10kV 配電變壓器電壓三相不平衡分析

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摘要

本文主要闡述了 10kV 配電變壓器電壓三相不平衡的影響，並且根據 10kV 配電變壓器電壓三相不平衡產生的原因提出了一些改善措施，希望能夠為 10kV 配電變壓器電壓三相不平衡問題提供一定的解決策略。

關鍵字

10kV；配電；變壓器；電壓；三相不平衡

1 引言

在電網運行中，如果出現運行異常或者產生故障現象，那麼就可能會導致配電網出現三相電壓不平衡的現象。只有對三相電壓不平衡的現象進行準確的判斷，對故障進行進行隔離和處理，才可能對電網供電可靠性進行提高。

1 10kV 配電變壓器三相電壓不平衡產生的原因良好的三相電壓除了振幅、頻率、諧波成分都符合標準之外，三相電壓的對稱性也是重要的指標之一。理想的三相電壓是三相電壓的大小相等，任兩相之間的相位相差 120°，如果三相電壓偏離了這兩個條件，我們就稱為三相電壓不平衡。電力公司不論在發電、輸電或配電的階段，均致力於維持三相電壓的平衡，一般來說，造成三相電壓不平衡的原因可分為結構性、功能性和故障性三種。

1.1結構性因素

結構性因素（structural cause）是指輸配電線路阻抗的非對稱。如果三相輸配電線路中的電流為平衡，但是三相線路的阻抗卻不相等，那麼所產生的壓降也不相等，致使受電端的三相電壓產生不平衡。

變壓器的連接方式有時也是造成阻抗不平衡的原因。另一個由變壓器所引起的電壓不平衡為三相變壓器的激磁電流。內鐵式三相變壓器（three-phase core-type transformer）的鐵芯為三足（three limbs）的磁路，由於各足磁路之長度不完全相同，鐵芯的磁阻就不相等，致使各相之磁化電抗也不相等，因此三相激磁電流就不平衡。如果變壓器的 Y 接端中性點未接地，變壓器的相電壓就會出現輕微的不平衡。

1.2 功能性因素

功能性因素（functional cause）是指三相傳輸的有效及無效功率不平衡，簡單地說，就是負載的不平衡。電力公司在分配單相負載時，雖然盡可能的將負載均勻的分配在各相上，但是即使負載的分配是三相完全相等，也不能保證所有的單相負載都在同一時間消耗相等的功率。

在工業用電方面，大型的單相設備，如單相感應電動機、電焊機、電弧爐等，是造成電壓不平衡的重要原因。

1.3 故障性因素

故障性因素是指由電力系統元件故障所導致的電壓不平衡。引起電壓不平衡最常見的故障是三相功因修正電容器熔絲熔斷，使某一相線路無法補償而電壓降低，有補償的相那麼電壓較高。單相設備超載、短路、接地故障等，也會引起嚴重的電壓不平衡。

2 10kV 配電變壓器三相電壓不平衡的危害

2.1 增加配電網損耗

10kV 配電變壓器電壓三相負載不平衡會導致變壓器出現損耗增加的現象。在正常運行的情況下變壓器的電壓是保持不變的，但是如果出現電壓三相不平衡的現象，

電壓負載損耗就會隨著變壓器電壓負載的變化也產生著變化，並且會與負載電流的平方成正比。如果變壓器輸出的容量是相等的，那麼電壓三相負載不平衡的現象就會導致變壓器有功損耗出現增加的情況。

2.2 降低變壓器出力

在原先的設計中，變壓器繞組是以三相對稱和平衡的情況進行運行的，並且三相繞組的結構性能是相同的，變壓器最大允許出力受到每一相額定容量的影響。如果出現三相電壓負載不平衡的現象，那麼其中負載比較輕的那一相就會出現富餘容量，導致變壓器出力下降的現象，隨之變壓器備用容量就會降低，與此同時超載能力也隨之下降。

2.3 導致三相電壓不平衡

上文中已經說到變壓器繞組是以三相對稱和平衡的情況進行運行的，

在電壓三相負載平衡的情況下，三相電流是相同的，因而變壓器內部電壓降低量也是相等的，所以變壓器輸出的電壓也是平衡的。但是如果電壓三相負載出現不平衡的現象，那麼三相的電流就會不同，那麼變壓器內部電壓降低量也就會不相等，所最終導致變壓器輸出的電壓也是不平衡的。如果電壓三相負載出現非常不平衡的現象，那麼就會出現很大的中性線電流，因為中性線的抗阻壓降比較大，所以會導致中性點出現位移現象，最終導致電壓三相出現變化，從而導致電能品質受到影響，電壓三相負載就無法進行正常運行。

2.4 導致電動機效率下降

10kV 配電變壓器電壓三相負載不平衡會導致不平衡電壓的出現，不平衡電壓包括三個電壓分量，即正序、負序以及零序。當電動機通入不平衡電壓之後，負序電動勢產生的旋轉磁場就會與正序電動勢相反，從而起到一定的制動的作用，但是因為負序磁場比正序磁場弱，所以電動機在正序磁場進行方向相同的旋轉。但是因為制動現象的存在，就會導致電動機輸出功率降低。

2.5 三相負荷不平衡增加配電線路損耗

電流通過導體產生的功率損耗與線路電流的平方成正比。在三相四線制供電線路中，其功率損耗為：在最大不平衡時，即某相為 3I，另兩相為零，中性線電流為 3I，功率損耗為所以在輸送相同容量的情況下，變壓器電壓三相不平衡會導致線路損耗增加，從而導致不經濟的運行。同時，低壓電網中由於三相負載不對稱和非線性負載產生 3 次諧波電流，可導致零線電流達到相電流 1 倍甚至 3 倍，由於零線導線的截面通常選為相線的一半，這將導致零線嚴重過熱，甚至引發火災，或將零線燒斷而造成電氣設備燒壞事故。

3減少10kV 配電變壓三相負荷不平衡的措施

為了節約資金，降低設備的投資，最好的方法就是對配電變壓器進行調整，從而盡可能的保證配電變壓器三相電壓的平衡。

（1）為了保證變壓器三相負載的平衡，應該要求三組單相接戶線盡可能的從同一電杆上分別引出，並且要求三組單相接戶線的負載盡可能的保持平衡和對稱。所以說，只需要將每一相負荷用電比較均衡的分配到各相中，就可以實現三相負荷的平衡。但是我們必須知道將每一相負荷均衡的分配到三相中不僅僅是從表面上來看每一相接單相負荷總數的 1/3，還需要保證三相上能夠均衡的分配到用電負荷、漏電情況在同一等級的使用者。

（2）在日常運行中，還需要做好定期測量和檢查工作，對三相接戶線的負載進行測量，及早發現三相負載的平衡情況。如果在檢查中發現，變壓器三相負載出現不平衡的現象，那麼必須對其進行及時的調整，使其趨於平衡。

（3）還有一個解決變壓器電壓三相不平衡現象的措施就是對每一相接戶線的總長度進行降低，通常要求低於 100m，每一相用電戶數不應該高於 5 戶，如果超過 5 戶，那麼需要將超過的戶從三相四線制線路上引出，但是如果距離三相四線制線路比較遠，那麼應該重新架設一條三相四線制線路。

（4）在三相四線制線路上都會配備電焊機，因而需要以電焊機的台數為以及，對電焊機所接電源的相別進行規定，並且對其使用的時間進行合理的計畫。

4案例分析

一天，一位老人經過某台柱上配電變壓器時，可能是感覺疲勞，用一隻手扶變壓器的電杆，不想正好摸到變壓器外殼接地線和變壓器中性線的接地線的引下線，隨後便倒在了電線杆上死亡。事故發生後，檢查分析發現，柱上變壓器外殼接地線和中性點的接地線與接地體連接地固定螺栓被人偷去。此時，這個供電系統成為中性點不接地系統，負荷不平衡時，中性線帶電。配電變壓器的外殼接地線和中性點的接地線在人體接觸時，一般不會發生觸電，因為人與接地點處於同一電位，一般不會產生接觸電壓。老人手摸接地線造成觸電，是因為接地線在靠近地面處的接地螺栓丟失，使接地引線和接地體脫離，當老人手碰觸到接地線時，電流通過人體，造成觸電，如圖 1 所示。

5結語

綜上所述，10kV 配電變壓器三相電壓不平衡會對電網產生嚴重的影響，該現象產生的原因主要有結構性因素、功能性因素和故障型因素，必須要做好對現象產生因素的分析，採取合理的措施改善不平衡的現象。具體應該採取哪一種措施更為合理有效，還要根據實際情況，經過技術和經濟比較後確定實施。

來源 | 尹繼明

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