浅析变压器不平衡运行的危害

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摘要：通过分析和计算实例，论述变压器不平衡运行所造成的种种危害，提出变压器在运行过程中应及时调整负荷，尽量做到三相平衡，以达到节约能源和安全运行的目的。

关键词：变压器；不平衡运行；损耗

在供配电系统中，配电变压器数量甚多，在运行中往往存在三相不平衡的状况，特别是当变压器带有单相大容量用电设备时，不平衡程度更为严重。在牡丹江热电厂电气设备运行规程中明确规定：低压厂用变压器中性点电流的允许值分别为变压器额定电流的25%。严重的三相电流不平衡运行是极不经济和安全的。本文试图通过分析和计算实例来论述配电变压器不平衡运行所造成的种种后果，以引起广大电气工作者的注意。

1 增加配电损耗

变压器的功率损耗包括空载损耗和负载损耗。运行中，变压器的空载损耗随电压变化较小，可认为空载损耗基本不变。而负载损耗值则随着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。为简化分析，当变压器三相负载不平衡时，把变压器的总损耗可看成是三台单相变压器的损耗之和。变压器在一定负载下的功率损耗为：

ΔP=ΔP0+ΔPD*（βA2+βB2+βC2）/3

=ΔP0+ΔPD*[（IA/IE）2+（IB/IE）2+（IC/IE）2］/3

式中：

ΔP――变压器总损耗

ΔP0――变压器额定空载损耗

ΔPD――变压器额定短路损耗

βA、βB、βC ――变压器各相负载率

IA、IB、IC――变压器各相负载电流

IE――变压器的额定电流

举例说明：以牡丹江热电厂#1低压厂用变压器为例，其型号为S7―1000/6-0.4，其ΔP0=1.62KW，ΔPD=13KW，当运行在IA=1200A，IB=700A，IC=750A和IA=IB= IC=883.3A两种状态时，如输出容量相同，试计算其相应的有功损耗。

1.1 三相不平衡时的功率损耗

ΔP1=ΔP0+ΔPD*（βA2+βB2+βC2）/3

=ΔP0+ΔPD*[（IA/IE）2+（IB/IE）2+（IC/IE）2］/3

=1.62+13*[（1200/1443）2+（700/1443）2+（750/1443）2］

=6.82（KW）

1.2 三相平衡时的功率损耗

ΔP2=ΔP0+ΔPDβ2

=1.62+13*（883.3/1443）2

=1.62+13*0.3721

=6.457（KW）

1.3 损耗差

ΔP1-ΔP2=6.82-6.457=0.363（KW）

由计算可见，变压器在输出相同容量时，三相不平衡时的电能损耗要比平衡时大。

2 降低变压器出力

对三相配电变压器而言，其输出容量为每相输出容量之和，即：

S=SA+SB+SC

由于三相变压器绕组结构是按对称运行情况下设计的，其每相绕组的电气特性参数相同。当三相不平衡时，其允许最大出力只能按三相负载中最大一相不超过额定容量为限。

如牡丹江热电厂热站变压器是一台型号为S7―1000/6-0.4的配电变压器，当低压侧的负载电流为IA=1443A，IB=IC=900A，该变压器的最大输出容量为：

S=SA+SB+SC

=UAIA+UBIB+UCIC

=1443*（0.4/√3）+900*（0.4/√3）+900*（0.4/√3）

=749（KVA）

S/SE=749/1000*100%=74.9%

可见，对三相不平衡运行的变压器而言，由于其最大一相负载受到额定容量的限制，使其最大输出容量将大大降低，也就是说，降低了变压器的出力，同时，过载能力亦降低。

3 三相输出电压不平衡

变压器是按三相对称负荷运行设计和制造的，故其每相绕组的电阻、漏抗、激磁阻抗基本相同，当三相负荷对称时，每相电流大小相同，在变压器内部的压降也相同，所以其输出电压也相同。

当变压器三相负载不平衡时，变压器各相电流就不一样，在变压器内部的每相电压就不相等，负荷电流大的一相电压就大，负荷电流小的一相电压就小，从而形成电压的不对称分量，造成三相输出电压不对称，如以Y/Y0-12接线的变压器三相负荷不一样引起的不对称运行为例加以说明：

由于负荷不对称，在变压器中性线中有电流流过。用对称分量的方法进行分析，变压器绕组中，有正序分量、负序分量和零序分量。由于正序、负序分量各相间相位均差1200，在一、二次绕组中都能流通。而三相零序电流分量因其相位相同，只能在中性线中流通。如下图（a）所示。

Y0侧中性线上要通过3I0。零序电流在铁芯中产生零序磁通Φ0，Φ0在一、二次绕组中感应零序电势。这个零序电势-E0叠加在三相电压Ua1、Ub1和Uc1上，使三相电压变得不对称，中性线发生了严重位移。如上图（b）所示。当负荷愈不对称，中性线中流过的电流就愈大，这将引起中性线过热甚至烧断，造成事故的发生。同时，由于变压器中性点发生移动，造成其他两相的相电压升高，超过电气设备的允许值，使电气设备受到损坏。因此，我厂电气设备运行规程中明确规定：低压厂用变压器中性线电流的允许值分别为变压器额定电流的25%。在三相对称运行时，中性线中的电流为零；当中性线中有电流通过，即标志着三相负载存在不对称，中性线中的电流越大，则标志着越不对称。

4 增加输电线路损耗

电流通过导体产生的功率损耗与线路中电流的平方成正比。当输电线路为三相四线制时，其有功功率损耗为：

ΔP=IA2RA+ IB2RB+ IC2RC

式中：

IA、IB、IC――输电线路各相电流

I0――中性线电流

RA、RB、RC――输电线路各相电阻

R0――中性线电阻

当三相负载平衡时，IA=IB=IC=I，且I0=0，线路损耗为：

ΔP=3I2R

式中：I――输电线路电流

R――输电线路电阻

例如：有一三相四线制380V输电线路，输送容量为50KVA，所用导线为LJ-3*35+LJ-25，输送距离为500m，若三相不平衡时的各相电流为IA=100A，IB=IC=64A，I0=30A，试计算线路功率损耗；并计算三相平衡时，输送相同容量时的功率损耗。

4.1 三相负载不平衡时

查表得导线LJ-3*35的电阻率ρ=0.64Ω/km

查表得导线LJ-25的电阻率ρ=1.28Ω/km

ΔP1= IA2RA+ IB2RB+ IC2RC+ I02R0

= IA2ρL+ IB2ρL + IC2ρL + I02ρ0L

=1002*0.64*0.5+642*0.64*0.5+302*1.28*0.5

=6.398（KW）

4.2 三相负载平衡时

当输送相同容量功率时，其电流为：

I=S/√（3）U=50*10/（1.732*380）=76（A）

ΔP2=3I2R

=3*762*0.64*0.5=5.545（KW）

两者的损耗差为ΔP1-ΔP2=6.398-5.545=

0.853（KW），可见在输送相同容量的功率时，三相不平衡时的损耗要比三相平衡时大，这是不经济的。

5 降低电动机的效率

由于变压器负载不平衡引起电压不对称，此时存在正序、负序、零序三个电压分量，当电动机投入运行后，负序电势就产生与正序电势相反的旋转电势，此电势起到制动的作用，由于正序电势磁场比负序电势磁场大，电动机仍与正序磁场旋转方向一致，但由于负序磁场的制动作用，使电动机输出功率减少。如果电动机的中性线接零，还将有零序电流通过，这个零序电流在绕组上消耗电能而使电动机温升增高。另外，这个零序电流还产生一个脉振磁场而消耗一定的无功功率。

所以，变压器不平衡运行将会使电动机的效率降低，增加电动机的温升和无功功率的消耗。

6 结束语

6.1 变压器在三相负载不平衡状态下运行时，会给供配电系统的正常运行带来一定的危害，如配电变压器与输电线路的损耗增加，三相输出电压不平衡，变压器出力及电动机效率降低等。当出现三相严重不平衡时，还会危及用电设备的安全。

6.2 有关规程规定，按Y/Y0-12接线的变压器中性线电流不得超过低压侧额定电流的25%。因此，在运行中要经常监测变压器的三相负载，必要时应及时进行调整。