陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司 楊桂磊

關(guān)于電力系統(tǒng)三相不平衡問(wèn)題的研究

陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司 楊桂磊

本文主要根據(jù)現(xiàn)有電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電力系統(tǒng)使用中，三相不平衡的基本概念和計(jì)算方法、三相不平衡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、三相不平衡現(xiàn)象的危害以及現(xiàn)有治理三相不平衡的方法進(jìn)行了研究與總結(jié)，并對(duì)我國(guó)現(xiàn)有電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出了改進(jìn)點(diǎn)。

三相不平衡；電能質(zhì)量；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

1 電力系統(tǒng)三相不平衡基本概念以及計(jì)算式

1.1 基本概念

根據(jù)電力系統(tǒng)理論定義，電力系統(tǒng)可以分為單相電力系統(tǒng)和多相電力系統(tǒng)兩大類。在多相電力系統(tǒng)中，又可以分為對(duì)稱電力系統(tǒng)與非對(duì)稱電力系統(tǒng)；其中，對(duì)于m相系統(tǒng)，各相電量（電流、電壓與電動(dòng)勢(shì)等）均相等，且相位相差2π/m被稱為對(duì)稱系統(tǒng)。而多相電力系統(tǒng)系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷情況，又可以被分為運(yùn)行于平衡狀態(tài)或不平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)下的電力系統(tǒng)電量瞬時(shí)值是時(shí)不變的，而非平衡狀態(tài)下的電力系統(tǒng)電量瞬時(shí)值隨時(shí)間而改變。對(duì)稱電力系統(tǒng)一定運(yùn)行于平衡狀態(tài)下，但是不對(duì)稱電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可以是平衡的，也可以是不平衡的。本文所研究的電力系統(tǒng)不平衡現(xiàn)象是針對(duì)三相電力系統(tǒng)的，而三相系統(tǒng)中，不對(duì)稱電力系統(tǒng)一般運(yùn)行于不平衡狀態(tài)下，因此對(duì)于“不平衡”與“不對(duì)稱”沒(méi)有作嚴(yán)格區(qū)分。

1.2 三相不平衡度算式

負(fù)序分量含有率或者正序分量含有率（即百分比）通常被用來(lái)表示三相電量的不平衡度。

當(dāng)電壓或者電流產(chǎn)生不平衡時(shí)，如果對(duì)其進(jìn)行分析，則需要將其分解為三相對(duì)稱的向量，即零序、正序、和負(fù)序，其算式如下：

式(1-1)可以表示為向量圖，利用圖解法就可以算出各個(gè)分量。而實(shí)際工作中，使用更為頻繁的是正三角形作圖法，如圖1-1所示。

假定K,L,M為三相線電壓，與三相相電壓A,B,C一一對(duì)應(yīng)。

若將式（1-2）帶入式(1-1)，可得：

由上分析可以看出，為了得到量3A1和3A2，只需要在圖中作輔助三角形，以BC為邊，作兩個(gè)等邊三角形PBC和QCB，見(jiàn)圖1。其中：

圖1 不平衡電壓的位形圖

三相電壓不平衡度的準(zhǔn)確算式為：

同理，三相電流不平衡度也可用相應(yīng)的公式計(jì)算。

當(dāng)三相電量中不含有零序分量時(shí)，還有簡(jiǎn)化算法，本文不作分析，見(jiàn)式(1-7)：

在工程應(yīng)用時(shí)，對(duì)某公共連接點(diǎn)（PCC）造成的不平衡度進(jìn)行估算時(shí)，常用下列公式：

式中，I2為負(fù)荷電流的負(fù)序分量，U為線電壓，SK為PCC短路容量。對(duì)于接于相間的單相負(fù)荷時(shí)，其所引起的不平衡度由式(1-8)計(jì)算。其中SL（MVA）為單相負(fù)荷。

2 三相不平衡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析

我國(guó)在電能質(zhì)量問(wèn)題上也作了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，由國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布七個(gè)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為規(guī)定，其中《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》(GB/T 15543-2008)是其中之一。下面將以此為著重點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容和適用范圍

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三相電壓參數(shù)的測(cè)量、取值以及計(jì)算方法，以及三相電壓不平衡的允許度值。因該規(guī)定在被制定之時(shí)，零序分量所引起的不平衡被認(rèn)為對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的正常運(yùn)行基本無(wú)影響，而且國(guó)際上各個(gè)國(guó)家為不平衡問(wèn)題制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，絕大多數(shù)國(guó)家亦不考慮零序分量，僅考慮負(fù)序分量所造成的影響，因此規(guī)定了其所適用的場(chǎng)合僅限于負(fù)序分量所引起的三相不平衡運(yùn)行狀態(tài)。此外，標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定了在測(cè)量三相電壓參數(shù)時(shí)，是在電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，于公共連接點(diǎn)（PCC）取值，因此由接地故障或相間短路等運(yùn)行故障引起的電壓不平衡也不在考慮之列。近幾年由于居民用戶中，非線性負(fù)荷大量投入使用，產(chǎn)生大量零序電流，造成了一系列的危害（如增加線路損耗，減少變壓器出力等），因此在低壓系統(tǒng)中，應(yīng)該考慮由于零序分量引起的不平衡問(wèn)題。

2.2 三相電壓的允許不平衡度值

根據(jù)負(fù)荷中重要設(shè)備（如旋轉(zhuǎn)電機(jī)等）的用電標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)地調(diào)研與分析，以及對(duì)國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大量研究與分析，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局頒布了電壓的不平衡度允許值標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2%，短時(shí)不得超過(guò)4%。而在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)各個(gè)公共連接點(diǎn)的電能質(zhì)量是不同的，而且處于不斷變化的狀態(tài)中，其與用電設(shè)備所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)仍有一定差距，因此國(guó)標(biāo)中又作了相關(guān)補(bǔ)充，即“電氣設(shè)備額定工況的電壓允許不平衡度和負(fù)序電流允許值仍由各自標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了電網(wǎng)負(fù)荷中，單獨(dú)用戶的電壓不平衡允許度，一般為1.3%，根據(jù)公共連接點(diǎn)的電能質(zhì)量情況，對(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷中的自動(dòng)保護(hù)裝置、發(fā)電機(jī)以及繼電保護(hù)裝置等安全運(yùn)行要求，用戶的電壓不平衡允許度也可以作適當(dāng)變動(dòng)。

2.3 測(cè)量和取值

根據(jù)以上分析，對(duì)于三相不平衡度的計(jì)算僅考慮負(fù)序分量引起的不平衡，如取三相線電壓，可利用根據(jù)式（1-7）推導(dǎo)出的簡(jiǎn)化算法得到不平衡度；若所取的量中含有零序分量，計(jì)算負(fù)序分量則需要采用對(duì)稱分量法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-2008)，測(cè)取電力系統(tǒng)PCC時(shí)，每隔1分鐘的整數(shù)倍測(cè)取一次，測(cè)取時(shí)間一般為一周（168h）；測(cè)取波動(dòng)負(fù)荷不平度時(shí)，測(cè)取間隔仍為1min的整數(shù)倍，測(cè)取時(shí)間一般為一天（24h）。關(guān)于取值方法，《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定為“95%的概率值”，在實(shí)際計(jì)算中，為了方便計(jì)算，一般取測(cè)量結(jié)果前95%的最大值，即舍棄數(shù)據(jù)中前5%的最大值，取剩余測(cè)量值的最大值。對(duì)于用電負(fù)荷中，日波動(dòng)量很大的負(fù)荷，則按照比例計(jì)算，如日累計(jì)超標(biāo)時(shí)間超過(guò)75分鐘，則視為不合格；如果30分鐘內(nèi)，超標(biāo)時(shí)間超過(guò)5分鐘，仍視為不合格。為了減小用電過(guò)程中電壓偶然波動(dòng)的影響，《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了每次測(cè)量按3s方均根取值。對(duì)于離散測(cè)量?jī)x，按式(2-1)測(cè)取每次結(jié)果。

3 三相不平衡的危害概述

當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行于不平衡狀態(tài)時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷和用戶造成一系列影響，主要為：

（1）對(duì)于電機(jī)影響最大的是不平衡電壓中的負(fù)序分量，當(dāng)電機(jī)供電電能中含有負(fù)序分量時(shí)，其內(nèi)部會(huì)感應(yīng)反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即與正序分量的感應(yīng)磁場(chǎng)方向相反，轉(zhuǎn)子會(huì)因此感應(yīng)出二倍頻電壓，造成電機(jī)銅損與鐵損增加，這些損耗集聚于電機(jī)內(nèi)部，會(huì)造成一系列的危害。另外二倍頻電壓還會(huì)產(chǎn)生附加振動(dòng)力矩，危害電機(jī)正常運(yùn)行與出力。據(jù)文獻(xiàn)資料，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，供電電壓中負(fù)序分量含有量為4%時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的發(fā)熱將使電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命減半。

（2）對(duì)于電網(wǎng)中一些敏感負(fù)荷（如繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)控制裝置等），當(dāng)電力系統(tǒng)中電壓不平衡度過(guò)大時(shí)，易造成其誤動(dòng)作，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。如今電網(wǎng)負(fù)荷中大量非線性負(fù)荷（如計(jì)算機(jī)，電焊機(jī)，電弧爐等）大量投入運(yùn)行，其運(yùn)行過(guò)程中會(huì)向電網(wǎng)中注入大量非線性高次諧波與負(fù)序分量，這些電網(wǎng)諧波與負(fù)序分量過(guò)大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致以負(fù)序?yàn)V過(guò)器為啟動(dòng)原件的二次設(shè)備誤動(dòng)作。

（3）IEC 146-1-1：1991《半導(dǎo)體變流器》規(guī)定了一些換流設(shè)備（逆變器、整流器等）供電電壓不平度允許值僅為2%，因?yàn)殡妷翰黄胶鈺?huì)造成此類設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流，危害電網(wǎng)安全。

（4）負(fù)荷不平衡會(huì)造成變壓器和發(fā)電機(jī)的利用率下降。當(dāng)三相變壓器在極端狀況下，僅帶單相負(fù)載時(shí)，由于相電流不能超過(guò)額定值，此時(shí)變壓器或發(fā)電機(jī)的容量利用率僅為額定容量的55.7%。另外，當(dāng)變壓器二次側(cè)負(fù)荷分布不平衡時(shí)，承受負(fù)荷較大的一相可能會(huì)引起內(nèi)部發(fā)熱，而造成壽命縮短；并且由于鐵芯磁路分布不均，大量漏磁經(jīng)過(guò)變壓器箱壁，感應(yīng)產(chǎn)生的電能將造成變壓器發(fā)熱，產(chǎn)生額外損耗。

（5）對(duì)于低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中，三相不平衡中的零序分量還會(huì)造成很大危害。我國(guó)低壓配電網(wǎng)通常采用三相四線制系統(tǒng)，零序分量會(huì)引起電網(wǎng)中性線電流增大，我們稱之為零序電流，當(dāng)零序電流過(guò)大時(shí)，會(huì)中性線發(fā)熱，增加損耗，降低供電效率。同時(shí)，零序分量還會(huì)引起電網(wǎng)中性點(diǎn)漂移，產(chǎn)生電噪聲干擾，這對(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷中一些敏感的電子設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）的正常運(yùn)行具有嚴(yán)重威脅。變壓器運(yùn)行規(guī)定規(guī)程則對(duì)變壓器運(yùn)行過(guò)程中，中性線電流的限制作了規(guī)定，一般為額定電流的25%，但是如今零序電流造成的危害已經(jīng)日益凸顯，這個(gè)限定值還需要更加嚴(yán)格。

（6）引起電網(wǎng)損耗增加。

4 現(xiàn)有低壓配電網(wǎng)三相不平衡治理方式綜述

在現(xiàn)有的《配電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，沒(méi)有對(duì)用戶側(cè)負(fù)荷分布作出規(guī)定，因此造成城市民用電網(wǎng)以及農(nóng)用電網(wǎng)中大量單相負(fù)荷存在，以及不平衡負(fù)荷隨機(jī)投入的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，而且對(duì)于配電網(wǎng)負(fù)荷平均分布設(shè)計(jì)方法規(guī)范的研究很少，不被重視。對(duì)于三相不平衡抑制的方法主要是對(duì)負(fù)荷進(jìn)行平衡和補(bǔ)償。

（1）負(fù)荷相序平衡

在低壓配電網(wǎng)中，引起不平衡的原因主要是負(fù)荷不平衡。負(fù)荷相序平衡的原理就是將三相電網(wǎng)中各相序的負(fù)荷很好地平均分配，則可以解決這個(gè)問(wèn)題。其主要思路是，在不改變配電網(wǎng)初始建設(shè)架構(gòu)的前提下，依靠人工或自動(dòng)換相裝置將負(fù)荷進(jìn)行平均分配。

（2）配電網(wǎng)重構(gòu)

配電網(wǎng)重構(gòu)是電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，使用較多也是最有效的平衡三相負(fù)載的手段。它主要是通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)饋線或變壓器之間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，最終達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)損耗、平衡負(fù)荷和提高電能質(zhì)量的目的。

（3）負(fù)荷補(bǔ)償

這種補(bǔ)償方式是由于近年來(lái)智能控制方法的逐步應(yīng)用，電力電子設(shè)備的突飛猛進(jìn)以及計(jì)算機(jī)控制的大量應(yīng)用，一些大功率、高度可控的電力電子裝置可以大量使用。一些無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理裝置（如STATCOM、APF等），可以通過(guò)對(duì)不平衡負(fù)載的直接補(bǔ)償，可以對(duì)三相電網(wǎng)中不平衡現(xiàn)象進(jìn)行快速并有針對(duì)性的治理。這類裝置被認(rèn)為是未來(lái)解決三相不平衡問(wèn)題的有效措施。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)三相不平衡算式的分析，以及對(duì)現(xiàn)有三相不平衡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的分析，可以認(rèn)為現(xiàn)有對(duì)不平衡電流電壓的計(jì)算方式具有一定的準(zhǔn)確性，而現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)仍有一定的擴(kuò)充范圍，比如如今低壓配電網(wǎng)單相負(fù)荷不平衡現(xiàn)象已經(jīng)十分嚴(yán)重，其產(chǎn)生的零序電壓電流分量對(duì)電網(wǎng)造成的影響以及不容忽視，因此需要對(duì)此部分進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)充；在《配電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中還需要對(duì)負(fù)荷分布進(jìn)行規(guī)范，減小四線制系統(tǒng)中零序電流的產(chǎn)生；如今民用配電網(wǎng)中大量具有非線性、沖擊性的負(fù)荷投入，以及民用負(fù)荷的隨機(jī)性投入決定了低壓配電網(wǎng)零序電壓電流分量不可忽視，這也決定了對(duì)于負(fù)荷補(bǔ)償裝置的研究是非常具有現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性的。

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