低压配电网三相负荷不平衡危害及防治措施

孟 凯

（阳煤集团升华实业分公司供电中心，山西阳泉 045000）

0 引言

在城市或者农村1 kV以下的配电网中，存在着大量的单相负荷，且这些负荷分布不均，使用时段不确定，以及单相大功率设备的接入等是导致三相负荷不平衡的重要原因[1]，而且也是客观存在的问题。三相负荷不平衡可以通过配电柜电流表或者钳形电流测量并观察。三相四线制配电网三相不平衡，会增加电线电缆损耗、配电变压器的铜损和铁损、降低变压器出力等问题[2]。借鉴前人经验和实际工况，本文探讨低压配电网三相负荷不平衡产生的机理和产生的危害，在此基础上提出防治措施，为解决低压配电网三相不平衡负荷问题提供一定的理论指导。

1 三相负荷不平衡产生机理

三相负荷不平衡是指，电力系统中A、B、C三相电流或电压大小、幅值不一致，其幅值差超过了规定的限值。在城市和农村配电线路一般为三相四线制供电系统，当三相负荷电流平衡时，中性线对地电流为零。三相负荷不平衡时，则中性线中有电流通过，导致线路线损增加[3]。低压配电网三相负荷不平衡如图1所示。

图1 低压配电网三相负荷不平衡示意图

三相负荷平衡时线损按下式计算[4]：

三相负荷不平衡时线损（中性线截面积是相线截面积的1/2）：

式中：ΔP为三相负荷平衡时的线损，kW；ΔPb为三相负荷不平衡时的线损，kW；R为线路中各相的电阻，Ω；IA、IB、IC分别为线路中A、B、C三相的电流，A；I0为中性线的电流，A。

由式中可知ΔPb＞ΔP，三相负荷越不平衡，不平衡电流越大，线路内阻的损耗也就越大。

引入三相负荷不平衡率的概念，三相电流的平均值为Iavg=(IA+IB+IC)/3，最大的电流负荷相用Imax表示，可以求得三相负荷电流的不平衡率：

利用中性线电流估算公式求得零线电流：

根据上述公式可以计算出几种常见情况下，三相不平衡负荷与三相平衡负荷相比的线损增加情况，如表1和表2所示。

表1 三相不平衡负荷线损率

表2 两种极端情况下损耗的增加量

表1和表2列出了几种常见的三相负荷电流不平衡状态下和两种极端情况下，与三相负荷平衡状态下的线损增加率的关系，从表中可以得出三相负荷不平衡率越大，三相线路电流损耗越大，并根据监测结果绘出了三相负荷不平衡中电流分布规律、中性线电流与电压分布规律，如图2和图3所示。

图2 低压配电网三相负荷不平衡中电流分布规律

2 三相负荷不平衡危害

城市或者农村1 kV以下的低压配电网三相负荷不平衡会给整个电网造成危害和影响[5]：三相负荷越不平衡，将会产生不稳定电流，受电阻影响，线路中电能损耗将增大，造成电能资源的浪费；配电变压器容量是根据三相负荷平衡状态计算设计的，若负荷不平衡，变压器绕组只能根据其中一相最大负荷工作，这给变压器运转造成巨大压力；三相负荷不平衡时会产生零序电流，而变压器中的磁铁芯必然生成零序磁通，高压侧与低压侧的电流不相等，导致变压器结构件温度过高，势必危害变压器安全；若三相负荷不平衡，将会造成零点漂移，输出不对称电压，相应感应电机输出功率不一致，导致电机绕组温度过高而烧坏电机；当三相负荷不平衡时，会产生正序、零序、负序等电流，但是零序和负序电流的存在会影响电能计量表的精度。

3 治理三相负荷不平衡措施

3.1 防治措施

为了减小或者消除低压配电网三相不平衡负荷带来的危害，对三相负荷不平衡提出了治理措施[6]。防治的目标是在配电变压器出口端三相电流平衡，三相电路中的主干线和分支线负荷也要满足平衡性。

（1）合理分配用电负荷。在低压配电网三相线路上，按照从用户端到支线端再到主干线端的顺序，合理分配三相四线制供电线路上的使用负荷，特别是新建线路、改建线路上的负荷分配，务必避免某段出现负荷过重或者无负荷状态，确保整个电网处于一个合理负荷分配标准。

（2）尽量降低高峰用电。对于农村或者城市来说，一般在晚上18:00～23:00是用电高峰期，这个时段是每个相负荷的集中区，为了降低三相负荷不平衡性，时刻监测用电情况，发现问题需要及时对其调整，避免出现峰谷和峰波。督促用户杜绝单相用电，必须保证电器分配在三相中。

（3）增大中性线横截面。在低压配电网三相四线制的供电线中采用4芯等芯电缆或者4+1电缆，增大中性线的横截面积，降低电线内阻，防止因电流过大烧坏中性线和电气设备。

（4）使用智能换相开关。在三相供电网上采用智能换相开关，该智能换相开关具有采集配电网变压器电压、电流信息和接收负荷电压、电流信息的功能，并拥有DSP高运算处理器，一旦检测到三相负荷不平衡，立即发出指令给各个用户换相装置，执行A、B、C三相换相，实现低压配电网三相负荷电流的均匀性，三相电网上安装的智能换相开关如图4所示。

图4 智能开关降低三相负荷不平衡方法

（5）增加自动调节负荷装置。自动调节负荷装置外接电流互感器，内设控制单元，兼有IGBT触发控制器和驱动逆变器，一旦监测到三相负荷处于不平衡状态，立即将大电流的相线进行调节，将过多的电流暂时储存在电网内部电容中同时进行无功补偿和稳定电压，以期实现三相线路中负荷均衡性，确保三相线路稳定供电。

3.2 防治效果

为了验证治理后低压配电网三相电路中负荷状态，对采取措施后的低压配电网中三相电路中的负载电流进行了监测，监测结果如图5所示，图中监测的数据周期为1天。

图5 采取防治措施后的三相中负载电流分布规律

由图5与图2比较可知，明显在对低压配电网三相电路中采取防治措施以后，三相电负载电流变化趋势基本一致，未出现大起大落，电流的三相不平衡程度得到有效遏制，说明对三相负荷不平衡采取的防治措施效果理想，降低了三相负荷不平衡性，满足低压配电网三相负荷均匀供电和安全供电，减小了线路损耗，有利于保护用电设备，节约了能源和成本，实现了节能、环保、安全的发展理念。

4 结束语

城市或农村1 kV以下的配电网三相负荷不平衡易造成电线损耗、降低变压器出力和烧坏用电器等问题。为了改善此状态，探讨了低压配电网三相负荷不平衡产生的机理及其危害，并提出了防治措施，主要得出以下结论。

（1）低压配电网三相负荷不平衡会带来的危害有电压、电流稳定性差，电能损耗增加，变压器工作压力大，变压器结构件温度过高，烧坏电机，影响电能计量表的精度等。

（2）为了减小或者消除低压配电网三相不平衡负荷带来的危害，对三相负荷不平衡提出了合理分配用电负荷、尽量错峰用电、增大中性线横截面、使用智能换相开关和增加自动调节负荷装置等治理措施。从实际应用监测表明，防治效果理想，达到低压配电网三相供电要求。