關(guān)于電力系統(tǒng)三相不平衡問題的研究

陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司 楊桂磊

關(guān)于電力系統(tǒng)三相不平衡問題的研究

陜西長武亭南煤業(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)量國家標(biāo)準(zhǔn)，對電力系統(tǒng)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(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行了研究與總結(jié)，并對我國現(xiàn)有電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出了改進點。

三相不平衡；電能質(zhì)量；國家標(biāo)準(zhǔn)

1 電力系統(tǒng)三相不平衡基本概念以及計算式

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，又可以分為對稱電力系統(tǒng)與非對稱電力系統(tǒng)；其中，對于m相系統(tǒng)，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(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)電量瞬時值是時不變的，而非平衡狀態(tài)下的電力系統(tǒng)電量瞬時值隨時間而改變。對稱電力系統(tǒng)一定運行于平衡狀態(tài)下，但是不對稱電力系統(tǒng)運行狀態(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)象是針對三相電力系統(tǒng)的，而三相系統(tǒng)中，不對稱電力系統(tǒng)一般運行于不平衡狀態(tài)下，因此對于“不平衡”與“不對稱”沒有作嚴(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，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(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(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(zhǔn)確算式為：

同理，三相電流不平衡度也可用相應(yīng)的公式計算。

當(dāng)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(yīng)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(fù)荷電流的負(fù)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(fù)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(fù)荷。

2 三相不平衡國家標(biāo)準(zhǔn)分析

我國在電能質(zhì)量問題上也作了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，由國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布七個電能質(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進行分析。

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(guī)定在被制定之時，零序分量所引起的不平衡被認(rèn)為對于旋轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)時，絕大多數(shù)國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)定了其所適用的場合僅限于負(fù)序分量所引起的三相不平衡運行狀態(tài)。此外，標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定了在測量三相電壓參數(shù)時，是在電網(wǎng)正常運行狀態(tài)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(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)電機等）的用電標(biāo)準(zhǔn)，對電網(wǎng)運行過程中實地調(diào)研與分析，以及對國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及EMC標(biāo)準(zhǔn)進行大量研究與分析，國家技術(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)公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%。而在電網(wǎng)實際運行中，電網(wǎng)各個公共連接點的電能質(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，因此國標(biāo)中又作了相關(guān)補充，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，單獨用戶的電壓不平衡允許度，一般為1.3%，根據(jù)公共連接點的電能質(zhì)量情況，對于電網(wǎng)負(fù)荷中的自動保護裝置、發(fā)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(dāng)變動。

2.3 測量和取值

根據(jù)以上分析，對于三相不平衡度的計算僅考慮負(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)出的簡化算法得到不平衡度；若所取的量中含有零序分量，計算負(fù)序分量則需要采用對稱分量法。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)，測取電力系統(tǒng)PCC時，每隔1分鐘的整數(shù)倍測取一次，測取時間一般為一周（168h）；測取波動負(fù)荷不平度時，測取間隔仍為1min的整數(shù)倍，測取時間一般為一天（24h）。關(guān)于取值方法，《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定為“95%的概率值”，在實際計算中，為了方便計算，一般取測量結(jié)果前95%的最大值，即舍棄數(shù)據(jù)中前5%的最大值，取剩余測量值的最大值。對于用電負(fù)荷中，日波動量很大的負(fù)荷，則按照比例計算，如日累計超標(biāo)時間超過75分鐘，則視為不合格；如果30分鐘內(nèi)，超標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)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(jié)果。

3 三相不平衡的危害概述

當(dāng)電力系統(tǒng)運行于不平衡狀態(tài)時，會對電網(wǎng)負(fù)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(fù)序分量，當(dāng)電機供電電能中含有負(fù)序分量時，其內(nèi)部會感應(yīng)反向旋轉(zhuǎn)磁場，即與正序分量的感應(yīng)磁場方向相反，轉(zhuǎn)子會因此感應(yīng)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(nèi)部，會造成一系列的危害。另外二倍頻電壓還會產(chǎn)生附加振動力矩，危害電機正常運行與出力。據(jù)文獻資料，當(dāng)電動機運行于額定轉(zhuǎn)矩時，供電電壓中負(fù)序分量含有量為4%時，其內(nèi)部產(chǎn)生的發(fā)熱將使電動機的絕緣壽命減半。

（2）對于電網(wǎng)中一些敏感負(fù)荷（如繼電保護裝置、自動控制裝置等），當(dāng)電力系統(tǒng)中電壓不平衡度過大時，易造成其誤動作，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運行。如今電網(wǎng)負(fù)荷中大量非線性負(fù)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(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)序分量過大時，就會導(dǎo)致以負(fù)序濾過器為啟動原件的二次設(shè)備誤動作。

（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%，因為電壓不平衡會造成此類設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流，危害電網(wǎng)安全。

（4）負(fù)荷不平衡會造成變壓器和發(fā)電機的利用率下降。當(dāng)三相變壓器在極端狀況下，僅帶單相負(fù)載時，由于相電流不能超過額定值，此時變壓器或發(fā)電機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，承受負(fù)荷較大的一相可能會引起內(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）對于低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)通常采用三相四線制系統(tǒng)，零序分量會引起電網(wǎng)中性線電流增大，我們稱之為零序電流，當(dāng)零序電流過大時，會中性線發(fā)熱，增加損耗，降低供電效率。同時，零序分量還會引起電網(wǎng)中性點漂移，產(chǎn)生電噪聲干擾，這對于電網(wǎng)負(fù)荷中一些敏感的電子設(shè)備（如計算機）的正常運行具有嚴(yán)重威脅。變壓器運行規(guī)定規(guī)程則對變壓器運行過程中，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)計規(guī)范》中，沒有對用戶側(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)荷隨機投入的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，而且對于配電網(wǎng)負(fù)荷平均分布設(shè)計方法規(guī)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(fù)荷進行平衡和補償。

（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，則可以解決這個問題。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，依靠人工或自動換相裝置將負(fù)荷進行平均分配。

（2）配電網(wǎng)重構(gòu)

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

（3）負(fù)荷補償

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

5 小結(jié)

通過對三相不平衡算式的分析，以及對現(xiàn)有三相不平衡國家標(biāo)準(zhǔn)的分析，可以認(rèn)為現(xiàn)有對不平衡電流電壓的計算方式具有一定的準(zhǔn)確性，而現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)仍有一定的擴充范圍，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電網(wǎng)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(wǎng)設(shè)計規(guī)范》中還需要對負(fù)荷分布進行規(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，這也決定了對于負(fù)荷補償裝置的研究是非常具有現(xiàn)實意義和緊迫性的。

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