供電的試點,為使用單相變供電提供了更加廣闊的空間。

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      5、積極開展變壓器負荷實際測量和調整工作。配變的負荷實測工作看似簡單,但是在實際工作中有幾點需要注意,一是實測工作不能簡單地測量配變低壓側A、B、C三相引出線的相電流,而且要測量零線上的電流,或者是測量零線(排)對地電壓,從而可以更好地比較出三相負荷的不平衡情況,二是實測工作要向低壓配電線路的末端和分支端延伸,這樣可以進一步發現不平衡負荷的出現地點,確定調荷點,三是負荷實測工作既要定期開展也要不定期開展,尤其是在大的用戶負荷投運和在高峰負荷期間,要增加實測的次數,通過及時的測量配變低壓出線和接近用戶端的低壓線路電流,便于準確地了解設備的運行情況,做好負荷的均衡合理分配。

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