发电厂用电系统三相负荷不平衡问题讨论

技术与应用　发电厂用电系统三相负荷不平衡问题讨论　李　想　（国核电力规划设计研究院，北京　１０００９４）　摘要　本文对电厂中普遍存在的三相负荷不平衡产生的原因和产生的影响进行了介绍，并　给出了三相负荷不平衡程度对变压器负载损耗的增加程度图表，并简要介绍了设计过程中如何　避免大程度的三相负荷不平衡。　关键词：三相不平衡；负载损耗；经济性　Ｔｈｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ　Ｌｏａｄ　Ｌｉ　Ｘｉａｎｇ　（Ｓｔａｔｅ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｂｅｉｊ　ｉｎｇ　１　０００９４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｌｏａｄ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｉｎ　ｐａｒａｇｒａｐｈ．Ｔｈｅ　ｗａｙ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　ｔｈｒｅｅ．ｐｈａｓｅ　ｌｏａｄ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｌｏａｄ；ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｌｏｓｓ；ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　ｅｆｆｅｃｔ　１　引言　度允许值为２％，　电能质量和损耗是电力用户比较关心的问题，　而三相负荷不平衡不仅会影响电能质量，也会引起　损耗的增加。对于电厂用户来说，三相负荷不　衡　不仪会引起电缆及变压器损耗增加，还会引起变压　器局部温升等问题。而且负荷不平衡是长期存在的，　桀　一　因此它所带来的问题需要我们从设计上重视并认真　图１一次侧电压中性点漂移　评估其所带来的影响。　２．２变压器损耗　２不平衡带来的影响　配电变爪器的损耗包括空载损耗（即铁损）和　负载损耗（Ｊ｝１｜Ｉｌ损）。　电变，Ｉ三器的空载损耗是随变压　２．１对电能质量的影响　器的运行电压而变化的，　常情况下电压波动范围　若运行时三相负荷不对称会导致中性线出现零　很小，　Ｊ　哿窄载损耗看作　个常量，而负载损耗则　序电流因而导致一次侧电压中性点位移。如图１所　随变压器负荷不问　变化。　示，图１中　，　，　是三相对称电压。当三相　因负荷不均匀，则在３个绕组中的电流值不同，　对称运行时，中心点电压　＝０。当二相不对称运行　对称与不对称所引起的铜损分别见式（１）、式（２）　时，　’≠０，　’＞　’＞　’，这时将出现三相电压　ＡＰ＝（，／，　）　（１）　不对称的电能质量问题…。　式中，△尸为对称情况下的铜耗，ｋＷ；Ｉ为对称时变　位移电压的大小取决于三相负荷的不平衡程　压器电流，Ａ：，　，为变压器额定电流，Ａ：　为变　度，不平衡程度越大，则位移电压越大。位移电压　压器额定短路损耗，ｋｗ。　将对用电设备的相电压造成影响。　ＧＢ／Ｔ　１５５４３一ｌ９９《电能质量三相电压允许不平　：　（２）　３　衡度》规定：电力系统公共连接点正常电压不平衡　式中，△　为不对称情况下的铜耗，ｋＷ；ＩＡ，ＩＢ　Ｉｃ为　２０１１年第５期电霉墨ｌ技７ｌｔ　Ｉ　５３　技术与应用　分别是不对称情况下各相电流，Ａ；若在变压器容　量相同、变压器所带总负荷相同的情况下，则有　Ｉ＝（，Ａ＋，日＋Ｉｃ）／３　（３）　则配电变压器对称与不对称运行的铜耗差额为　８Ｐ＝△　一△尸　（４）　整理可得　６Ｐ＝　［（，Ａ一　）　＋（　一，ｃ）　＋（，ｃ一，Ａ）　】　３Ｉ２　可见，在不对称情况下，相对对称运行引起的　铜耗增加，不对称越大，铜耗增加越大【　。　２．３　引起低压供电线路的线损增加　根据电路基本原理，线路上产生的损耗与其流过　的电流平方成正比。若负荷不对称，在三相四线供电　系统中，中性线上会流过电流，因此也会产生损耗。　对称与不对称产生的线路功率损失见式（６）、式（７）。　＝３１　Ｒ　（６）　式中，　为对称情况下的线损，ｋｗ；，为对称负　荷在线路中流过的电流，Ａ；　为三相四线线路电阻，　单位为Ｑ。　△　．Ｌ＝（，：＋Ｊｒ　＋，　）　＋，　（７）　式中，　为不对称情况下的线损，ｋｗ；，Ａ，，Ｂ，　为分别是不对称情况下各相电流，Ａ：Ｒ为三相四　线线路中性线电阻，单位为Ｑ。　则线路在对称与不对称运行情况下线损差额为　＝　Ｌ—ａｅＣ　（８）　整理可得　卯＝【（　一　）　＋（，Ｂ－ｔｏ）　＋（　－－ＩＡ）　］Ｒ／３＋Ｉ２Ｒｏ　（９）　从式（９）分析，在总负荷容量一定的情况下，　若三相负荷不对称，则造成的功率损失较大，运行　不经济【　。　２．４降低变压器出力，影响安全运行　《电力变压器运行规程》规定：运行中的变压器　中性点电流不得超过变压器低压侧额定电流的２５％。　变压器内中性点连接导体是以２５％额定电流设计的。　若三相负荷不平衡程度过大导致流过中性点连接导体　的超过其额定值，则会引发导体烧断的事故。　其次配电变压器的绕组是按平衡运行设计的，　每相绕组的结构性能一样，故其允许最大出力只能　按三相负荷中最大一相不超过额定容量为限，因此　在不平衡下运行，出力将受到限制，过载能力降低。　２．５零序电流增大，导致配电变压器局部温度升高　三相负荷不平衡会产生零序电流，其大小跟不　平衡程度相关。零序电流会在变压器铁心中感应出　磁通，这些磁通会在变压器的钢构件及油箱壁中通　Ｉ　５４　Ｉ毫　纛鬣２０１１年第５期　过构成回路，从而引起磁滞损耗及涡流损耗，导致　变压器局部金属部件温度升高，增加功率损耗，严　重的还可能造成变压器烧毁事故　钔。　３不平衡产生的原因　目前发电厂设计中不平衡负荷基本都是由低压　负荷产生，除小功率负荷（一般不到ｌｋＷ，对不平　衡度产生的影响极小）外，基本上是由热工的控制　柜或厂家所带的控制柜引起的。根据《火力发电厂　设计技术规程》ＤＬ　５０００—２０００中１２．１１．１的规定，热　工控制柜（盘）进线电源的电压等级不得超过２２０Ｖ。　此外，根据火力发电厂设计经验，低压厂用电负荷　中单相负荷容量较大的均为热控的控制盘柜。下面　以某工程设计中出现的问题进行讨论。　低压变压器容量为２０００ｋＶＡ，设计负荷为１６５０ｋ、　，　连接方式如图２所示。　图２不平衡负荷示惹图　三相负荷平衡时，变压器损耗　ＡＰ＝（ＩＩＩＮ　＝（　÷　＝０．６８０６Ｐｋ　三相负荷不平衡时，变压器损耗　Ｓ１５９０／３＋６０：一：——：２６８２Ａ　【／　Ｏ．２２　』ｎ＝一Ｓ１５９０／３：一：：一——　：２４０９Ａ／　０．２２　，　：　』＾一一一一：—１５９０／３—：２４０９Ａ一　Ｕ　ＩＮ　面　：喜：　：３０３１Ａ△　＝［（，Ａ／，Ｎ）　＋（，Ｂ／Ｉ　）　＋（　／Ｉ　）　】（　／３）　＝［（２６８２／３０３１）　＋（２４０９／３０３１）　＋（２４０９／３０３１）　】（　／３）　＝０．６８２１　技术与应用　式中，　为不对称情况下的铜耗，ｋＷ；　，　，，ｃ为　问题，现将变压器损耗与三相负荷不平衡之间的关系　以图表形式给出，便于设计人员在设计过程中参考。　表１为根据上述计算公式算出。Ａ相、Ｂ相两　分别是不对称情况下各相电流，单位为Ａ；则配电　变压器对称与不对称运行的铜耗差额为　８Ｐ＝　一△Ｐ　相负荷分别是Ａ相Ｂ相负荷所占百分比，各以１００％　为基准，Ｃ相负荷即为总负荷减去Ａ相和Ｂ相两相　负荷之和。例如当Ａ相及Ｂ相负荷分别为８５％、９０％　时，则Ｃ相负荷应为１００％＋（１００％一８５％）＋（１００％　９０％）　＝整理可得　８Ｐ％：　二　：０２２％　．可见，在不对称情况下，相对对称运行引起的　１２０％（但仍不超过Ｃ相绕组所能承受的负荷）。　图３为根据表１所生成的曲线，便于设计人员在设　铜耗增加，不对称越大，铜耗增加越大，不利于电　厂的长期经济运行。　计时查找。为使图面整洁，曲线之间的间隔以５％为单　位，曲线从上至下分别为Ｂ相负荷为８０％、８５％、９０％、　９５％、１００％时变压器负载损耗增加百分比的曲线。　４避免三相负荷不平衡的措施　根据目前电厂设计过程中经常遇到的单相负荷　表１　三相负荷不平衡时变压器负载损耗增加百分比　Ａ相及Ｂ相负荷　ｌ００．０　％　８２．５　２．０４２　１ＯＯ　０．０００　９７．５　０．０４２　９５　０．１６７　９２．５　Ｏ．３７５　９０　０．６６７　８７．５　１．０４２　８５　１．５００　８０　２．６６７　９７．５　９５．０　９２．５　９０．Ｏ　８７．５　８５．０　０．０４２　Ｏ．】６７　０．３７５　０．６６７　１．０４２　１．５００　Ｏ．１２５　０，２９２　０．５４２　０．８７５　１．２９２　１．７９２　０．２９２　０，５００　０．７９２　１．１６７　１．６２５　２．１６７　０．５４２　０．７９２　１．１２５　１．５４２　２．０４２　２．６２５　０．８７５　１．１６７　１．５４２　２．０００　２．５４２　３．１６７　１．２９２　１．６２５　２．０４２　２．５４２　３．１２５　３．７９２　１．７９２　２．１６７　２．６２５　３．１６７　３．７９２　４．５００　２＿３７５　２．７９２　３．２９２　３．８７５　４．５４２　５．２９２　３．０４２　３．５００　４．Ｏ４２　４．６６７　５．３７５　６．１６７　８２．５　８０．Ｏ　２．０４２　２．６６７　２．３７５　３．０４２　２．７９２　３．５００　３．２９２　４．０４２　３．８７５　４．６６７　４．５４２　５．３７５　５．２９２　６．１６７　６．１２５　７．０４２　７．Ｏ４２　８．０００　进行供电以减小不平衡性。　（３）在满足经济性的情况下可适当增大电缆截　面，包括中性线的截面。　５结论　本文分析了产生三相不平衡的原因，并分析了　由于三相不平衡所引起的影响。为解决三相不平衡　图３负荷不平衡时变压器损耗增加百分比　所带来的问题，本文从设计角度提出了平衡三相不　平衡运行的技术措施，供设计人员参考。　参考文献　［１］林志雄．低压配电网三相不平衡运行的影响及治理措　施［Ｊ］．电力科学与技术学报，２００９（３）．　由于电缆损耗跟变压器损耗计算方法相似，在　不要求计算结果很准确的情况下，可以参考表１或　者图３进行估算，以对经济性运行进行判断。　根据上述图表的结果，当三相负荷的不平衡程　度过大时应采取措施减小不平衡程度，以提高电厂　运行的经济性。　（１）将变压器下所有的单相负荷进行特殊设　计，以使单相负荷均匀地分配到三相上，避免造成　负荷不平衡。在分配时应考虑负荷的运行情况，不　［２］　李红怡，三相不对称负荷运行分析及解决对策【Ｊ］＿山　西电力，２００８（２）．　［３］　徐大斌．浅谈低压电网三相不平衡问题［Ｊ］．金卡工　程・经济与法，２００８（１　１１．　ｆ４】　王文民．配电变压器三相负荷平衡问题不容忽视［Ｊ］．　农村电气化，２ｏｏ９（５）．　光考虑负荷的容量，还应考虑负荷的运行连续情况　等其他情况，使最终运行时三相负荷基本相等。　（２）加强对变压器负荷侧的断相检测。对于某　区域内若单相负荷比较集中，也设置单独的变压器　作者简介　李想（１９８５．），男，山东泰安人，主要从事发电厂电气设计工作。　Ｉ　２０１１年第５期电毒量ｌ技泵ｌ　５５