配電網三相電壓不平衡的影響與治理論文
摘要：配電網中三相電壓不平衡現象多是由于大風天氣或設備原因引起的線路分支跌落保險跌落、桿塔鳥窩搭建等原因引起的。在系統(tǒng)發(fā)生電壓異常時，都是通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)根據電壓、信號等綜合現象區(qū)分故障類型。文中結合現場實際運行經驗，對配電網中三相電壓不平衡現象的危害進行了說明，總結了引起三相電壓不平衡的原因及相應處理方法。為電網調度人員和運行值班人員迅速、準確地處理三相電壓不平衡故障提供了參考和幫助。
論文關鍵詞：配電網,三相電壓不平衡,消弧線圈,供電可靠性
供電可靠性是指城市供電系統(tǒng)對用戶持續(xù)供電的能力。統(tǒng)計表明，用戶停電故障中80％以上由配網系統(tǒng)的故障引起，對用戶供電可靠性有很大影響。配電網中三相電壓不平衡現象是電網異常和故障的反映。調度員若能根據三相電壓不平衡現象準確判斷故障，迅速發(fā)布調度指令，隔離故障，恢復運方，可以大大提高對用戶的供電可靠性。反之，則可能導致配變燒毀、避雷器爆炸、線路短路，甚至大面積停電事故。
1 三相電壓不平衡定義及現狀
三相電壓不平衡是指在電力系統(tǒng)中各相之間電壓不相等或相角不相等，且幅值差超過規(guī)定范圍，是由各相負載不平衡所造成。配電網的三相平衡一直就是困擾供電單位的主要問題之一，配電網大多是經10／0.4kV變壓器降壓后，以三相四線制向用戶供電，是三相生產用電與單相負載混合用電的供電網絡。在裝接單相用戶時，供電部門遵循的原則是將單相負載均衡地分接在A、B、C三相上。但在實際工作及運行中，由于單相用戶的不可控增容、大功率單相負載的接入以及單相負載用電的不同時性等，都造成了三相負載的不平衡。
但隨著配電網的擴大，中低壓架空導線及電纜出線回路數增多、線路增長，中低壓電網對地電容電流亦大幅度增加，當發(fā)生單相接地時，其他兩相的對地電壓要升高√3倍，接地電弧不能自動熄滅而產生電弧過電壓，一般為3~5倍相電壓甚至更高，致使電網中絕緣薄弱的地方放電擊穿，因此配電網若在三相負荷不平衡度較大情況下運行，最終發(fā)展為相間短路將會給配電網與電氣設備造成不良影響。
2常見三相電壓不平衡現象
通過配電網運行情況我們可以看出，常見的三相電壓不平衡有系統(tǒng)完全接地、不完全接地、間歇性接地、弧光接地、由接地誘發(fā)的諧振、線路發(fā)生斷線等現象，舉例如下：
2.1 完全接地
如果發(fā)生完全接地，則故障相的電壓降到零，非故障相電壓上升為線電壓，零序電壓3U0上升至100V，并發(fā)出母線接地信號。此類接地原因主要有：電纜擊穿、線路上搭有異物、針瓶擊穿、電纜故障等。例如下表所示：
變電站
線路
電壓
�。║a/Ub/Uc kV/3U0 V）
接地原因
韓橋變
515
馬家湖線
0.2/10.8/10.7/117.5
變壓器上面A相避雷器擊穿
園臺變
514
沿山線
10.3/10.7/0.4/104.4
9#桿真空開關刀閘C相支撐絕緣子擊穿
2.2 不完全接地
如果發(fā)生不完全接地，故障相電壓下降但不為零，非故障相電壓上升至相電壓與線電壓之間，零序電壓3U0上升至整定值，發(fā)出母線接地信號。此類接地原因主要有：線路間接接地、配電變壓器燒毀、電纜故障等。為盡快選出接地線路，避免事故進一步擴大化，各地區(qū)部分變電站根據情況安裝了小電流接地選線裝置，接地時可供調度員們參考。例如下表所示：
變電站
線路
電壓
（Ua/Ub/Uc kV/3U0 V）
接地原因
田老莊變
514田梁線
8.3/8.6/2.8/59
2#桿真空開關C相接點打火放電
田老莊變
514田梁線
8.2/2.7/8.0/57.5
黑山墩變支線變壓器側B相線圈燒壞，變壓器外殼接地。
2.3 間歇性接地
如果發(fā)生間歇性接地，接地現象時有時無，間歇性出現。非故障故障相電壓時增時減或有時正常，零序電壓3U0也時增時減或有時正常不穩(wěn)定，接地信號也是發(fā)信、復歸伴隨出現。此類接地原因主要有：扎線松動、風天異物搭接在線路上等。例如下表所示：
變電站
線路
電壓
�。║a/Ub/Uc kV/3U0 V）
接地原因
太陽山變
522車站線
間歇性接地
210#桿針瓶綁線松開隨風搭在橫擔上
園臺變
514沿山線
間歇性接地
呂光弟石料廠支線6#桿扎線斷了
2.4 弧光接地
如果發(fā)生弧光接地，電壓表指示不穩(wěn)定，非故障相電壓上升至額定電壓的2.5-3倍，零序電壓3U0可能大于100V。會引起此類接地的原因很多：當金屬或者其他導體靠近高壓線,距離達到放電距離,就會產生電弧放電,當距離足夠小,電弧不能自動熄滅,就是弧光接地了，通常發(fā)生風吹著樹靠近高壓線或者其他事故導致的，也有汽車天線靠近等等。
2.5 由接地誘發(fā)的諧振
鐵磁諧振有分頻、基波、高頻諧振三種形式，其共同特征是系統(tǒng)電壓升高，母線電壓互感器的開口三角繞組出現較高電壓，不同點是：
分頻諧振三相電壓依次輪流升高，超過線電壓，一般不超過2倍相電壓，三相電壓表指針在相同范圍出現低頻擺動；
基波諧振兩相電壓升高，超過線電壓，但一般不超過3倍相電壓，一相電壓降低但不等于零；
高頻諧振三相電壓同時升高或其中一相明顯升高，超過線電壓，但不超過3至3.5倍相電壓。
諧振過電壓經常造成設備閃絡或擊穿、電壓互感器噴油、冒煙、高壓熔絲熔斷等。
2.6 線路發(fā)生斷線
線路發(fā)生斷相時，相電壓特征是三相電壓不平衡，斷線相電壓和中性點電壓升高，非斷線相電壓降低，供電功率減少，零序電壓3U0上升至整定值，發(fā)出母線接地信號。此類故障主要有：電纜線路被外力挖斷、線路某相跌落保險熔斷等。例如下表所示：
變電站
線路
電壓
�。║a/Ub/Uc kV/3U0 V）
接地原因
田老莊變
514田梁線
7.7/4.6/6.1/32
線路20#桿處A相跌落保險熔斷
南川變
524南源線
2.42/8.56/8.29/63.26
150#桿B、C相跌落保險掉相
2.7 電壓互感器高壓保險熔斷
高壓保險一相熔斷時，熔斷相電壓顯著降低，其他兩相電壓不變，發(fā)出母線接地、電壓回路斷線信號。但是，如果高壓保險未完全熔斷，則可能不會發(fā)出母線接地信號。若判斷為高壓保險熔斷，可投入冷備的電壓互感器，將故障的電壓互感器轉檢修更換熔斷相高壓保險。例如下表所示：當時35kV I、II段并列運行，發(fā)出“35kVI、II母接地”、“35kV I、II母PT斷線”信號，當班調度員判斷為C相高壓保險熔斷。
變電站
線路
電壓
�。║a/Ub/Uc kV/3U0 V）
接地原因
關馬湖變
32-9PT
20.7/21.6/1.2/36.1
32-9PT C相高壓保險熔斷
2.8 電壓互感器低壓保險熔斷或二次空開跳閘
低壓保險一相熔斷時，熔斷相電壓降低很多，未熔斷的兩相電壓正常，發(fā)出電壓回路斷線信號，開口三角無電壓，不會發(fā)出母線接地信號。會不會發(fā)出母線接地信號是判別高壓保險還是低壓保險熔斷的一個主要依據。例如：五里坡變
6kV母線電壓Ua=0.5kV、Ub=0.5kV、Uc=0.5kV、3U0=3.7V，現場檢查二次電壓均正常，后將母線測控裝置二次空開重新合上后電壓正常。
2.9 二次電壓回路異常及其他
發(fā)生這種現象時，電壓情況無法預測。其形成原因復雜，通常有二次小線燒斷、碰線、回路接錯、表計異常等。處理辦法一般為調度員根據監(jiān)控所發(fā)信號、現場檢查情況將母線電壓互感器轉檢修后交檢修單位檢查處理。例如：立新變10kV母線電壓Ua=6.2kV、Ub=6.2kV、Uc=5.9kV、3U0=8.9V，而且零序電壓不斷的變化，經保護人員檢查為保護插件問題。線路參數不平衡、三相負荷的不對稱也會影響母線電壓的平衡。
3 三相負荷不平衡的危害
3.1 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：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。
（2）三相負荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴重后果。三相負荷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，迅速降低變壓器的絕緣性能，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(fā)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。
2.2對線路和配電屏的影響
（1）三相負荷不平衡將增加線路損耗。三相四線制供電線路，把負荷平均分配到三相上，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 = 2(3I)2R = 18I2R = 6(3I2R)
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?lián)p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巨大。
（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。三相負荷不平衡時重負荷相電流過大（增為3倍），超載過多。由于發(fā)熱量Q＝I2Rt，電流增為3倍，則發(fā)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。
2.3對供電企業(yè)的影響
變壓器燒毀、線路燒斷、開關設備燒壞，一方面增大供電企業(yè)的供電成本，另一方面停電檢修、購貨更換造成長時間停電，少供電量，既降低供電企業(yè)的經濟效益，又影響供電企業(yè)的聲譽。
2.4對用戶的影響
三相負荷不平衡，一相或兩相電壓波形畸變嚴重，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(yǎng)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。
4 三相電壓不平衡原因與治理
4.1線路單相接地
線路正常運行時導線對地電容大致相等，線路對地為相電壓，2條線路間的電壓差為線電壓，在對地電容中流過三相平衡的充電電流，沒有零序電流流過，相量圖如圖1所示。小電流接地系統(tǒng)單條線路發(fā)生金屬性接地時，接地相與大地同相位，中性點電位發(fā)生偏移，其他兩相對地電壓升高，相量圖如圖2所示（A相金屬接地）。
圖1正常狀態(tài)相量圖 圖2單相接地相量圖
此時三相電壓表現為故障相對地電壓降低，金屬性接地時降低為0；非故障相對地電壓升高，金屬性接地時升高為線電壓。電壓互感器（TV）開口三角有電壓輸出，發(fā)出接地信號。
對于這種情況，線路接地不僅僅是指架空線路、電纜，也包括隔離開關、斷路器等變電站站內設備。處理時首先應對站內設備進行巡視。檢查站內設備正常后將接地母線出線斷路器逐一拉合，當拉開某條線路時接地消失則可判定故障點在該線路上。先試拉架空線路多、負荷較輕且無重要用戶的線路，后拉負荷較重且有重要用戶的線路。
4.2 2條或2條以上線路接地
�。�1）同一母線的供電線路有時會發(fā)生2條或2條以上線路同時接地。若2條線路異名相同時接地，電流速動保護動作，將其中一條線路切除。另一條線路接地，TV開口三角有電壓輸出，發(fā)出接地信號。處理方法可采取單條線路單相接地的辦法。
（2）若2條線路同相接地，由于構不成過流保護回路，電流速動保護不會動作。此時絕緣監(jiān)視顯示對地電壓指示不平衡，出現接地信號。現象和原理同單條線路單相接地。但是，按照單條線路單相接地處理流程，將所有線路試拉以后接地一直存在。這種情況雖然比較少見，但是現場處理時很容易造成調度員的誤判，處理起來也十分復雜。
處理這種三相電壓不平衡的一般流程：首先將接地母線上的斷路器逐一拉開直到接地現象消失；然后將拉開的線路逐一試送，當試送某一條線路發(fā)生接地時立即將該線路拉開直至將全部接地線路找到。這種方法雖然能找到接地線路但是會造成大范圍停電，而且對某些線路會造成二次停電，影響供電可靠性。當接地母線所供負荷為中心負荷或所供區(qū)域內有重要、敏感用戶時該方法的弊端很大。
（3）以2條線路同相接地為例，線路接地時并不是理論上的完全金屬接地，總是存在一定的接地阻抗。當2條線路同相接地時零序阻抗圖如圖3所示。由于接地點位置、絕緣情況等因素不同，線路L1、L2的零序阻抗X01和X02也不會相同。因此拉開線路L1時故障相和非故障相的電壓與拉開線路L2時會有一定的差異。利用遙測、遙信工具或運行值班人員現場監(jiān)視儀表，及時捕捉拉合斷路器時電壓的'差異，往往能判斷出接地線路。
圖 3 兩線同相接地零序阻抗圖
4.3線路斷線
線路在雷雨、大風、高寒和降雪天氣或受到外力破壞時，往往會發(fā)生線路斷線引發(fā)三相電壓不平衡，TV開口三角有電壓輸出，發(fā)出接地信號。但與線路單相接地的區(qū)別是，此時三相電壓表現為一相升高（斷線相）另兩相（正常相）降低。
電壓升高的幅度與斷線點和母線的距離有關，斷線處離母線越近電壓越高，離母線越遠電壓越低，斷線發(fā)生在線路末端時，電壓變化很小甚至沒有變化。另外發(fā)生線路斷線時常常會接到配電變壓器缺相的報告。
線路斷線發(fā)生后，由于導線懸掛在空中，在風力作用下會和電線桿、大地或周圍的樹木接觸，造成間歇性接地，甚至發(fā)展成為線路單相接地。此時，靠近接地處 8m以內即有可能因為跨步電壓造成觸電，因此線路斷線對人員生命安全危險很大，應立即將故障線路切除。
4.4 TV自身故障
TV保險絲熔斷也會造成三相電壓不平衡現象。TV高壓熔絲熔斷時三相電壓表現為非故障相電壓不升高，故障相電壓降低但不為0，開口三角有電壓輸出，發(fā)出接地信號。TV低壓熔絲熔斷時三相電壓表現為非故障相電壓不升高，故障相電壓為0，不發(fā)出接地信號。其原因在于 TV 高壓熔絲熔斷時，在低壓側存在感應電壓，熔斷相電壓不為0。高壓側三相電壓不平衡會在開口三角處產生零序電壓，啟動接地裝置發(fā)出接地信號，相量圖如圖4所示（A相熔斷）。低壓熔絲熔斷時，由于沒有感應電壓的存在，故障相電壓為0。一次三相電壓仍平衡，故開口三角沒有電壓，不會發(fā)出接地信號。
圖4 A相熔斷相量圖
對TV熔絲熔斷造成的三相電壓不平衡狀況，應首先將母聯(lián)備自投裝置停用，退出與該TV有關的保護。將TV改為冷備用后更換熔斷的熔絲，再將TV投入運行，三相電壓不平衡即會消失。但是，如果對TV自身故障造成的三相電壓平衡現象理解不準確，誤判為線路接地或線路斷線，則往往會因為試拉線路造成不必要的對外停電，影響供電可靠性。同時，由于處理時間上的延誤，TV長時間在不平衡電壓下運行容易引發(fā)TV損壞。
4.5 消弧線圈補償不當
通常消弧線圈運行在過補償狀態(tài)，補償后單相接地故障的電流應小于10A。并應優(yōu)先采用自動跟蹤補償消弧線圈，對于非連續(xù)調節(jié)的自動跟蹤補償消弧線圈，其脫諧度應小于5％，對于連續(xù)調節(jié)的自動跟蹤補償消弧線圈，其脫諧度應小于2％。
在實際運行過程中，由于發(fā)生故障或消弧線圈容量不夠等原因，有時會引起諧振。此時三相電壓表現為一相升高、兩相降低或一相降低、兩相升高，且三相電壓往往不斷變化，有時侯還會出現很高的諧振過電壓。對這種情況一般將某條線路拉合一次破壞諧振條件后三相電壓即恢復正常，并做好記錄，以便技術人員參考并重新整定消弧線圈脫諧度。
5 總結
由以上分析可以看出，引起配電網三相電壓不平衡的原因很多，彼此之間又有很多相似之處。電網調度人員對此首先要綜合各種信號、匯報情況，準確區(qū)別各種原因產生的三相電壓不平衡現象上的差異，做出準確分析和判斷。其次，要了解各種三相電壓不平衡現象的機理和產生過程，針對不同的事故情況采用合理的解決辦法。最后，處理三相電壓不平衡情況時一定要沉著、冷靜、思路清晰，對處理步驟做到心中有數。這樣才能正確、及時的處理好事故，使電壓在最短的時間內恢復正常，保證電網的安全穩(wěn)定運行，提高供電可靠性。
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