浅析供电支路负载不平衡的危害与处理

摘要：随着电力电子得到广泛的运用，给生产带来经济效益的同时，也给供电系统带来巨大的压力：用电设备种类繁杂，供电系统三相负荷严重不平衡、电能质量下降、功率因数偏低、无功功率增大、用电设备不能正常工作等诸多问题。

关键词：三相负荷不平衡;谐波因数;火灾

序言

随着我国经济的高速发展，城市优化以及节能减排都成了大家比较关心的问题。传统的交流单相负载已经越来越少的使用，现在使用的单相负载90%以上都是通过交直流变换来供电的，如：节能灯，日光灯，LED灯，电脑，打印机，UPs，空调，电磁炉，专业设备（医疗，通讯，LED显示屏）等等。

随着这些负载的应用，造成供电系统的电流三相不平衡和谐波含量大大增加，给供电系统带来很大的安全隐患。

我国目前的低压侧供电大都采用三相四线制系统，即A相、B相、C相、N相。供电系统中存在大量的单相负荷，在实际运行时，各个单相负荷间均独立运行，此时会造成三相电流严重的不平衡，此不平衡电流流经N线，再加上现在的单相负荷大都为电力电子设备，在其正常工作时，会产生大量的三次谐波电流，而根据三次谐波电流的特性会在N线上进行叠加，最终N线会因系统不平衡电流及谐波电流叠加存在而出现过流、发热，加速N线绝缘老化，甚至烧毁出现断零的风险，对供配电系统的安全构成了严重的危害，同时引发火灾的机率大为增加。

1大概率电气火灾事件分析

应急管理部消防救援局发布了2020年全国火灾及消防救援队伍接处警情况，其中电气类原因继续强力影响火灾走势，而线路问题引发火灾占电气火灾总数68.9%。

据国家能源局公布的数据，近年来我国的社会用电量持续上升，由此带来的安全风险持续增加，电气火灾风险持续增大。

从电气火灾的占比看，全年因违反电气安装使用规定引发的火灾共8.5万起，占总数的33.6%，因目前还有1万起火灾原因尚未查明，预计后续该比重还将提高。

从电气火灾的分类看，因短路、过负荷、接触不良等线路问题引发的占总数的68.9%，因故障、使用不当等设备问题引发的占总数的26.2%，其他电气原因引发的占4.9%;其中电动自行车引发的火灾不容忽视，特别是36起电气引发的较大火灾中，有11起已查明系电动自行车引起，占总数的30.6%。目前，我国新能源车全社会保有量逼近500万辆，由此带来的火灾风险将持续增大。

2電气三相四线制“零线”发热原因探析

零线电流过大后长时间运行，易导致零线老化，存在火灾风险。

主要是三相不平衡所产生的基波电流及非线性负荷的谐波电流所致。电流流过导体时要产生热量，热量与电流的平方成正比（I2R），当电流达到相电流的1.5倍时，零线的发热量会达到相线的2.25倍！

三次谐波电流在N线上的叠加现象，如图1为三相和零线上电流波形示意图。

另外，在一般配电系统中（TN-C，TN-S），虽然相线上有过流保护装置，但零线上并没有。过大的电流必然会导致零线绝缘加速老化，存在安全隐患。

怎样做到零线的保护呢？

零线过流的危害日趋严重，根据近10年的统计，建筑电气中，零线过流使得零线绝缘老化破损要远远高于相线，分支回路中，由于零线过流老化导致的事故及跳闸也远远高于相线。这些现象均是由高速增长的单相AC-DC用电设备及其无稳定性量化使用造成。这些问题的产生均给电气设计及用户造成很大的困难。

根据GB1094-1-5《电力变压器》规定：中性线电流应不超过变压器额定电流的25%，三相电流的不平衡度小于15%。而实际上，变压器低压侧低压配电回路一般比较多，低压各回路的不平衡电流很难反映到电源端，也就是说，在实际用电现场，电源端的三相不平衡率较低，而分支不平衡率要远远大于电源端，再者，根据JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》，零线载流设计中，零线金属导体截面积宜为相线1/2以上或者与相线相同。

而现实中，分支回路的零线电流大于相线电流的现象愈发严重。一是各分支回路负载在实际运行中产生的三相不平衡电流是肯定的，而且越靠近末端，不平衡电流越大。二是各分支回路中单相负载产生的零线谐波电流是相线谐波电流的√3倍，电路中也存在严重的三次谐波。

总之，电能质量污染引起的常见问题归纳有以下几点：

a）电缆发热、绝缘体老化、引起火灾;

b）零线过流、发热、绝缘体老化、引起火灾及断零事故;

c）开关异响、开关单相发热易引起开关误动作;

d）零线电流善加导致变电所零序保护跳闸;

e）精密设备损坏、通讯信号失真、继电器误动作;

f）中性线对地电压升高、相线电压异常波动等等。

3电能质量治理

目前中国的低压电气系统中，现有一款涉及对零线保护的治理：

终端电气综合治理保护系统：N-lineSyste T Rreatment Protection System.简称（NTPS）是对末端回路电流进行检测、分析，依照供电持续性、安全性的原则，治理谐波及三相不平衡，对精密设备进行保护，消除零线电流，具有实现零线过流的情况进行过流速断保护，定时限、反时限保护的电气功能。在消除零线电流，取得保护的同时，为提高供电连续性，延缓电缆老化提供强有力的保证。

针对不同的应用场合，该终端电气综合治理保护系统主要是解决分支回路三相不平衡负荷和谐波治理相关问题。如图2为终端电气综合治理保护系统接线示意图。如图为某一支路极不平衡负荷，其工作原理就是综合治理保护系统在监测到三相不平衡电流后，自动反馈输出不平衡的电压，相当于提供1个电源补充到电网用电负载中，使得QK开关的三相电流平衡，好像QK开关抑制从电网中需要的电能。

NTPS就是针对不同不平衡的负荷，能提供不同的电源电压供给三相不同的负载，使得总进线电流趋向平衡，同时能抑制谐波，电网质量能得到“净化”。

收集资料，建模管理，将各支路运行数据收集，建立智能控制大平台，进行数据处理、报警、系统自诊断、报表分析，指导功能改进，达到所有问题数据量化，真正做到智能化控制。

综合治理后，对末端电能质量的要求达到：

a）民用建筑电力系统三相不平衡度不得高于15%;

b）数据中心电力系统中性线对地电压不得高于2V;

c）剧场建筑电力系统中性线截面积不得小于相线的2倍;

d）剧场建筑电力系统各次谐波电流不得超过限值要求。

4“绿色”评价针对电气的意义

认真分析电气事件，应从设计源头要顺应时代潮流，不能存有短期效应，在全寿命周期内，节约资源、保护环境、减少污染、为人们提供健康、适用、高效的使用空间，最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑，要讲究引入“绿色”概念，承诺按绿色建筑规范要求，设计安全可靠保质经济的电气项目。

绿色建筑评价指标体系由安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居等5类指标组成，要应遵循因地制宜的原则。

绿色建筑评价标准中，对于电气版块考量的三大要素：节能、安全、智能（以及在各大要素中常见的用电设备）。

针对绿色建筑，通过对供电支路负载不平衡的危害分析，用电设备直接相互影响及存在的主要问题有：

1）消防精密、智能调光、音频设备等控制系统类对供电频率、供电电压和电磁干扰等可靠性要求各项参数要求严格。

2）LED灯、屏 、UPS电源、变频调速装置类对配网谐波污染、系统三相不平衡和配网电压异常等方面要求严格。

总之，要真正明确“绿色”的涵义，使电气管理、产品性能、电网处理综合指标等等要达到“绿色”化、安全可靠，这指导我们运行维护管理有着十分重要的意义。

主要作者简介：吴桂林 男1967年生，汉族，湖北枝江人，高级工程师。一直从事电力系统及其自动化控制技术工作。通讯地址： 湖北·枝江·湖北三宁化工股份有限公司。