關于電力系統三相不平衡問題的研究

陜西長武亭南煤業有限責任公司 楊桂磊

關于電力系統三相不平衡問題的研究

陜西長武亭南煤業有限責任公司 楊桂磊

本文主要根據現有電能質量國家標準，對電力系統使用中，三相不平衡的基本概念和計算方法、三相不平衡國家標準、三相不平衡現象的危害以及現有治理三相不平衡的方法進行了研究與總結，并對我國現有電能質量標準提出了改進點。

三相不平衡；電能質量；國家標準

1 電力系統三相不平衡基本概念以及計算式

1.1 基本概念

根據電力系統理論定義，電力系統可以分為單相電力系統和多相電力系統兩大類。在多相電力系統中，又可以分為對稱電力系統與非對稱電力系統；其中，對于m相系統，各相電量（電流、電壓與電動勢等）均相等，且相位相差2π/m被稱為對稱系統。而多相電力系統系統根據負荷情況，又可以被分為運行于平衡狀態或不平衡狀態，平衡狀態下的電力系統電量瞬時值是時不變的，而非平衡狀態下的電力系統電量瞬時值隨時間而改變。對稱電力系統一定運行于平衡狀態下，但是不對稱電力系統運行狀態可以是平衡的，也可以是不平衡的。本文所研究的電力系統不平衡現象是針對三相電力系統的，而三相系統中，不對稱電力系統一般運行于不平衡狀態下，因此對于“不平衡”與“不對稱”沒有作嚴格區分。

1.2 三相不平衡度算式

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

當電壓或者電流產生不平衡時，如果對其進行分析，則需要將其分解為三相對稱的向量，即零序、正序、和負序，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分量。而實際工作中，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一一對應。

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，作兩個等邊三角形PBC和QCB，見圖1。其中：

圖1 不平衡電壓的位形圖

三相電壓不平衡度的準確算式為：

同理，三相電流不平衡度也可用相應的公式計算。

當三相電量中不含有零序分量時，還有簡化算法，本文不作分析，見式(1-7)：

在工程應用時，對某公共連接點（PCC）造成的不平衡度進行估算時，常用下列公式：

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

2 三相不平衡國家標準分析

我國在電能質量問題上也作了相應的國家標準，由國家技術監督局發布七個電能質量標準作為規定，其中《電能質量 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進行分析。

2.1 標準的內容和適用范圍

該標準規定了三相電壓參數的測量、取值以及計算方法，以及三相電壓不平衡的允許度值。因該規定在被制定之時，零序分量所引起的不平衡被認為對于旋轉電機的正常運行基本無影響，而且國際上各個國家為不平衡問題制定標準時，絕大多數國家亦不考慮零序分量，僅考慮負序分量所造成的影響，因此規定了其所適用的場合僅限于負序分量所引起的三相不平衡運行狀態。此外，標準也規定了在測量三相電壓參數時，是在電網正常運行狀態下，于公共連接點（PCC）取值，因此由接地故障或相間短路等運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，非線性負荷大量投入使用，產生大量零序電流，造成了一系列的危害（如增加線路損耗，減少變壓器出力等），因此在低壓系統中，應該考慮由于零序分量引起的不平衡問題。

2.2 三相電壓的允許不平衡度值

根據負荷中重要設備（如旋轉電機等）的用電標準，對電網運行過程中實地調研與分析，以及對國外相關標準以及EMC標準進行大量研究與分析，國家技術監督局頒布了電壓的不平衡度允許值標準，標準規定：電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%。而在電網實際運行中，電網各個公共連接點的電能質量是不同的，而且處于不斷變化的狀態中，其與用電設備所規定的標準仍有一定差距，因此國標中又作了相關補充，即“電氣設備額定工況的電壓允許不平衡度和負序電流允許值仍由各自標準規定?！?/p>

標準還規定了電網負荷中，單獨用戶的電壓不平衡允許度，一般為1.3%，根據公共連接點的電能質量情況，對于電網負荷中的自動保護裝置、發電機以及繼電保護裝置等安全運行要求，用戶的電壓不平衡允許度也可以作適當變動。

2.3 測量和取值

根據以上分析，對于三相不平衡度的計算僅考慮負序分量引起的不平衡，如取三相線電壓，可利用根據式（1-7）推導出的簡化算法得到不平衡度；若所取的量中含有零序分量，計算負序分量則需要采用對稱分量法。根據標準《電能質量 三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-2008)，測取電力系統PCC時，每隔1分鐘的整數倍測取一次，測取時間一般為一周（168h）；測取波動負荷不平度時，測取間隔仍為1min的整數倍，測取時間一般為一天（24h）。關于取值方法，《標準》中規定為“95%的概率值”，在實際計算中，為了方便計算，一般取測量結果前95%的最大值，即舍棄數據中前5%的最大值，取剩余測量值的最大值。對于用電負荷中，日波動量很大的負荷，則按照比例計算，如日累計超標時間超過75分鐘，則視為不合格；如果30分鐘內，超標時間超過5分鐘，仍視為不合格。為了減小用電過程中電壓偶然波動的影響，《標準》中規定了每次測量按3s方均根取值。對于離散測量儀，按式(2-1)測取每次結果。

3 三相不平衡的危害概述

當電力系統運行于不平衡狀態時，會對電網負荷和用戶造成一系列影響，主要為：

（1）對于電機影響最大的是不平衡電壓中的負序分量，當電機供電電能中含有負序分量時，其內部會感應反向旋轉磁場，即與正序分量的感應磁場方向相反，轉子會因此感應出二倍頻電壓，造成電機銅損與鐵損增加，這些損耗集聚于電機內部，會造成一系列的危害。另外二倍頻電壓還會產生附加振動力矩，危害電機正常運行與出力。據文獻資料，當電動機運行于額定轉矩時，供電電壓中負序分量含有量為4%時，其內部產生的發熱將使電動機的絕緣壽命減半。

（2）對于電網中一些敏感負荷（如繼電保護裝置、自動控制裝置等），當電力系統中電壓不平衡度過大時，易造成其誤動作，嚴重威脅電網的安全運行。如今電網負荷中大量非線性負荷（如計算機，電焊機，電弧爐等）大量投入運行，其運行過程中會向電網中注入大量非線性高次諧波與負序分量，這些電網諧波與負序分量過大時，就會導致以負序濾過器為啟動原件的二次設備誤動作。

（3）IEC 146-1-1：1991《半導體變流器》規定了一些換流設備（逆變器、整流器等）供電電壓不平度允許值僅為2%，因為電壓不平衡會造成此類設備產生附加的諧波電流，危害電網安全。

（4）負荷不平衡會造成變壓器和發電機的利用率下降。當三相變壓器在極端狀況下，僅帶單相負載時，由于相電流不能超過額定值，此時變壓器或發電機的容量利用率僅為額定容量的55.7%。另外，當變壓器二次側負荷分布不平衡時，承受負荷較大的一相可能會引起內部發熱，而造成壽命縮短；并且由于鐵芯磁路分布不均，大量漏磁經過變壓器箱壁，感應產生的電能將造成變壓器發熱，產生額外損耗。

（5）對于低壓配電網系統中，三相不平衡中的零序分量還會造成很大危害。我國低壓配電網通常采用三相四線制系統，零序分量會引起電網中性線電流增大，我們稱之為零序電流，當零序電流過大時，會中性線發熱，增加損耗，降低供電效率。同時，零序分量還會引起電網中性點漂移，產生電噪聲干擾，這對于電網負荷中一些敏感的電子設備（如計算機）的正常運行具有嚴重威脅。變壓器運行規定規程則對變壓器運行過程中，中性線電流的限制作了規定，一般為額定電流的25%，但是如今零序電流造成的危害已經日益凸顯，這個限定值還需要更加嚴格。

（6）引起電網損耗增加。

4 現有低壓配電網三相不平衡治理方式綜述

在現有的《配電網設計規范》中，沒有對用戶側負荷分布作出規定，因此造成城市民用電網以及農用電網中大量單相負荷存在，以及不平衡負荷隨機投入的現象十分嚴重，而且對于配電網負荷平均分布設計方法規范的研究很少，不被重視。對于三相不平衡抑制的方法主要是對負荷進行平衡和補償。

（1）負荷相序平衡

在低壓配電網中，引起不平衡的原因主要是負荷不平衡。負荷相序平衡的原理就是將三相電網中各相序的負荷很好地平均分配，則可以解決這個問題。其主要思路是，在不改變配電網初始建設架構的前提下，依靠人工或自動換相裝置將負荷進行平均分配。

（2）配電網重構

配電網重構是電網運行過程中，使用較多也是最有效的平衡三相負載的手段。它主要是通過改變網絡中聯絡開關的開合狀態，實現饋線或變壓器之間的負荷轉移，最終達到降低網絡損耗、平衡負荷和提高電能質量的目的。

（3）負荷補償

這種補償方式是由于近年來智能控制方法的逐步應用，電力電子設備的突飛猛進以及計算機控制的大量應用，一些大功率、高度可控的電力電子裝置可以大量使用。一些無功補償與諧波治理裝置（如STATCOM、APF等），可以通過對不平衡負載的直接補償，可以對三相電網中不平衡現象進行快速并有針對性的治理。這類裝置被認為是未來解決三相不平衡問題的有效措施。

5 小結

通過對三相不平衡算式的分析，以及對現有三相不平衡國家標準的分析，可以認為現有對不平衡電流電壓的計算方式具有一定的準確性，而現有的國家標準仍有一定的擴充范圍，比如如今低壓配電網單相負荷不平衡現象已經十分嚴重，其產生的零序電壓電流分量對電網造成的影響以及不容忽視，因此需要對此部分進行改進和擴充；在《配電網設計規范》中還需要對負荷分布進行規范，減小四線制系統中零序電流的產生；如今民用配電網中大量具有非線性、沖擊性的負荷投入，以及民用負荷的隨機性投入決定了低壓配電網零序電壓電流分量不可忽視，這也決定了對于負荷補償裝置的研究是非常具有現實意義和緊迫性的。

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