10kV配电变压器三相电压不平衡的危害及防治措施

10kV配电变压器三相电压不平衡产生的原因分析：农村电网10kV配电变压器大多为D，yn11接线方式，可灵活实现单相和三相供电。但三相电压不平衡长时间运行，容易造成配电变压器中性线断线，中性线断线后，会影响大部分农村用电设备的正常用电。良好的三相电压除了振幅、频率、谐波成分都符合标准之外，三相电压的对称性也是重要的指标之一。理想的三相电压是三相电压的大小相等，任两相之间的相位相差120°，如果三相电压偏离了这两个条件，我们就称为三相电压不平衡。县级供电企业不论在发电、输电或配电的阶段，均致力于维持三相电压的平衡，一般来说，造成三相电压不平衡的原因可分为结构性、功能性和故障性三种。
　　1.结构性因素
　　结构性因素（structural cause）是指配电线路阻抗的非对称。如果三相配电线路中的电流为平衡，但是三相线路的阻抗却不相等，那么所产生的压降也不相等，致使受电端的三相电压产生不平衡。变压器的连接方式有时也是造成阻抗不平衡的原因。另一个由变压器所引起的电压不平衡为三相变压器的激磁电流。铁式三相变压器（three-phase core-type transformer）的铁芯为三个（three limbs）的磁路，由于各个磁路之长度不完全相同，铁芯的磁阻就不相等，致使各相之磁化电抗也不相等，因此三相激磁电流就不平衡。如果变压器的Y接端中性点未接地，变压器的相电压就会出现轻微的不平衡。
　　2.功能性因素
　　功能性因素（functional cause）是指三相传输的有效及无效功率不平衡，简单地说，就是负载的不平衡。供电所在分配单相负载时，虽然尽可能的将负载均匀的分配在各相上，但是即使负载的分配是三相完全相等，也不能保证所有的单相 负载都在同一时间消耗相等的功率。在工业用电方面，大型的单相设备，如单相感应电动机、电焊机、电弧炉等，是造成电压不平衡的重要原因。
　　3.故障性因素
　　故障性因素是指由电力系統元件故障所导致的电压不平衡。引起电压不平衡最常见的故障是三相功率不平衡造成电容器熔丝熔断，使某一相线路无法补偿而电压降低，有补偿的相电压较高。单相设备过载、短路、接地故障等，也会引起严重的电压不平衡。
　　一、10kV配电变压器三相电压不平衡的危害
　　1.增加配电网损耗
　　10kV配电变压器电压三相负载不平衡会导致变压器出现损耗增加的现象。在正常运行的情况下变压器的电压是保持不变的，但是如果出现电压三相不平衡的现象，电压负载损耗就会随着变压器电压负载的变化也产生着变化，并且会与负载电流的平方成正比。如果变压器输出的容量是相等的，那么电压三相负载不平衡的现象就会导致变压器有功损耗出现增加的情况。
　　2.降低变压器出力
　　在原先的设计中，变压器绕组是以三相对称和平衡的情况进行运行的，并且三相绕组的结构性能是相同的，变压器最大允许出力受到每一相额定容量的影响。如果出现三相电压负载不平衡的现象，那么其中负载比较轻的那一相就会出现富余容量，导致变压器出力下降的现象，随之变压器备用容量就会降低，与此同时过载能力也随之下降。
　　3.导致三相电压不平衡
　　上文中已经说到变压器绕组是以三相对称和平衡的情况进行运行的，在电压三相负载平衡的情况下，三相电流是相同的，因而变压器内部电压降低量也是相等的，所以变压器输出的电压也是平衡的。但是如果电压三相负载出现不平衡的现象，那么三相的电流就会不同，那么变压器内部电压降低量也就会不相等，所最终导致变压器输出的电压也是不平衡的。如果电压三相负载出现非常不平衡的现象，那么就会出现很大的中性线电流，因为中性线的抗阻压降比较大，所以会导致中性点出现位移现象，最终导致电压三相出现变化，从而导致电能质量受到影响，电压三相负载就无法进行正常运行。
　　4.导致电动机效率下降
　　10kV配电变压器电压三相负载不平衡会导致不平衡电压的出现，不平衡电压包括三个电压分量，即正序、负序以及零序。当电动机通入不平衡电压之后，负序电动势产生的旋转磁场就会与正序电动势相反，从而起到一定的制动的作用，但是因为负序磁场比正序磁场弱，所以电动机在正序磁场进行方向相同的旋转。但是因为制动现象的存在，就会导致电动机输出功率降低。
　　5.三相负荷不平衡增加配电线路损耗
　　电流通过导体产生的功率损耗与线路电流的平方成正比。在三相四线制供电线路中，其功率损耗为：即Ia=Ib=Ic=I时，Qa Qb Qc=3I2R；在最大不平衡时，中性线电流为3I，功率损耗为Ia=3I，Ib=Ic=0时，Qa=（3I）2R=9I2R=3（3I2R）；所以在输送相同容量的情况下，变压器电压三相不平衡会导致线路损耗增加，从而导致不经济的运行。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），甚至烧毁配电变压器低压绕组。同时，低压电网中由于三相负载不对称和非线性负载产生3次谐波电流，可导致零线电流达到相电流1倍甚至3倍，由于零线导线的截面通常选为相线的一半，这将导致零线严重过热，甚至引发火灾，或将零线烧断而造成农村电气设备烧坏事故。
　　二、减少10kV配电变压三相负荷不平衡的措施
　　为了节约资金，降低设备的投资，最好的方法就是对配电变压器进行调整，从而尽可能的保证配电变压器三相电压的平衡。
　　（1）为了保证变压器三相负载的平衡，应该要求三组单相接户线尽可能的从同一电杆上分别引出，并且要求三组单相接户线的负载尽可能的保持平衡和对称。所以说，只需要将每一相负荷用电比较均衡的分配到各相中，就可以实现三相负荷的平衡。但是我们必须知道将每一相负荷均衡的分配到三相中不仅仅是从表面上来看每一相接单相负荷总数的1/3，还需要保证三相电能够均衡的分配到用电负荷、漏电情况在同一等级的用户。
　　（2）在日常运行中，还需要做好定期测量和检查工作，对三相用电户的负载进行测量，及早发现三相负载的平衡情况。如果在检查中发现，变压器三相负载出现不平衡的现象，那么必须对其进行及时的调整，使其趋于平衡。
　　（3）在农村电网升级与改造中，农村配电变压器应按照“小容量、密布点、短半径”的原则建设与改造。变压器应靠近负荷中心布置，针对负荷较大和居民用户不集中的村组，可设两个及以上的配电变压器台区供电。配电变压器应选用S11型及以上的配电变压器或非晶合金铁芯配电变压器，对于负荷波动较大的地区，技术经济比较落后可采用有载调容变压器。配电变压器的低压配电装置应安装智能配电变压器终端（TTU），可使配电台区具有状态参数监测、无功补偿本地或远程控制投切、剩余电流保护监测管理、三相电压（电流）不平衡监测、电量抄录、远程通信、配电变压器防盗等功能智能配电变压器台区。
　　（4）还有一个解决变压器电压三相不平衡现象的措施就是对每一相接户线的总长度进行降低，通常要求低于100m，每一相用电户数不应该高于5户，如果超过5户，那么需要将 超过的户从三相四线制线路上引出，但是如果距离三相四线 制线路比较远，那么应该重新架设一条三相四线制线路。
　　（5）在三相四线制线路上都会配备电焊机，因而需要以电焊机的台数为以及，对电焊机所接电源的相别进行规定，并且 对其使用的时间进行合理的计划。
　　三、案例分析
　　某供电所配电台区，某一天，一位农村老人经过该台柱上配电变压器时，可能是感觉疲劳，用一只手扶变压器的电杆，不想正好摸到变压器外壳接地线和变压器中性线的接地线的引下线，随后便倒在了电线杆上死亡。事故发生后，供电企业技术人员检查分析发现，柱上变压器外壳接地线和中性点的接地线与接地体连接地固定螺栓被人偷去。此时，这个配变供电系统成为中性点不接地系统，负荷不平衡时，中性线带电。配电变压器的外壳接地线和中性点的接地线在人体接触时，一般不会发生触电，因为人与接地点处于同一电位，一般不会产生接触电压。老人手摸接地线造成触电，是因为接地线在靠近地面处的接地螺栓丢失，使接地引线和接地 体脱离，当老人手碰触到接地线时，电流通过人体，造成触电。
　　综上所述，10kV配电变压器三相电压不平衡会对农村电网产生严重的影响，该现象产生的原因主要有结构性因素、功能性因素和故障型因素，必须要做好对现象产生因素的分析，采取合理的措施改善不平衡的现象。具体应该采取哪一种措施更为合理有效，还要根据实际情况，经过技术和经济比较后确定实施。