三相不平衡的危害及解决方法

郑 健，杨文超

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

在合理分配三相负荷时，负荷的随机性往往会造成电网的三相不平衡运行。近年来，由于越来越多大功率的非线性和冲击性负荷接入电网，导致三相不平衡运行的情况越来越严重。这种运行方式对发电、输电、配电已经用电环节均造成极为不利的影响，会影响电机和变压器等元器件的使用寿命，增加传输线路损耗，并对用电设备和人身造成威胁，从而不利于电网运行的安全性、可靠性以及经济性，给国民经济带来严重损失。目前，解决三相不平衡的主要措施包括无功补偿、拓扑重构以及换相调节。对比和分析各种方案的优缺点，提出未来解决三相不平衡问题的研究方向。

1 三相不平衡概述

1.1 三相不平衡

三相平衡指的是电网三相电压和电流的幅值相等且相位各差120°，只要其中的一个条件不满足，就称之为三相不平衡。电网的三相不平衡程度通常采用电压或电流的正序与零序分量的比值来表示[1]。以A相电压为例进行相序分解，得到的3个分量如下：

式中，α=ej120°。三相不平衡度为：

相关国际标准规定，低压和中压系统的三相不平衡度应小于2%，而高压系统的应小于1%。

1.2 三相不平衡的原因

三相元件和负荷不平衡是引起三相不平衡的两个原因。在供电环节，即发电、输电以及配电中涉及到的元件有发电机和变压器等，这些元件长时间的过负荷运行会发生过热等现象，从而导致电机三相绕组电阻不平衡，引起电力系统的不平衡运行。然而大部分情况下，变压器等电力元件具有良好的电气对称性。对于短距离输电，三相导线通常采用平行方式进行布线，这会导致中间相的导纳高于两边导线的导纳，使得输电线路处于不对称状态[2]。

导致电网三相不平衡运行的最主要原因是负荷不对称。一是负荷接入电网时没有充分考虑三相平衡的要求，二是接入的负荷并不能在同一时刻开始或停止工作。负荷运行的波动性也会使电网运行在三相不平衡的状态下，同时大功率负荷运行时产生的谐波和电压波动也会影响电网运行的稳定性。此外，电力故障也会引起电网的三相不平衡。单相短路接地、两相相间短路以及电力元件的断线故障都会导致电网三相电压的严重不平衡。

2 三相不平衡的危害

2.1 影响电机使用寿命

三相不平衡运行使得电机三相电压不对称，即电流不对称。该电流经过相序分解得到正序、负序以及零序分量，正负序分量会在定子中产生转向相反的两个磁场，加强对电机的制动作用，导致输出功率下降。此外，由于转子旋转频率较高，快速交替的正反向磁场会导致电机转速不稳定，从而造成发热现象，危害电机的绝缘，长期运行将直接影响电机使用寿命。

2.2 增大线路损耗

传统的供电方式采用三相四线制，其中含有中性线。在三相平衡运行时，中性线上无电流，线路损耗只有三相线上的损耗。而在三相不平衡运行时，中性线中就会流通电流，产生损耗。该损耗与线路上电阻和电流的平方成正比，所以线路损耗大大增加。三相不平衡的程度越大，中性线上的电流也会越大，严重时可能烧毁中性线，影响电网的正常运行。

2.3 对变压器的影响

以Y，yn连接三相变压器带单相负载为例，讨论其中性点的位移问题。通过正负零序分解，得到如图1所示的各相序等效电路。

图1 各相序等效电路

3个相序电压依次为：

将式（3）、式（4）及式（5）的左右分别相加，得到的三相相电压依次为：

中性点位移情况如图2所示。电网电压为正序对称分量。由于零序励磁阻抗Zm0很大，所以其对应的也很大，导致带负载相端的电压下降，另两相电压上升。三相不平衡的程度越大时，中性点位移就越严重，三相电压也就越不对称。变压器长期工作于此种情况下会直接影响其使用寿命。变压器是按照各相额定功率相等进行设计的，工作在负载不对称的状态时会导致其中某相的功率降低，变压器出力则会减小，工作效率降低。

图2 Y，yn连接三相变压器单相负载的中性点偏移

2.4 对用电设备的影响

三相负荷不平衡也会使用电侧的供电质量较差。三相不平衡运行将导致三相电压不对称，在电压较低的某相上，电压较低可能会使得设备使用不稳定甚至无法正常使用，电压较高则可能烧坏用电设备，严重时可能危害人身安全。

3 三相负荷不平衡解决方案

人们一直以来都在研究三相负荷不平衡问题。关于治理三相不平衡问题，结合国内外研究现状，其解决方案可大致归纳为增加无功补偿装置、重构配电网拓扑以及换相开关调节3种，具体如下。

3.1 增加无功补偿装置

无功补偿装置主要是通过调节各相电流解决电网的三相不平衡问题。目前，主要的无功补偿装置有TCR型和SVG型。其中，TCR型无功补偿装置通过控制导通角的大小来控制电流分量，随着导通角的增大，电流分量不断减小。SVG无功补偿装置提供感性或容性无功，在电网中的作用相当于一个无功电流源，其无功电流的大小可以随着电网无功的大小进行自动调节。

补偿原理如图3所示。负载不均衡将导致三相电流不平衡，通过采集负载电压和电流信息，进而采用分解、变换以及计算的方法可以得到各相需要补偿的电流大小、无功含量以及各次谐波含量等。DSP根据得到的相应策略生成控制命令控制IGBT的通断，从而实现动态补偿电流达到三相平衡运行的目的。

图3 不平衡补偿原理图

3.2 重构配电网拓扑

配电网络中存在大量的联络开关和分接开关。当电网发生故障时，工作人员在检修过程中会根据实际情况调整开关，以保证电网的安全可靠。三相不平衡运行时，通过采集电网节点电压和电流等参数可以决定开关的通断，并以最小网损为优化目标改变配电网络结构，最终实现负荷均衡化并降低线路损耗[3]。

配电网拓扑的重构主要通过网损查找、网损计算以及网损控制3个步骤来实现。首先是网损查找，根据当前配电网模型、相关参数及开关的实时状态，拓扑分析每一条线路，采用相关数理方法得到配电网网损数值。其次是计算最小网损，通过计算各线路的损耗，利用潮流计算规则，考虑线路电压等对线损的影响，在计算过程中适当加入负荷点曲线计算规则，从而获得最小网损值。最后是通过拓扑重构进行网损控制[4]。总体结构如图4所示。

图4 实现网络拓扑重构的结构框图

3.3 换相调节

换相调节三相不平衡最初采用人工的方式进行。先检查电网三相负荷，然后人为地将更多负荷移至负荷较少的相序，使得三相负荷尽可能平衡。该种人工方法效率较低，且不能随时跟踪负荷情况进行相序调整。目前研究较多的是采用智能换相开关进行三相不平衡调节。智能开关通过采集电网中的电压、电流以及无功功率等信息因子，根据装置内设定的智能换相策略得到最终方案，向开关发出控制命令实现负荷的三相平衡[5]。

智能换相系统如图5所示。该系统主要由换相控制器和换相终端组成。换相控制器在系统中起着承上启下的作用，通过实时监测电网中的电压和电流等物理量，计算其运行的三相不平衡度，根据系统内部的算法确定最终的换相策略，形成指令，以无线通信的形式传送至执行终端实现换相方案。控制器一般安装在变压器的二次侧，而换相终端一般安装在负荷的进线端。

图5 开关系统总体构成

3.4 方案对比

以上3种方案都能对三相不平衡进行一定程度地调节，有效减小其带来的危害。通过对比集中吧调节方案可知。通过增加无功补偿装置虽然能对三相不平衡电流有所调节，但不能实现连续无功输出，同时设备成本较高，运行时损耗较大，存在谐振等问题。重构配电网拓扑虽然不用增加设备，但开关数量有限，对三相不平衡调节程度有限。换相调节与以上两种方案比较，同样需要成套设备，成本较高且实施起来具有一定的难度，但其跟踪调节效率较高，对三相不平衡的改善成果较显著。

4 结 论

负荷的随机性与波动性是三相不平衡运行的主要原因。该种运行状态下，电网的安全性与可靠性大大下降。本文介绍了目前解决该问题的3种主要方案并进行对比，从而得到各自的优缺点。相比较而言，通过智能换相开关调节三相不平衡效果较好且应用前景广阔，是未来解决三相不平衡问题的重要研究方向。