方 杰，張煌輝，王榕模

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

1 引言

在三相交流電力系統(tǒng)中，三相不平衡是指三相電壓（或電流）幅值不同或相位差不是120o，或兼而有之。而不平衡度是指三相的不平衡程度。用電壓、電流的負序基波分量或零序基波分量的均方根值百分比表示[1]。三相不平衡分兩個方面：事故性不平衡和正常性不平衡。作為電能質量傳統(tǒng)指標之一的三相不平衡度限值是針對三相元件或負荷不對稱引起的正常不平衡運行工況而定的。三相電壓或電流不平衡會對電力系統(tǒng)和用戶造成一系列的危害，主要有以下幾個方面[2]：（1）引起旋轉電機的附加發(fā)熱和振動，危及其安全運行和正常出力；（2）引起以負序分量為啟動元件的多種保護裝置發(fā)生誤動作（特別是電網(wǎng)中存在諧波時），會嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行；（3）電壓不平衡使發(fā)電機容量利用率下降，由于不平衡時最大相電流不能超過額定值，在極端情況下，只帶單相負荷時則設備利用率不能超過額定值；（4）變壓器的三相不平衡，不僅使負荷較大的一相繞組過熱導致其壽命縮短，而且還會由于磁路不平衡，造成附加損耗；（5）對于通信系統(tǒng)，電力三相不平衡，會增大對其干擾，影響正常通信的質量。三相不平度測量儀器主要分為如下幾類：（1）負序濾過器型測量儀；（2）調制型負序測量儀；（3）旋轉磁場型負序測量儀；（4）數(shù)字型序分量測量儀。隨著電子技術的應用與發(fā)展，目前市面上流行的三相不平衡度測量儀器主要是數(shù)字型，能夠直接測量出三相的幅值和相位數(shù)據(jù)，給出三相不平衡度的分析值。文中針對此類儀器開展了測量標準裝置的研究。

2 三相不平衡度分析與計算方法

在分析電力系統(tǒng)三相電氣元件和參數(shù)中，廣泛使用對稱分量法。將三相系統(tǒng)中的電量分解成正序分量、負序分量及零序分量。這種方法是將電路不對稱部分化為電壓、電流不對稱的邊界條件，其余的電路視為對稱的線性電路。而任何一組不對稱的三相相量都可以分接成相序各不相同的3組對稱的三相相量，即零序分量正序分量和負序分量根據(jù)GB/T 15543-2008 ，三相不平衡度由測量所得的三相幅值和相位數(shù)據(jù)，依據(jù)式（1）和式（2）計算出，

3 三相不平衡度測量儀測量標準的建立

3.1 測量標準的功能配置

三相不平衡度測量儀的設備配置如圖1所示。計算機作為控制單元完成不平衡度分析值的計算，三相功率源提供三相獨立的幅值和相位信號，三相標準表完成三相幅值和相位的測量。利用三相標準表可以克服三相標準功率源輸出信號不準確和不穩(wěn)定的缺點，進一步提高三相不平衡度測量指標，從三相不平衡度的計算公式可知，要完成測量過程需要通過測量得到三相幅值和三相相位數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳送到計算機交給編制的測量程序進行處理，從而得到三相不平衡度的標準值。不平衡度示值計算流程如圖2所示。

圖1 測量標準硬件配置圖

圖2 三相不平衡度數(shù)值計算流程

3.2 測量標準的技術指標

在所建立的標準中，采用0.05級的三相標準功率源，其三相幅值的穩(wěn)定度為0.01%，相位的穩(wěn)定度為0.01o；三相標準表采用0.01級高精度標準電能表。根據(jù)GB/T 15543-2008和GB/T 12325-2005中規(guī)定，三相電壓不平衡度的誤差限值為±0.2%，三相電流不平衡度的誤差限值為±1%，因此測量標準的總不確定度設計為以下指標較為合適：

（1）三相電壓不平衡度：0.05%。

（2）三相電流不平衡度：0.1%。

4 三相不平衡度測量儀校準方法

開展三相不平衡度測量儀的校準首先需要明確以下幾個問題：

（1）不平衡度的限值

按有關國標規(guī)定，三相電壓不平衡度的限值為

式中：2%和4%，三相電流不平衡度的限值為10%和30%。

（2）三相不平衡度分析值的影響量

三相幅值和三相相位是影響三相不平衡度的六個參量，其中任何一個參量數(shù)值的變化都將引起分析值的改變。此外，幅值和相位在相同誤差下，對分析值測量誤差的影響尺度不一樣。

（3）測量與取值的有關問題

按國標規(guī)定，測量應在電力系統(tǒng)正常方式下運行，不平衡的負荷處于正常、連續(xù)的工作狀態(tài)下進行，這個情況說明了測量標準在合成信號時，將不考慮電網(wǎng)運行故障方式下的信號特征，比如說單相對地短路；另外在取值方面，每個不平衡度測量值的記錄間隔為1min，每次讀數(shù)的時間為3s，且不少于6次的讀數(shù)，由各次讀數(shù)的平均值作為不平衡度的測量值。

（4）信號典型設置

三相不平衡度的信號合成是比較困難的一個過程，國標中雖然規(guī)定了限值，卻沒有給出相應限值下的信號設置指南，造成實際的三相不平衡度測量比較隨機，無法模擬實際的電網(wǎng)運行特征。在考慮開展三相不平衡度測量儀的校準中，考慮了將6個參量可能的變化特征進行抽象，整理出典型信號的設置方法。

4.1 三相不平衡度測量儀校準項目的規(guī)定

在實驗研究的基礎上經(jīng)過歸納與分析，認為與不平衡度測量有關的因素可以分成兩個方面：其一、測量標準的幅值測量誤差和相位測量誤差單獨或組合對不平衡度測量結果的影響；其二、測量標準三相測量誤差的一致性與被檢測量儀三相測量誤差的一致性差異對不平衡度測量結果的影響?；谶@些考慮，擬規(guī)定表1所示的校準項目。

表1 校準項目

容易驗證測量標準的三相幅值誤差與不平衡度的測量誤差無線性關系，所以測量時，應對應不同的量程。另外幅值測量誤差和相位測量誤差對不平衡度分析結果響應尺度不同，并且測量標準和被檢測量儀在二者上的測量準確度更是迥異，因此相位獨立設置也需作為考查儀器性能的一個因素。當有兩相的相位平衡改變時，根據(jù)負序分析法公式可以驗證不平衡度分析結果與一相相位改變相同。基于以上這些分析規(guī)劃了一下五個方面的試驗內容：

（1）一相幅值改變；

（2）一相相位改變；

（3）兩相以上幅值改變；

（4）一相的幅值和同相相位改變；

（5）兩相以上幅值和相位改變。

4.2 三相不平衡度測量儀校準程序

依據(jù)圖1連接好測量線路，K2006的電壓輸入端子與被檢測量儀對應相別并聯(lián)后與三相功率源的電壓回路相連，電流輸入端子與被檢測量儀對應相別串聯(lián)后與三相功率源的電流回路相連。依據(jù)表2和表3規(guī)定的校準點設置開展校準。由于三相功率源不可能準確按設置規(guī)定輸出信號，所以應將K2006測量的幅值和相位數(shù)據(jù)按負序分析法公式計算得到不平衡度分析值作為標準值 ，此時讀取被檢測量儀的不平衡度示值 ，按公式（5）計算不平衡度測量誤差。

表2 三相電壓不平衡度校準點設置

表3 三相電流不平衡度校準點設置

5 三相不平衡度的校準實例及不確定度評估[4][5][6]

5.1 校準實驗

以校準三相電壓不平衡度為例，選取美國電力士PX5-XFAST型三相不平衡度測量儀作為被檢，表4給出了以220V作為額定電壓的三相不平衡度測量結果。每個校準點單獨開展10次測量，取其平均值作為測量結果，并給出了單次實驗標準偏差。

表4 單次實驗標準偏差

5.2 不確定度評估

以三相電壓不平衡度為例，根據(jù)以上的分析可知，測量標準的不確定度主要由6個分量組成，分別為三相幅值測量引入的不確定度和三相相位測量引入的不確定度。式（6）～式(11)給出了各不確定度分量的計算公式。

（1）A相電壓幅值測量引入的不確定度分量

（2）B相電壓幅值測量引入的不確定度分量

（3）C相電壓幅值測量引入的不確定度分量

（4）A相相位測量引入的不確定度分量

（5）B相相位測量引入的不確定度分量

（6）C相相位測量引入的不確定度分量

式（6）～式（11）中的E1、E2分別為：

表5給出了測量標準的不確定度分析結果。

表5 三相電壓不平衡度測量標準不確定度評估

由表4和表5計算得到三相電壓不平衡度測量儀校準結果的合成不確定度和擴展不確定度，計算結果見表6。其中表5給出的數(shù)據(jù)表明，測量標準的不確定度符合0.05%規(guī)定指標要求。

表6 校準結果的合成不確定度和擴展不確定度

6 結束語

通過分析三相不平衡度測量儀測量示值的影響量，并結合兩個國標的相關規(guī)定，搭建了三相不平衡度的測量標準，研究了三相不平衡度測量儀的校準方法，并針對三相電壓不平衡度和三相電流不平衡度的限值，給出了校準點設置參考。最后結合校準實例給出了校準結果的測量不確定度。為國內外同行開展此類儀器的校準提供了參考方法。

[1]全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會.GB/T 15543-2008[S].北京：中國標準出版社，2009.

[2]孫樹勤,林海雪.擾擾性負荷的供電.北京:中國電力出版社,1996,12.27-29.

[3]程浩忠,艾芊,張志剛,朱子述.電能質量.北京:清華大學出版社,2006.12-26.

[4]許遐，蔡維.數(shù)字化三相不平衡度儀表及其不確定度[J].華北電力技術.2004(2):21-24.

[5]韓志強.三相不平衡度測量儀校準方法的研究.上海計量測試.2010(1):9-11.

[6]許遐.數(shù)字化三相不平衡度儀表校驗臺的設計[J].電測與儀表.2003(5):11-14.