配电网三相电压不平衡的影响与治理

摘要：配电网中三相电压不平衡现象多是由于大风天气或设备原因引起的线路分支跌落保险跌落、杆塔鸟窝搭建等原因引起的。在系统发生电压异常时，都是通过远程监控系统根据电压、信号等综合现象区分故障类型。文中结合现场实际运行经验，对配电网中三相电压不平衡现象的危害进行了说明，总结了引起三相电压不平衡的原因及相应处理方法。为电网调度人员和运行值班人员迅速、准确地处理三相电压不平衡故障提供了参考和帮助。
论文关键词：配电网,三相电压不平衡,消弧线圈,供电可靠性

　　供电可靠性是指城市供电系统对用户持续供电的能力。统计表明，用户停电故障中80％以上由配网系统的故障引起，对用户供电可靠性有很大影响。配电网中三相电压不平衡现象是电网异常和故障的反映。调度员若能根据三相电压不平衡现象准确判断故障，迅速发布调度指令，隔离故障，恢复运方，可以大大提高对用户的供电可靠性。反之，则可能导致配变烧毁、避雷器爆炸、线路短路，甚至大面积停电事故。

　　1 三相电压不平衡定义及现状

　　三相电压不平衡是指在电力系统中各相之间电压不相等或相角不相等，且幅值差超过规定范围，是由各相负载不平衡所造成。配电网的三相平衡一直就是困扰供电单位的主要问题之一，配电网大多是经10／0.4kV变压器降压后，以三相四线制向用户供电，是三相生产用电与单相负载混合用电的供电网络。在装接单相用户时，供电部门遵循的原则是将单相负载均衡地分接在A、B、C三相上。但在实际工作及运行中，由于单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等，都造成了三相负载的不平衡。

　　但随着配电网的扩大，中低压架空导线及电缆出线回路数增多、线路增长，中低压电网对地电容电流亦大幅度增加，当发生单相接地时，其他两相的对地电压要升高√3倍，接地电弧不能自动熄灭而产生电弧过电压，一般为3~5倍相电压甚至更高，致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿，因此配电网若在三相负荷不平衡度较大情况下运行，最终发展为相间短路将会给配电网与电气设备造成不良影响。

　　2常见三相电压不平衡现象

　　通过配电网运行情况我们可以看出，常见的三相电压不平衡有系统完全接地、不完全接地、间歇性接地、弧光接地、由接地诱发的谐振、线路发生断线等现象，举例如下：

　　2.1 完全接地

　　如果发生完全接地，则故障相的电压降到零，非故障相电压上升为线电压，零序电压3U0上升至100V，并发出母线接地信号。此类接地原因主要有：电缆击穿、线路上搭有异物、针瓶击穿、电缆故障等。例如下表所示：

　　变电站

　　线路

　　电压

　　（Ua/Ub/Uc kV/3U0 V）

　　接地原因

　　韩桥变

　　515

　　马家湖线

　　0.2/10.8/10.7/117.5

　　变压器上面A相避雷器击穿

　　园台变

　　514

　　沿山线

　　10.3/10.7/0.4/104.4

　　9#杆真空开关刀闸C相支撑绝缘子击穿

　　2.2 不完全接地

　　如果发生不完全接地，故障相电压下降但不为零，非故障相电压上升至相电压与线电压之间，零序电压3U0上升至整定值，发出母线接地信号。此类接地原因主要有：线路间接接地、配电变压器烧毁、电缆故障等。为尽快选出接地线路，避免事故进一步扩大化，各地区部分变电站根据情况安装了小电流接地选线装置，接地时可供调度员们参考。例如下表所示：

　　变电站

　　线路

　　电压

　　（Ua/Ub/Uc kV/3U0 V）

　　接地原因

　　田老庄变

　　514田梁线

　　8.3/8.6/2.8/59

　　2#杆真空开关C相接点打火放电

　　田老庄变

　　514田梁线

　　8.2/2.7/8.0/57.5

　　黑山墩变支线变压器侧B相线圈烧坏，变压器外壳接地。

　　2.3 间歇性接地

　　如果发生间歇性接地，接地现象时有时无，间歇性出现。非故障故障相电压时增时减或有时正常，零序电压3U0也时增时减或有时正常不稳定，接地信号也是发信、复归伴随出现。此类接地原因主要有：扎线松动、风天异物搭接在线路上等。例如下表所示：

　　变电站

　　线路

　　电压

　　（Ua/Ub/Uc kV/3U0 V）

　　接地原因

　　太阳山变

　　522车站线

　　间歇性接地

　　210#杆针瓶绑线松开随风搭在横担上

　　园台变

　　514沿山线

　　间歇性接地

　　吕光弟石料厂支线6#杆扎线断了

　　2.4 弧光接地

　　如果发生弧光接地，电压表指示不稳定，非故障相电压上升至额定电压的2.5-3倍，零序电压3U0可能大于100V。会引起此类接地的原因很多：当金属或者其他导体靠近高压线,距离达到放电距离,就会产生电弧放电,当距离足够小,电弧不能自动熄灭,就是弧光接地了，通常发生风吹着树靠近高压线或者其他事故导致的，也有汽车天线靠近等等。

　　2.5 由接地诱发的谐振

　　铁磁谐振有分频、基波、高频谐振三种形式，其共同特征是系统电压升高，母线电压互感器的开口三角绕组出现较高电压，不同点是：

　　分频谐振三相电压依次轮流升高，超过线电压，一般不超过2倍相电压，三相电压表指针在相同范围出现低频摆动；

　　基波谐振两相电压升高，超过线电压，但一般不超过3倍相电压，一相电压降低但不等于零；

　　高频谐振三相电压同时升高或其中一相明显升高，超过线电压，但不超过3至3.5倍相电压。

　　谐振过电压经常造成设备闪络或击穿、电压互感器喷油、冒烟、高压熔丝熔断等。

　　2.6 线路发生断线

　　线路发生断相时，相电压特征是三相电压不平衡，断线相电压和中性点电压升高，非断线相电压降低，供电功率减少，零序电压3U0上升至整定值，发出母线接地信号。此类故障主要有：电缆线路被外力挖断、线路某相跌落保险熔断等。例如下表所示：

　　变电站

　　线路

　　电压

　　（Ua/Ub/Uc kV/3U0 V）

　　接地原因

　　田老庄变

　　514田梁线

　　7.7/4.6/6.1/32

　　线路20#杆处A相跌落保险熔断

　　南川变

　　524南源线

　　2.42/8.56/8.29/63.26

　　150#杆B、C相跌落保险掉相

　　2.7 电压互感器高压保险熔断

　　高压保险一相熔断时，熔断相电压显著降低，其他两相电压不变，发出母线接地、电压回路断线信号。但是，如果高压保险未完全熔断，则可能不会发出母线接地信号。若判断为高压保险熔断，可投入冷备的电压互感器，将故障的电压互感器转检修更换熔断相高压保险。例如下表所示：当时35kV I、II段并列运行，发出“35kVI、II母接地”、“35kV I、II母PT断线”信号，当班调度员判断为C相高压保险熔断。

　　变电站

　　线路

　　电压

　　（Ua/Ub/Uc kV/3U0 V）

　　接地原因

　　关马湖变

　　32-9PT

　　20.7/21.6/1.2/36.1

　　32-9PT C相高压保险熔断

　　2.8 电压互感器低压保险熔断或二次空开跳闸

　　低压保险一相熔断时，熔断相电压降低很多，未熔断的两相电压正常，发出电压回路断线信号，开口三角无电压，不会发出母线接地信号。会不会发出母线接地信号是判别高压保险还是低压保险熔断的一个主要依据。例如：五里坡变

　　6kV母线电压Ua=0.5kV、Ub=0.5kV、Uc=0.5kV、3U0=3.7V，现场检查二次电压均正常，后将母线测控装置二次空开重新合上后电压正常。

　　2.9 二次电压回路异常及其他

　　发生这种现象时，电压情况无法预测。其形成原因复杂，通常有二次小线烧断、碰线、回路接错、表计异常等。处理办法一般为调度员根据监控所发信号、现场检查情况将母线电压互感器转检修后交检修单位检查处理。例如：立新变10kV母线电压Ua=6.2kV、Ub=6.2kV、Uc=5.9kV、3U0=8.9V，而且零序电压不断的变化，经保护人员检查为保护插件问题。线路参数不平衡、三相负荷的不对称也会影响母线电压的平衡。

　　3 三相负荷不平衡的危害

　　3.1 对配电变压器的影响

　　（1）三相负荷不平衡将增加变压器的损耗。变压器的损耗包括空载损耗和负荷损耗。正常情况下变压器运行电压基本不变，即空载损耗是一个恒量。而负荷损耗则随变压器运行负荷的变化而变化，且与负荷电流的平方成正比。当三相负荷不平衡运行时，变压器的负荷损耗可看成三只单相变压器的负荷损耗之和。

　　从数学定理中我们知道：变压器的在负荷不变的情况下，当Ia=Ib=Ic时，即三相负荷达到平衡时，变压器的损耗最小。

　　（2）三相负荷不平衡可能造成烧毁变压器的严重后果。三相负荷不平衡时重负荷相电流过大（增为3倍），超载过多，可能造成绕组和变压器油的过热。绕组过热，绝缘老化加快；变压器油过热，引起油质劣化，迅速降低变压器的绝缘性能，减少变压器寿命（温度每升高8℃，使用年限将减少一半），甚至烧毁绕组。

　　（3）三相负荷不平衡运行会造成变压器零序电流过大。局部金属件温升增高，在三相负荷不平衡运行下的变压器，必然会产生零序电流，而变压器内部零序电流的存在，会在铁芯中产生零序磁通，这些零序磁通就会在变压器的油箱壁或其他金属构件中构成回路。但配电变压器设计时不考虑这些金属构件为导磁部件，则由此引起的磁滞和涡流损耗使这些部件发热，致使变压器局部金属件温度异常升高，严重时将导致变压器运行事故。

　　2.2对线路和配电屏的影响

　　（1）三相负荷不平衡将增加线路损耗。三相四线制供电线路，把负荷平均分配到三相上，设每相的电流为I，中性线电流为零，其功率损耗为：

　　ΔP1 = 3I2R

　　在最大不平衡时，即某相为3I，另外两相为零，中性线电流也为3I，功率损耗为：

　　ΔP2 = 2(3I)2R = 18I2R = 6(3I2R)

　　即最大不平衡时的电能损耗是平衡时的6倍，换句话说，若最大不平衡时每月损失1200 kWh，则平衡时只损失200 kWh，由此可知调整三相负荷的降损潜力巨大。

　　（2）三相负荷不平衡可能造成烧断线路、烧毁开关设备的严重后果。三相负荷不平衡时重负荷相电流过大（增为3倍），超载过多。由于发热量Q＝I2Rt，电流增为3倍，则发热量增为9倍，可能造成该相导线温度直线上升，以致烧断。且由于中性线导线截面一般应是相线截面的50％，但在选择时，有的往往偏小，加上接头质量不好，使导线电阻增大。中性线烧断的几率更高。

　　同理在配电屏上，造成开关重负荷相烧坏、接触器重负荷相烧坏，因而整机损坏等严重后果。

　　2.3对供电企业的影响

　　变压器烧毁、线路烧断、开关设备烧坏，一方面增大供电企业的供电成本，另一方面停电检修、购货更换造成长时间停电，少供电量，既降低供电企业的经济效益，又影响供电企业的声誉。

　　2.4对用户的影响

　　三相负荷不平衡，一相或两相电压波形畸变严重，必将增大线路中的电压降，降低电能质量，影响用户的电器使用。

　　变压器烧毁、线路烧断、开关设备烧坏，影响用户供电，轻则带来不便，重则造成较大的经济损失，如停电造成养殖的动、植物死亡，或不能按合同供货被惩罚等。中性线烧断还可能造成用户大量低压电器被烧毁的事故。

　　4 三相电压不平衡原因与治理

　　4.1线路单相接地

　　线路正常运行时导线对地电容大致相等，线路对地为相电压，2条线路间的电压差为线电压，在对地电容中流过三相平衡的充电电流，没有零序电流流过，相量图如图1所示。小电流接地系统单条线路发生金属性接地时，接地相与大地同相位，中性点电位发生偏移，其他两相对地电压升高，相量图如图2所示（A相金属接地）。

　　

　　图1正常状态相量图 图2单相接地相量图

　　此时三相电压表现为故障相对地电压降低，金属性接地时降低为0；非故障相对地电压升高，金属性接地时升高为线电压。电压互感器（TV）开口三角有电压输出，发出接地信号。

　　对于这种情况，线路接地不仅仅是指架空线路、电缆，也包括隔离开关、断路器等变电站站内设备。处理时首先应对站内设备进行巡视。检查站内设备正常后将接地母线出线断路器逐一拉合，当拉开某条线路时接地消失则可判定故障点在该线路上。先试拉架空线路多、负荷较轻且无重要用户的线路，后拉负荷较重且有重要用户的线路。

　　4.2 2条或2条以上线路接地

　　（1）同一母线的供电线路有时会发生2条或2条以上线路同时接地。若2条线路异名相同时接地，电流速动保护动作，将其中一条线路切除。另一条线路接地，TV开口三角有电压输出，发出接地信号。处理方法可采取单条线路单相接地的办法。

　　（2）若2条线路同相接地，由于构不成过流保护回路，电流速动保护不会动作。此时绝缘监视显示对地电压指示不平衡，出现接地信号。现象和原理同单条线路单相接地。但是，按照单条线路单相接地处理流程，将所有线路试拉以后接地一直存在。这种情况虽然比较少见，但是现场处理时很容易造成调度员的误判，处理起来也十分复杂。

　　处理这种三相电压不平衡的一般流程：首先将接地母线上的断路器逐一拉开直到接地现象消失；然后将拉开的线路逐一试送，当试送某一条线路发生接地时立即将该线路拉开直至将全部接地线路找到。这种方法虽然能找到接地线路但是会造成大范围停电，而且对某些线路会造成二次停电，影响供电可靠性。当接地母线所供负荷为中心负荷或所供区域内有重要、敏感用户时该方法的弊端很大。

　　（3）以2条线路同相接地为例，线路接地时并不是理论上的完全金属接地，总是存在一定的接地阻抗。当2条线路同相接地时零序阻抗图如图3所示。由于接地点位置、绝缘情况等因素不同，线路L1、L2的零序阻抗X01和X02也不会相同。因此拉开线路L1时故障相和非故障相的电压与拉开线路L2时会有一定的差异。利用遥测、遥信工具或运行值班人员现场监视仪表，及时捕捉拉合断路器时电压的差异，往往能判断出接地线路。

　　

　　图 3 两线同相接地零序阻抗图

　　4.3线路断线

　　线路在雷雨、大风、高寒和降雪天气或受到外力破坏时，往往会发生线路断线引发三相电压不平衡，TV开口三角有电压输出，发出接地信号。但与线路单相接地的区别是，此时三相电压表现为一相升高（断线相）另两相（正常相）降低。

电压升高的幅度与断线点和母线的距离有关，断线处离母线越近电压越高，离母线越远电压越低，断线发生在线路末端时，电压变化很小甚至没有变化。另外发生线路断线时常常会接到配电变压器缺相的报告。

　　线路断线发生后，由于导线悬挂在空中，在风力作用下会和电线杆、大地或周围的树木接触，造成间歇性接地，甚至发展成为线路单相接地。此时，靠近接地处 8m以内即有可能因为跨步电压造成触电，因此线路断线对人员生命安全危险很大，应立即将故障线路切除。

　　4.4 TV自身故障

　　TV保险丝熔断也会造成三相电压不平衡现象。TV高压熔丝熔断时三相电压表现为非故障相电压不升高，故障相电压降低但不为0，开口三角有电压输出，发出接地信号。TV低压熔丝熔断时三相电压表现为非故障相电压不升高，故障相电压为0，不发出接地信号。其原因在于 TV 高压熔丝熔断时，在低压侧存在感应电压，熔断相电压不为0。高压侧三相电压不平衡会在开口三角处产生零序电压，启动接地装置发出接地信号，相量图如图4所示（A相熔断）。低压熔丝熔断时，由于没有感应电压的存在，故障相电压为0。一次三相电压仍平衡，故开口三角没有电压，不会发出接地信号。

　　

　　图4 A相熔断相量图

　　对TV熔丝熔断造成的三相电压不平衡状况，应首先将母联备自投装置停用，退出与该TV有关的保护。将TV改为冷备用后更换熔断的熔丝，再将TV投入运行，三相电压不平衡即会消失。但是，如果对TV自身故障造成的三相电压平衡现象理解不准确，误判为线路接地或线路断线，则往往会因为试拉线路造成不必要的对外停电，影响供电可靠性。同时，由于处理时间上的延误，TV长时间在不平衡电压下运行容易引发TV损坏。

　　4.5 消弧线圈补偿不当

　　通常消弧线圈运行在过补偿状态，补偿后单相接地故障的电流应小于10A。并应优先采用自动跟踪补偿消弧线圈，对于非连续调节的自动跟踪补偿消弧线圈，其脱谐度应小于5％，对于连续调节的自动跟踪补偿消弧线圈，其脱谐度应小于2％。

　　在实际运行过程中，由于发生故障或消弧线圈容量不够等原因，有时会引起谐振。此时三相电压表现为一相升高、两相降低或一相降低、两相升高，且三相电压往往不断变化，有时侯还会出现很高的谐振过电压。对这种情况一般将某条线路拉合一次破坏谐振条件后三相电压即恢复正常，并做好记录，以便技术人员参考并重新整定消弧线圈脱谐度。

　　5 总结

　　由以上分析可以看出，引起配电网三相电压不平衡的原因很多，彼此之间又有很多相似之处。电网调度人员对此首先要综合各种信号、汇报情况，准确区别各种原因产生的三相电压不平衡现象上的差异，做出准确分析和判断。其次，要了解各种三相电压不平衡现象的机理和产生过程，针对不同的事故情况采用合理的解决办法。最后，处理三相电压不平衡情况时一定要沉着、冷静、思路清晰，对处理步骤做到心中有数。这样才能正确、及时的处理好事故，使电压在最短的时间内恢复正常，保证电网的安全稳定运行，提高供电可靠性。

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