什么是三相不平衡？
三相不平衡（Three-Phase Imbalance）是指在三相电力系统中，各相电压或电流的幅值不相等，或者相与相之间的相位差不等于理想的120°电角度。在理想状态下，一个健康的三相系统应该具备三个相电压（或电流）幅值完全相等，并且它们在时间上相互滞后（或超前）120°。当这种平衡状态被打破时，就出现了三相不平衡。
三相不平衡主要体现在两个方面：
- 电压不平衡 (Voltage Imbalance)： 指三相电压的幅值不相等，或者它们之间的相位角偏离120°。这通常是电网本身问题或严重电流不平衡在系统阻抗上产生的压降不平衡造成的。
- 电流不平衡 (Current Imbalance)： 指流经三相导体的电流幅值不相等，或者相位角偏离120°。这通常是由于连接在三相系统上的单相负载分配不均，或者三相负载本身不对称引起的。电流不平衡是导致电压不平衡的常见原因。
为什么会发生三相不平衡？
三相不平衡的发生不是单一原因造成的，而是多种因素综合作用的结果。理解这些原因对于诊断和解决问题至关重要。常见的原因包括：
供电侧原因：
- 变压器问题：
- 变压器分接头调整不当或损坏。
- 变压器内部故障，如绕组绝缘老化或部分短路。
- 三相变压器的制造缺陷。
- 输配电线路问题：
- 架空线路上单相接地故障或断线（即便只是暂态故障）。
- 线路阻抗不对称，如不同相导线型号、长度、敷设方式差异。
- 电网结构不合理，远端馈线容易出现电压不平衡。
- 公共连接点 (PCC) 问题： 如果上游电网已经存在不平衡，会直接向下游传递。
负荷侧原因：
- 单相负荷分布不均： 这是最普遍的原因。在住宅、商业建筑或混合负载工业场所，大量单相设备（照明、电脑、小家电、空调等）连接在三相系统的不同相上。如果这些单相负载的总功率在三相之间差异较大，就会导致电流不平衡。
- 三相负荷本身不对称：
- 某些特殊设备，如单相电弧炉、单相牵引负荷等，本质上就是单相大功率负荷，直接连接到三相系统会造成不平衡。
- 三相设备（如电机、变压器）内部故障，导致其三相阻抗不一致。
- 无功补偿设备不对称：
- 投切的电容器组或电抗器组在三相之间容量不一致或投切不同步。
- 部分电容器或电抗器损坏。
其他原因：
- 接线错误： 错误的电路连接可能导致部分相负载过重或轻载。
- 保护装置误动作： 某些保护装置的单相跳闸可能导致短暂或持续的不平衡。
简单来说，任何导致三相电路阻抗或连接负荷不对称的因素，都可能引发三相不平衡。
在哪里会遇到三相不平衡？
三相不平衡几乎可以在所有采用三相电力系统的场所遇到，尤其是在以下几种典型的应用场景：
- 低压配电系统： 这是最常见出现严重不平衡的地方，尤其是在商业建筑、办公楼、住宅小区等以大量单相负载为主的区域。配电柜、楼层配电箱、用户终端都可能存在不同程度的不平衡。
- 中压配电网络： 连接有大量单相用户或不对称大负荷（如电弧炉、铁路牵引站）的馈线可能存在中压不平衡，并将这种不平衡传递到下游的低压变电站。
- 工业场所： 虽然许多工业负载是三相电机，但现代工业中也大量使用单相或不对称的三相设备，如焊接机、感应加热设备、整流器驱动的负载以及分布不均的照明和动力插座，这些都可能导致车间或产线内部出现不平衡。
- 农村电网： 农村地区用户分布分散，单相用电比例高，且电网结构可能较弱，更容易出现电压和电流不平衡问题，尤其是在末端用户处。
- 数据中心和大型商业建筑： 尽管对电源质量要求高，但大量的服务器电源（整流器）和照明、空调等单相辅助设备仍然可能导致局部的三相电流不平衡，进而影响电压质量。
- 新能源并网点： 某些类型的分布式电源（如单相光伏逆变器、风力发电机通过变流器连接）如果接入方式或控制策略不当，也可能对接入点的三相平衡产生影响。
可以说，只要系统中存在单相或不对称的负荷连接，或者供电系统本身存在非对称性，三相不平衡就可能发生。不平衡程度则取决于负荷的分布、系统阻抗以及供电质量。
三相不平衡多少是可接受的？
三相不平衡的“可接受”程度并没有一个绝对统一的硬性标准，它取决于多个因素，包括电网等级、所连接设备的类型及其敏感性、以及不同国家或组织的规范要求。然而，有一些国际和国家标准提供了指导性的限制值。
电压不平衡率的限制：
电压不平衡率通常使用负序电压分量与正序电压分量的比值来衡量，乘以100%表示百分比。
电压不平衡率 (%) = (|负序电压分量|) / (|正序电压分量|) × 100%
一些常用的标准或建议限值：
- IEEE Standard 1459 (电力系统测量定义)： 定义了各种不平衡的计算方法。
- IEC (国际电工委员会) 标准： 通常建议公共电网连接点的电压不平衡率不超过 2%。
- 国家标准/行业规范： 不同国家或行业可能有自己的规定，但很多都参考IEC或类似标准，将长期允许的电压不平衡率限制在 2% 或更低（如1.5%），而短期允许的可能放宽到 3% 或更高。
- 设备制造商建议： 许多敏感设备（特别是大型电机、变压器）的制造商会在其技术规格中说明设备能承受的最大电压不平衡率，通常为 1% 至 2%。超过这个值可能会导致性能下降和寿命缩短。
对于电流不平衡率，通常没有公共电网连接点的严格限制，因为它更多地取决于负荷特性。电流不平衡率的计算方法类似：
电流不平衡率 (%) = (|负序电流分量|) / (|正序电流分量|) × 100%
电流不平衡率往往远高于电压不平衡率，特别是在以单相负载为主的系统中。电流不平衡本身不是问题，但它在系统阻抗上产生的压降会导致电压不平衡。因此，通常关注的是由电流不平衡引起的电压不平衡是否超标，以及过大的电流不平衡对设备（特别是电机）产生的直接影响。
总结： 对于连接到公共电网的点，通常要求电压不平衡率长期不超过 2%。在工业和商业建筑内部，应尽量将电压不平衡率控制在 2% 以下，特别是对于连接有大量电机、变压器或敏感电子设备的馈线。电流不平衡率本身没有统一的外部限制，但其大小直接关系到零线电流的大小和对设备的潜在危害，应作为负荷分配是否合理的衡量指标。
如何检测和测量三相不平衡？
准确地检测和测量三相不平衡是诊断问题和评估影响的前提。这通常需要专业的测量设备和正确的计算方法。
测量工具：
- 万用表/电压表和电流表： 这是最基础的工具。可以分别测量三相电压（线电压或相电压）和三相电流的幅值。通过对比这三个数值的差异，可以初步判断是否存在不平衡，并计算出简单的偏差率。然而，这种方法无法测量相位角，也无法直接得到用于计算负序/正序分量的精确数据，难以计算出标准定义下的不平衡率。
- 钳形电流表： 可以方便地测量各相导线的电流，有些高级型号也能测量电压和谐波。测量零线电流也是判断电流不平衡程度的重要手段。
- 电能质量分析仪/三相功率分析仪： 这是最专业和全面的工具。这些设备可以直接测量并显示三相电压和电流的幅值、相位角、频率、谐波、功率、功率因数，并自动计算出电压不平衡率和电流不平衡率（基于对称分量法），同时记录数据供后续分析。
- SCADA系统/能量管理系统： 在大型工业或电力系统中，这些监控系统可以实时采集各馈线或重要节点的电压和电流数据，并在后端软件中进行计算和分析，持续监测三相不平衡状态。
测量位置：
测量点通常选择在以下位置：
- 变压器低压侧： 监测变压器输出端的整体电压不平衡情况。
- 主要配电柜（如总开关处）： 评估整个系统的电流不平衡以及由其导致的电压不平衡。
- 重要馈线的起始端： 了解特定区域或车间的电源质量。
- 连接有敏感设备或大量单相负载的支路： 精确诊断局部不平衡问题。
- 大型电机或其他重要设备的端子处： 评估直接作用于设备上的电压不平衡程度。
计算方法：
常用的三相不平衡率计算方法主要基于对称分量法。任意一组不平衡的三相向量（如Va, Vb, Vc）可以分解为三组对称的向量：正序分量 (V1a, V1b, V1c)、负序分量 (V2a, V2b, V2c) 和零序分量 (V0a, V0b, V0c)。
- 正序分量： 幅值相等，相位相差120°，相序与电源正常相序（如A-B-C）相同。它们是产生有用功率的主要分量。
- 负序分量： 幅值相等，相位相差120°，但相序与电源相序相反（如A-C-B）。它们会产生反向旋转磁场，对旋转电机危害最大。
- 零序分量： 幅值相等，相位相同（同相）。零序分量只存在于非接地或中线断开的系统中（电压零序），或存在零线且有不平衡电流的系统中（电流零序，零线电流是三相零序电流之和的√3倍，或者更简单理解为零序电流幅值的3倍，如果使用A, B, C相电流计算的话）。
如前所述，电压不平衡率通常定义为负序电压分量幅值与正序电压分量幅值的比值。电流不平衡率也类似。使用电能质量分析仪等设备可以自动完成对称分量的计算。
简易判断方法（适用于电流，初步评估）：
对于电流不平衡，一种简单的、非标准但实用的判断方法是计算最大相电流与三相平均电流的偏差百分比：
电流偏差率 (%) = (|最大相电流 – 平均相电流|) / 平均相电流 × 100%
或
电流偏差率 (%) = (|各相电流与平均电流最大偏差|) / 平均相电流 × 100%
以及测量零线电流。在一个平衡的三相四线制系统中，如果没有谐波，零线电流理论上应该为零。显著的零线电流（特别是接近甚至超过相电流的数值）强烈表明存在严重的三相电流不平衡和/或大量奇次谐波（主要是三次谐波及其倍数）。这种简易方法虽然不能替代对称分量法，但可以快速提供现场电流不平衡的直观感受。
如何解决和减轻三相不平衡？
解决三相不平衡问题通常需要针对其成因采取措施。不同的原因需要不同的处理方法。
1. 重新分配单相负荷（针对负荷侧原因）：
这是最常见也是最有效的解决低压配电系统电流不平衡的方法。
- 通过测量各相电流，找出电流偏大和偏小的相。
- 调整连接在不同相上的单相负载（特别是大功率负载，如单相空调、热水器、照明回路等），将部分负载从重载相转移到轻载相。
- 在新增负载时，应提前规划，尽量将单相负载在三相之间均匀分配。
- 对于新建或改造项目，设计阶段就应考虑负载的均匀分配。
2. 检查和修正线路及设备故障：
- 检查接线： 确认配电柜、开关、插座等的接线是否正确，有无松动或错误连接。
- 查找设备故障： 检查是否有三相设备（如电机、变压器、电容器组）发生单相故障或内部不对称故障。损坏的设备应及时维修或更换。
- 检查变压器分接头： 确认变压器分接头设置是否一致，必要时进行调整。
- 检查线路阻抗： 对于架空线或电缆，检查是否存在断股、接触不良、绝缘老化导致接地等问题。确保三相导线的型号、长度和敷设方式尽可能一致，以减小阻抗不对称。
3. 使用补偿或平衡装置：
在无法通过重新分配负载彻底解决问题时，可以考虑使用专门的装置来补偿不平衡。
- 三相平衡装置：
- 静止无功发生器 (SVG) 或静止同步补偿器 (STATCOM)： 这类基于电力电子技术的装置响应速度快，不仅可以补偿无功功率，还可以通过产生与不平衡电流大小相等、相位相差180°的电流来抵消系统的负序和零序电流分量，从而实现电流和电压的双重平衡。
- 有源电力滤波器 (APF)： 部分型号的高级APF除了滤除谐波外，也具备补偿三相不平衡的功能。
- 专用三相平衡器： 市面上有一些针对三相不平衡设计的平衡器，它们通过内部电路调整各相阻抗或注入补偿电流来实现平衡，但通常适用于特定场景。
- 平衡变压器： 特殊设计的变压器，如Z型绕组变压器，可以吸收零序电流，有助于缓解零线电流过大的问题（虽然不直接平衡相电流）。
- 合理投切无功补偿电容器组： 确保投切的电容器组容量对称，并检查电容器本身是否损坏。不对称的无功补偿反而会加剧不平衡。
4. 与供电公司沟通（针对供电侧原因）：
如果测量结果显示问题源于上游电网（例如公共连接点的电压不平衡率超标），应及时向供电公司反映情况，请求他们进行检查和调整。用户侧能做的有限，但了解问题来源很重要。
解决三相不平衡是一个系统性的过程，通常需要：
- 进行详细的测量和分析，确定不平衡的类型、程度和主要原因。
- 优先采取治本的方法，如重新分配负载和修复故障。
- 对于复杂或严重的系统，考虑使用技术补偿装置。
- 持续监测，确保改进措施有效且不平衡得到控制。
三相不平衡的危害是什么？
三相不平衡并非小问题，它会对电力系统中的设备运行、电能质量、能源效率以及运行安全带来多方面的负面影响。
1. 对旋转电机（电动机、发电机）的影响：
这是三相不平衡最严重的危害之一。
- 发热加剧与绝缘老化： 电压或电流不平衡会导致电机内部产生负序电流。负序电流产生的磁场旋转方向与电机正常旋转方向相反，这会在转子中产生两倍工频的感应电动势和电流。这些电流在转子和定子绕组中引起额外的铜损（I²R损耗），导致电机温度急剧升高。每增加1%的电压不平衡率，电机温升可能增加约6%至10%。过高的温度会加速绕组绝缘的老化，显著缩短电机寿命。
- 效率下降： 不平衡电流增加了损耗，降低了电机的运行效率。
- 扭矩脉动与振动： 负序磁场产生的反向扭矩与正序磁场产生的正向扭矩相互作用，导致电机输出扭矩出现两倍工频的脉动，引起振动和噪声，长期下去可能损伤轴承和机械结构。
- 输出能力下降： 为了避免过热，电机在不平衡电压下运行通常需要降低其额定输出功率（即需要降容运行）。
- 保护装置误动作： 电流不平衡可能导致某相电流过大，触发过流保护。
2. 对变压器的影响：
- 发热加剧： 不平衡负载电流导致绕组各相电流不等，铜损增加，特别是存在零序电流时（如在Dyn11接法的变压器中），会在绕组和结构件中产生额外的损耗和局部过热，尤其会影响绕组的寿命。
- 效率下降： 损耗增加直接导致变压器效率降低。
- 容量下降： 为限制温升，变压器在不平衡负载下需要降容运行。
3. 对供电线路和电缆的影响：
- 导体过热： 电流不平衡可能导致某一相或两相电流远高于平均值，如果超过导体的额定载流量，会导致导体过热，加速绝缘老化，增加火灾风险。
- 零线电流过大： 在三相四线制系统中，电流不平衡会产生零序电流，导致零线带电并流过较大的电流。如果零线截面积不足或接触不良，会严重发热甚至烧毁，非常危险。正常的零线设计是基于平衡状态下零线电流很小。
- 线路损耗增加： 不平衡电流增加了线路上的损耗（包括零线损耗），浪费电能。
4. 对其他设备的影响：
- 电力电子设备： 整流器、逆变器等电力电子设备的控制电路可能受到不平衡电压的影响，导致控制失灵或性能下降。不平衡电流也可能影响其内部元件的寿命。
- 功率因数补偿设备： 电容器组在不平衡电压下可能承受过高的电压或电流，导致过热或损坏。
- 测量和保护设备： 基于对称分量的测量和保护装置可能因为电压/电流的不平衡而受到影响，甚至误动作。
- 照明设备： 特别是传统的放电灯，电压不平衡可能导致其亮度波动或寿命缩短。
5. 对电网整体的影响：
- 电能质量下降： 电压不平衡是电能质量的一个重要指标，它影响着连接到电网上的所有设备。
- 电网损耗增加： 系统性的不平衡增加了整个电网的输配电损耗。
综上所述，三相不平衡的危害是多方面的，小到设备效率下降、寿命缩短，大到引发火灾、损坏昂贵设备，对电力系统的经济性和安全性都有显著影响。因此，监测和控制三相不平衡是电力系统运行管理中的重要环节。