配出中性導體的IT系統負載不平衡分析

呂強，徐曄，崔陳華，侯鵬飛，楊濤

（解放軍理工大學 國防工程學院，南京 210007）

0 引言

TN系統在我國供電系統中一度占據了主導地位，其發展和建設水平也相對成熟。而具有高可靠性的IT系統在我國應用依然僅局限某些特定場合。特別是配出中性導體的IT系統，如圖1所示，則研究更少。文獻[1]詳細分析了國內外標準對IT系統不宜配出中性導體的緣由，并且提出了IT系統配出中性導體后絕緣監測的方法；文獻[2]側重分析了配出中性導體的IT系統相導體和中性導體發生接地故障后電壓與電流變化規律；文獻[3]則在文獻[1][2]的基礎上分析了配出中性導體的IT系統接地故障保護和絕緣監測原理。可以說配出中性導體的IT系統接地故障保護和絕緣監測方面的研究正不斷深入，然而，由于中性導體的配出，負載條件下IT系統電能質量,特別是非線性負載不平衡帶載能力以及與TN系統比較等,目前尚無研究。因此,本文主要從負序電壓不平衡度，負載電壓畸變率，電壓波動，中性導體不平衡電流角度分析配出中性導體的IT系統不平衡帶載能力,為該系統應用設計奠定基礎。

1 負載不平衡電能質量分析

衡量系統供電電能的質量，通常以供電電壓的頻率、偏移、波動、閃變、間斷、塌陷、尖峰、諧波、畸變、三相不平衡和高頻干擾等指標來表征。負載不平衡屬于電能質量重要指標之一[4]。

1.1 負序電壓不平衡度

不平衡度（unbalance factor）ε，指電力系統中三相不平衡的程度。為衡量電力系統正常運行時由于負序分量引起的公共連接點的電壓不平衡，參照 IEC 標準,GB/T15543-1995、GB/T15543-2008[5,6]均對三相三線制以及三相四線制電力系統電壓不平衡度做了詳細規定并且給出了相應的計算算法。配出中性導體的IT系統屬于典型的三相四線制加保護線系統，負載不平衡時，相對中性導體電壓中一般含有零序分量，因此推薦采用GB/T15543-2008.B1規定的計算算法，方法簡單，同時也可以反映三相電壓相位不平衡。

圖1 配出中性導體的IT系統原理圖

負序電壓不平衡度是指電壓負序基波分量與正序基波分量的方均根值百分比，用εU2表示，其計算表達式如下：

1.2 中性導體電流

配出中性導體的IT系統與TN系統的本質區別就在于中性導體的配出并且對地絕緣。在TN系統中，因單相負載不平衡導致的基波剩余電流或者非線性負載導致的零序諧波電流隨中性線與等電位接地保護線的不同連接，分布也各有不同。現行標準規定：在TN及TT系統接地型式的低壓電網中，當選用Y,yn0結線組別的三相變壓器時，單相不平衡負荷引起的中性線電流不得超過低壓繞組額定電流的25%，同時其一相電流滿載時不得超過額定電流值[7,8]。但是配出中性導體的IT系統遇到同樣的不平衡負載時，不平衡電流均經過中性導體，導致中性導體電流較大，不僅考驗系統其它方面的性能指標是否合格，同時也關系到該系統中性導體的選型。因此有必要研究中性導體電流在同樣標準下配出中性導體的IT系統負載不平衡指標。

1.3 中性點對地電壓

如圖2所示，三相對地電壓不平衡時，發生中性點電位偏移。

圖2 中性點電位偏移向量圖

與TN系統不同的是，配出中性導體的IT系統中性導體對地絕緣。負載對稱時，只考慮電纜對地電容、對地絕緣電阻、電纜本身阻抗，中性點電位會有一定程度漂移，但幅值較小。實際負載運行時中性點電位受各相對地絕緣電阻影響，而各相對地絕緣電阻隨負載的增多、溫度、濕度等發生很大變化，各類檢測儀表接入系統（由系統自身電源供電），也將牽制中性導體對地絕緣電阻進而影響中性點電位大小。

1.4 畸變率

總諧波畸變率THD（total harmonic distortion）是衡量系統諧波的重要指標。

電壓諧波總畸變率THDU定義為：

其中Un為n次諧波電壓有效值；N是考慮到的最高諧波次數；U1為基波電壓有效值。將上式中的電壓有效值換成電流有效值即為電流畸變率。

2 負載不平衡測試

我單位與江蘇鎮安電力設備有限公司合作搭建了配出中性導體的IT系統原型系統，基本原理如圖1所示，高壓側由第一級變壓器引入市電并進行升壓隔離，再經D,yn11接法的配電變壓器配送至各級負載。采用20 kW三相電阻箱模擬三相線性負載，自制水電阻作為線性不平衡負載。非線性負載采用三相或者單相不可控式整流器模擬，其功率大小由直流側水電阻調節。

數據采集系統采用ISB2703模塊，傳送至主機，隨不平衡負載的增加進行實時分析。另外，變壓器負載側中性導體與地線間安裝接地開關，保證在同樣條件下測量配出中性導體的IT系統與TN系統數據，增強參數的可比性。

2.1 線性負載不平衡試驗

三相線性負載平衡時，加載C相線性負載功率，至中線電流比大于25%，觀察系統運行情況，測得的數據導入Simulink/MATLAB中分析如下。

圖3 負載電壓隨中性導體電流變化趨勢

將以上實驗數據分析可知：

1） 負載電壓波動隨中線電流比增加的變化規律見圖3，中線電流比由0（分別示系統空載和負載對稱）增至33.1%時，各相對中性導體電壓均有不同程度跌落，A相電壓由空載的234.2 V降至229.8 V，波動-1.88%；B相電壓由空載的234.5 V跌落至228.0 V，波動-2.77%；C相電壓由空載時的234.9 V跌落至225.6 V，波動-3.96%。電壓波動均在國標規定的-10%范圍內[7,8]，也符合諸多負載要求的-7%范圍。

圖4 電壓不平衡度隨中性導體電流變化趨勢

圖5 負載電流隨中性導體電流變化趨勢

表1 線性負載不平衡中性點電位變化

2）負載電壓不平衡度隨中線電流比變化如圖4所示，與TN系統相比較，配出中性導體的IT系統不平衡度由空載時的0.2%增至1.7%，稍有波動，性能較好。當中線電流比為33.1%時，εU-%依然未超過規定值2%[5,6]。

3）隨C相負載不平衡負載增加，除C相負載電流逐級增大外，A、B兩相電流保持穩定并有略微下降，這是因為試驗中電纜以及變壓器有一定阻抗，負載電壓隨不平衡電流增加有所下降，但是波動范圍較小，不會對三相負載正常工作造成影響。

4）由表1可知，由空載到負載不平衡，系統不平衡程度逐漸增大，中性點電位波動明顯，但均為未超出20 V范圍，這說明UN受諸多因素的影響而不穩定，不僅僅是負載不平衡這一因素，使用中應當注意。

2.2 非線性負載不平衡試驗

三相線性負載平衡背景下，加載C相整流負載的功率，至中線電流比大于25%，觀察系統電能質量情況。

表2 非線性負載不平衡畸變率及中性點電位變化

由表2數據分析知，從空載到負載平衡，電流和電壓總畸變率均符合IEC標準和我國標準對諧波限值的規定。隨著非線性負載功率增大，C相電流電壓畸變率急劇增大，同時其B、C相電流與電壓畸變率也逐漸增大。中線電流比為24.8%時，C相電流諧波含量較大，電壓畸變率也已經超出限值，屬于典型的電流畸變引發的負載電壓畸變，同實際電力系統帶非線性負載運行時的情況相同，應當采取相關濾波措施治理諧波，改善電能質量。此外中性點電位隨負載增大而總體上升，但沒有呈現出明顯變化規律，同上一節實驗結果一致。

圖6 負載電壓波動

圖7 負序電壓不平衡度變化

結合圖6不難得出，UCN隨負載不平衡度的增加降落幅度較為明顯，由空載時的233 V跌落至228.2 V，跌落-2.1%，A、B略有波動但是幅度較小。

如圖7所示，TN系統與配出中性導體的IT系統負序電壓不平衡度曲線相互交錯，當中線電流比為29.6%和35.7%時，電壓不平衡度最大為1.8%，小于標準2%的規定，這表明配出中性導體的IT系統中性導體承受25%的單相不平衡電流時，電壓不平衡度以及電壓波動均滿足標準和負載供電要求。

圖8 負載電流波形及C相電流諧波分布（中線電流比為35.7%）

C相負載電流因整流器負載的加入畸變較為嚴重，造成變壓器內部磁路不平衡，導致A、B相電壓發生變化，所以電流也發生畸變。其中C相電流諧波分布如圖8（b）所示，導致負載電流波形惡化的主要原因是零序諧波以及5次諧波，這也是三相四線制配電系統帶非線性負載時諧波分布的特點之一。

圖9 負載電壓波形及C相電壓諧波分布（中線電流比為35.7%）

由圖9和表2可知，負載電壓的畸變主要是由于畸變電流在變壓器繞組產生了壓降以及磁路不對稱所致，中線電流比為35.7%時，C相負載電壓已發生嚴重畸變，超出IEC標準對THDU8%[9]的要求，且電壓分布中存在大量的零序諧波電壓以及5次諧波，應采取APF或者APF與無源濾波器的配合消除諧波即可，經濟環保。

3 結束語

分析了電壓不平衡度、中性導體電流、以及中性點電壓、畸變率等指標對配出中性導體IT系統研究的意義和必要性，實驗證明，與TN系統相比，配出中性導體的IT系統帶單相線性負載平衡時，同樣上述四方面的指標均能滿足現行標準要求，具備不平衡帶載能力；帶單相非線性負載不平衡時，相關指標的分析表明系統具備非線性負載不平衡帶載能力，但是筆者建議，采用目前成熟的濾波技術對負載電流進行治理，以保證電流畸變率較小，且不會導致電壓畸變率超標。總體而言，配出中性導體的IT系統具備良好的不平衡負載能力，其發展應當予以重視。

[1] 王巍, 王金全, 徐曄, 付尚琛. IT系統配出中性導體問題簡析[J]. 建筑電氣, 2011, 30(11): 47-50.

[2] 金偉一, 王金全, 劉俊義, 王坤. 配出中性線的IT系統及其接地故障分析[J]. 電氣技術, 2010(1):55-58.

[3] 楊濤, 王金全, 王巍, 宋鵬超. 配出中性導體的低壓IT系統綜述[J]. 船電技術, 2012, 32(8):43-46.

[4] 魏秀明. 電能質量的三相不平衡問題的研究[D].南京理工大學, 2012.3.

[5] GB/T 15543-1995.電能質量 三相電壓允許不平衡度[S].北京：中國標準出版社1995.

[6] GB/T 15543-2008電能質量 三相電壓允許不平衡度[S]. 北京：中國標準出版社, 2008.

[7] GB50054-1995低壓配電設計規范[S]. 北京: 中國計劃出版社.1996.

[8] GB50052-2009供配電系統設計規范[S] . 北京: 中國計劃出版社, 2009.

[9] 徐政 譯. 電力系統諧波基本原理、分析方法和濾波器設計（第一版）[M]. 北京:機械工業出版社, 2007:117-122.