不平衡電流不平衡電流保護(hù)及其缺陷

不平衡電流的危害

電網(wǎng)中三相間的不平衡電流是普遍存在的，在城市民用電網(wǎng)及農(nóng)用電網(wǎng)中由于大量單相負(fù)荷的存在，三相間的電流不平衡現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。對(duì)于三相不平衡電流，除

了盡量合理地分配負(fù)荷之外幾乎沒有什么行之有效的解決辦法。正因?yàn)檎也坏浇鉀Q問題的有效辦法，因此反而不被人們所重視，也很少有人進(jìn)行研究。

電網(wǎng)中的不平衡電流會(huì)增加線路及變壓器的銅損，增加變壓器的鐵損，降低變壓器的出力甚至?xí)绊懽儔浩鞯陌踩\(yùn)行，會(huì)造成三相電壓不平衡因而降低供電質(zhì)量

，甚至?xí)绊戨娔鼙淼木榷斐捎?jì)量損失。

理論研究證明：在輸出同樣功率的情況下，三相電流平衡時(shí)變壓器及線路的銅損最小，也就是說：三相不平衡現(xiàn)象增加了變壓器及線路的銅損。

不平衡電流對(duì)系統(tǒng)銅損的影響

設(shè)某系統(tǒng)的三相線路及變壓器繞組的總電阻為R。如果三相電流平衡，IA=100A，IB=100A，IC=100A，則總銅損=1002R+1002R+1002R=30000R。

如果三相電流不平衡，IA=50A，IB=100A，IC=150A，則總銅損=502R+1002R+1502R=35000R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了17%。

在更為嚴(yán)重的狀態(tài)下，如果IA=0A，IB=150A，IC=150A，則總銅損=1502R+1502R=45000R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了50%。

在最嚴(yán)重的狀態(tài)下，如果IA=0A，IB=0A，IC=300A，則總銅損=3002R=90000R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了3倍。

對(duì)變壓器的影響

現(xiàn)有的10/0.4KV的低壓配電變壓器多為Yyn0接法三相三柱鐵心的變壓器。這種類型的變壓器，當(dāng)二次側(cè)負(fù)荷不平衡且有零線電流時(shí)，零線電流即為零序電流，而在

一次側(cè)由于無中點(diǎn)引出線因此零序電流無法流通，故零序電流不能安匝平衡，對(duì)鐵心而言，有一個(gè)激磁零序電流，它受零序激磁阻抗控制，根據(jù)磁路的設(shè)計(jì)，這一零序

激磁阻抗較大，零序電流使相電壓的對(duì)稱受到影響，中性點(diǎn)會(huì)偏移。由計(jì)算得知，當(dāng)零線電流為額定電流的25%時(shí)，中性點(diǎn)移位約為額定電壓的7%。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50052-

95第6.08條規(guī)定: “當(dāng)選用Yyn0結(jié)線組別的三相變壓器，其由單相不平衡負(fù)荷引起的電流不得超過低壓繞組額定電流的25%，且其中一相的電流在滿載時(shí)不得超過額定電

流值?！庇捎谏鲜鲆?guī)定，限制了Yyn0結(jié)線配電變壓器接用單相負(fù)荷的容量，也影響了變壓器設(shè)備能力的充分利用。

并且，對(duì)三相三柱的磁路而言，零序磁通不能在磁路內(nèi)成回路，必須在油箱壁及緊固件內(nèi)形成回路，而油箱壁及緊固件內(nèi)的磁通會(huì)產(chǎn)生較大的渦流損耗，因而使變

壓器的鐵損增加。當(dāng)零序電流過大導(dǎo)致零序磁通過大時(shí)，由于中性點(diǎn)漂移過大會(huì)引起某些相電壓過高而導(dǎo)致鐵心磁飽和，使鐵損急劇增加，加上緊固件過熱等因素，可

能會(huì)發(fā)生任何一相電流均未過載而變壓器卻因局部過熱而損壞的事故。

由于Yyn0結(jié)線組的配電變壓器與的零序激磁阻抗較大，因此零線電流會(huì)造成較大的電壓變化，形成比較嚴(yán)重的三相電壓不平衡現(xiàn)象，不但影響單相用戶，對(duì)三相用戶的影響更大 。

（1）三相負(fù)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(fù)荷損耗。正常情況下變壓器運(yùn)行電壓基本不變，即空載損耗是一個(gè)恒量。而負(fù)荷損耗則隨變壓器運(yùn)行負(fù)荷的變化而變化，且與負(fù)荷電流的平方成正比。當(dāng)三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行時(shí)，變壓器的負(fù)荷損耗可看成三只單相變壓器的負(fù)荷損耗之和。

從數(shù)學(xué)定理中我們知道：假設(shè)a、b、c 3個(gè)數(shù)都大于或等于零，那么a+b+c≥33√abc 。

當(dāng)a=b=c時(shí)，代數(shù)和a+b+c取得最小值：a+b+c=33√abc 。

因此我們可以假設(shè)變壓器的三相損耗分別為：Qa=Ia2 R、Qb= Ib2 R 、Qc =Ic2 R，式中Ia、Ib、Ic分別為變壓器二次負(fù)荷相電流，R為變壓器的相電阻。則變壓器的損耗表達(dá)式如下：

Qa+Qb+Qc≥33√〔（Ia2 R）（Ib2 R）（Ic2 R）〕

由此可知，變壓器的在負(fù)荷不變的情況下，當(dāng)Ia=Ib=Ic時(shí)，即三相負(fù)荷達(dá)到平衡時(shí)，變壓器的損耗最小。

則變壓器損耗：

當(dāng)變壓器三相平衡運(yùn)行時(shí)，即Ia=Ib=Ic=I時(shí)，Qa+Qb+Qc=3I2R；

當(dāng)變壓器運(yùn)行在最大不平衡時(shí)，即Ia=3I，Ib=Ic=0時(shí)，Qa=(3I)2R=9I2R=3(3I2R)；

即最大不平衡時(shí)的變損是平衡時(shí)的3倍。

（2）三相負(fù)荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴(yán)重后果：

上述不平衡時(shí)重負(fù)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(zhì)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(fù)荷不平衡運(yùn)行會(huì)造成變壓器零序電流過大，局部金屬件溫升增高：

在三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行下的變壓器，必然會(huì)產(chǎn)生零序電流，而變壓器內(nèi)部零序電流的存在，會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生零序磁通，這些零序磁通就會(huì)在變壓器的油箱壁或其他金屬構(gòu)件中構(gòu)成回路。但配電變壓器設(shè)計(jì)時(shí)不考慮這些金屬構(gòu)件為導(dǎo)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(yán)重時(shí)將導(dǎo)致變壓器運(yùn)行事故。

（1）增加高壓線路損耗：

低壓側(cè)三相負(fù)荷平衡時(shí)，6～10k V高壓側(cè)也平衡，設(shè)高壓線路每相的電流為I，其功率損耗為： ΔP1 = 3I2R

低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡將反映到高壓側(cè)，在最大不平衡時(shí)，高壓對(duì)應(yīng)相為1.5I，另外兩相都為0.75 I，功率損耗為：

ΔP2 = 2（0.75I）2R+（1.5I）2R = 3.375I2R =1.125（3I2R）；

即高壓線路上電能損耗增加12.5%。

（2）增加高壓線路跳閘次數(shù)、降低開關(guān)設(shè)備使用壽命：

我們知道高壓線路過流故障占相當(dāng)比例，其原因是電流過大。低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡可能引起高壓某相電流過大，從而引起高壓線路過流跳閘停電，引發(fā)大面積停電事故，同時(shí)變電站的開關(guān)設(shè)備頻繁跳閘將降低使用壽命。

（1）三相負(fù)荷不平衡將增加線路損耗：

三相四線制供電線路，把負(fù)荷平均分配到三相上，設(shè)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(shí)，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(shí)的電能損耗是平衡時(shí)的6倍，換句話說，若最大不平衡時(shí)每月?lián)p失1200 kWh，則平衡時(shí)只損失200 kWh，由此可知調(diào)整三相負(fù)荷的降損潛力。

（2）三相負(fù)荷不平衡可能造成燒斷線路、燒毀開關(guān)設(shè)備的嚴(yán)重后果：

上述不平衡時(shí)重負(fù)荷相電流過大（增為3倍），超載過多。由于發(fā)熱量Q=0.24I2Rt，電流增為3倍，則發(fā)熱量增為9倍，可能造成該相導(dǎo)線溫度直線上升，以致燒斷。且由于中性線導(dǎo)線截面一般應(yīng)是相線截面的50%，但在選擇時(shí)，有的往往偏小，加上接頭質(zhì)量不好，使導(dǎo)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(guān)重負(fù)荷相燒壞、接觸器重負(fù)荷相燒壞，因而整機(jī)損壞等嚴(yán)重后果。

供電企業(yè)直管到戶，低壓電網(wǎng)損耗大，將降低供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，甚至造成供電企業(yè)虧損經(jīng)營(yíng)。農(nóng)電工承包臺(tái)區(qū)線損，線損高農(nóng)電工獎(jiǎng)金被扣發(fā)，甚至連工資也得不到，必然影響農(nóng)電工情緒，輕則工作消極，重則為了得到錢違法犯罪。

變壓器燒毀、線路燒斷、開關(guān)設(shè)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(zhǎng)時(shí)間停電，少供電量，既降低供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，又影響供電企業(yè)的聲譽(yù)。

三相負(fù)荷不平衡，一相或兩相畸重，必將增大線路中的電壓降，降低電能質(zhì)量，影響用戶的電器使用。

變壓器燒毀、線路燒斷、開關(guān)設(shè)備燒壞，影響用戶供電，輕則帶來不便，重則造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，如停電造成養(yǎng)殖的動(dòng)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。