浅谈工业用电三相负载不均衡的危害及改善措施

刘巍 楚立新 林昌演

摘 要：文章以某晶体冶炼厂为例，通过对三相变压器三相负载不均衡问题的分析，提出了解决三相负荷不平衡的解决方案。希望对相关工作人员有所帮助和启发。

关键词：三相负荷；不平衡；无功补偿

1 产生三相负荷不平衡的原因

以某晶体冶炼厂为例，该厂供电变压器的型号为S11-2000-10/0.4，即变压器容量为2000kVA，进线电压10kV，输出电压0.4kV，变压器连接组为Dyn11，变压器经过配电柜输出给用电设备，每相分成9个开关输出，每个开关控制一个单相负载，负载为一套整流设备带晶体炉，但由于每相上的负载工作周期并不同步，在同一时间点，各相上的负载工作数量并不相同。这种工作周期不同步的单相负载三相不平衡不可避免，因为每相所带设备数量相同，但并不是同时工作，所以造成三相负荷不对称。

2 三相负荷不平衡造成的影响及危害

（1）增加输电线路的电能损耗。在工业动力电供电网中，电流流过输电线路时，因存在线路阻抗必将产生电能损耗，电流越大其损耗越大。由于工业用电有单相负荷存在，造成三相负荷不平衡无可避免。当三相负荷不均衡运行时，中性线的电流就不为零。这样不但相线存在损耗，中性线也会产生附加损耗，从而增加了供电网络的损耗。

（2）增加配电变压器的电能损耗。配电变压器是低压供电网路的主要设备，当其在三相负载不平衡状态下运行时，将会造成配电变压器损耗的增加。因为配电变压器的不均衡度越大，其功率损耗越大。

（3）配电变压器输出功率减少。配电变压器在电参和结构设计时，各绕组的结构是按负载平衡运行工况而设计的，其绕组的性能差距很小，可达到2%以内波动，各相额定容量相同。配电变压器的最大输出功率一般不超过额定功率的1.1倍。当配电变压器变处于三相负载不平衡工况下运行，负载轻的一相就输出容量就少，从而使配电变压器输出能力降低。其输出能力降低程度与三相负荷的不平衡度有关。三相负荷不平衡度越大，配电变压器输出能力降低的越多。为此，配电变压器在三相负载不均衡状态下运行，其输出的容量就无法达到额定值，其备用容量也相应降低，过载能力也有所下降。如果配电变压器在过载状态下运行，则容易导致变压器绕组发热，严重时甚至会造成配电变压器烧毁。

（4）2000kVA配电变压器将产生零序电流。因为该变压器的所接负载都为单相负载，所以联结组是Dyn11，因为三相负荷不平衡，所以N线的电流并不为零，此为零序电流。零序电流会产生零序磁通，零序磁通不能像正、负序磁通那样可以经过另外两相的铁芯形成回路。它被迫经过绝缘介质和外壳形成回路，产生迟滞和涡流损耗，壳体局部过热，绝缘加速老化，降低变压器的整体寿命。

3 三相负荷不均衡所造成危害的解决方案

首先尽量让三相所挂负载的个数相同，即使负载个数相同也会有各相负载不同时使用的情况，对于这种情况可采用电容器分相补偿的方法，因为工业负载多为线圈类感性负载。在满负荷情况下，知道各相的有功功率和无功功率就可知道补偿容量，极大的降低了系统的不平衡度，其理论结果可使三相功率因数均补偿至1，三相有功调至相等。

图1 三相不均衡负载无功补偿原理图

根据需要可采用以下两种补偿装置：

（1）TSC型无功补偿装置：自動逐级投切，通过控制器检测无功电流含量及功率因数来控制晶闸管触发来控制投切。此装置价格相对较低，但是非连续补偿，对三相平衡度要求不是非常高可采用此装置。

（2）FC+TCR型无功补偿装置：此装置采用固定电容器和相控电抗器组成，并采用晶闸管作为无触点开关，可根据负载变化快速调节无功功率的输出，实现实时跟踪补偿，可连续调节，但价格相对较高。

4 结束语

适当分配负载加上无功补偿装置可以使供电电源输出的电流基本上为三相均衡的有功电流，提高了供电质量，减小了不均衡负载对电力系统的影响。

参考文献

[1]黄邵平.负荷不平衡对配电变压器的危害和相应的配电设计方法[J].变压器，1996（5）：30-32.

[2]王大志.电力系统无功补偿原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3]杨云龙，王凤清.配电变压器三相不平衡运行带来的附加损耗、电压偏差及补偿方法[J].电网技术，2004（8）：73-76.

[4]林海雪.电力系统的三相不平衡[M].北京：中国电力出版社，1998.

作者简介：刘巍（1986-），男，2010年毕业于哈尔滨理工大学应用物理专业，现从事变压器、电抗器等铁磁器件设计工作。