基于对称分量滤过器的三相电压不平衡度检测

安健（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

0 引言

现代生产和现代生活离不开电力，电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需要，而且也要满足对电能质量上的要求。如同其他产品一样，电能也是有质量优劣之分的。主要包括频率、电压、波形和三相对称。三相不对称会使电网电压和额定值产生偏差，还会使波形发生畸变。超出一定范围的频率或电压的偏差或波形的畸变，都会对电力用户以及电网的安全、经济运行等带来不良影响。因此，电网运行中要将这些参数的偏差限制在允许的范围之内，才能保证电能质量。

电网运行时，三相电路经常出现不平衡状态，影响了电网稳定与质量。本文提出了基于对称分量滤过器的三相电压不平衡度检测方法。通过匹配检测参数配置，可以很好的提高检测精度。实验结果表明，检测效果良好，证明此方法具有一定的实用性和可行性。

1 三相电压不平衡及检测原理分析

在理想的三相交流电力系统中，三相电压应有同样的数值，且按A、B、C顺序互成2π/3角，这样的系统叫做三相平衡系统。然而由于存在种种不平衡因素，实际电力系统并不是完全平衡的。不平衡因素可以归结为事故性的和正常性的两大类。事故性的不平衡是由于三相系统中某一相或两相出现故障所致，例如一相或两相断线、单相接地故障等。这种不平衡工况是系统运行不允许的，一般由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系统恢复正常。正常性的不平衡则是由于系统三相元件或负荷不对称所致。作为电能质量指标之一的三相电压允许不平衡度即是根据正常性不平衡运行工况制定的。

电力系统处于三相不平衡时，其电压和电流含有大量负序分量，及时地了解电力系统中电压和电流负序分量含有率及三相不平衡度，是制定改善措施保证电力系统正常运行的关键。电力系统中三相电压平衡状况是电能质量指标之一。在中低压配电网中，三相线路的负荷是随机变化的，而且也不可能是平衡的。若系统中存在三相不平衡的情况将会影响系统中电动机变压器的安全和可靠运行，并使系统的损耗增加，降低系统的运行效率。此外，还会增大对周围通信系统的干扰，影响正常的通信质量［1，2］。因此，要保证电能质量，三相不平衡度的检测将是十分必要的。

电力系统中三相电压不平衡主要是由负荷不平衡，系统三相阻抗不对称以及消弧线圈的不正确调谐所引起的。由于系统负载阻抗不对称引起的背景电压不平衡度，一般很少超过0.5%，但在高峰负荷时，或高压线停电时，不平衡有时超过1%。一般架空电网的不对称度或不平衡电压不超过0.5% ～1.5%的范围，其中1%以上的情况往往是分段的架空电网，其换位是在变电所母线上实现的。

根据对称分量法，不对称的三相相量都可分解成相序各不相同的三组对称的三相分量［3］，即

根据三相不平衡度的定义，三相不平衡度为负序分量与正序分量的均方根值。当输入端三相电压中含有三序分量时，输出端只输出零序分量，称为零序分量滤过器;只输出负序分量时，称为负序分量滤过器;只输出正序分量时，称为正序分量滤过器［4］。因此，设计滤过器电路分别得到负序及正序分量即可完成三相电压不平衡度检测。

2 对称分量滤过器检测电路

由上可知，利用对称分量滤过器检测电路测取电力系统各相电压的负序及正序分量，取其均方根值便可得到三相电压不平衡度。然而检测电路的接入必然会影响待测电路，产生较大误差，致使无法取得真实的待测电压。同时，因为根据发电、输电和用电的不同情况线路上的电压大小不一，而且相差悬殊，有的是低压220 V和380 V，有的是高压几万伏甚至几十万伏。要直接测量这些低压和高压电压，就需要根据线路电压的大小，制作相应的低压和高压的电压表和其他仪表和继电器。这样不仅会给仪表制作带来很大的困难，而且更主要的是，要直接制作高压仪表，直接在高压线路上测量电压，那是不可能的，而且也是绝对不允许的。因此，在被测电路与检测电路之间应进行电路隔离。针对不同的电力系统可选择不同的隔离方式。本文采用电压互感器进行隔离，并通过不同的接线法获取线路相间电压或相对地电压。

2.1 电压互感器

电压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器将高电压按比例转换成低电压，电压互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等;主要是电磁式的（电容式电压互感器应用广泛），另有非电磁式的，如电子式、光电式。

测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测电压（如电力系统的线电压），可以单相使用，也可以用两台接成V－V形作三相使用。实验室用的电压互感器往往是原边多抽头的，以适应测量不同电压的需要。

电压互感器把高电压按比例关系变换成100 V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。

电压互感器的接线方式很多，常见的有以下几种

（1）用一台单相电压互感器来测量

某一相对地电压或相间电压的接线方式

（2）用两台单相互感器接成不完全星形，也称V—V接线，用来测量各相间电压，但不能测相对地电压，广泛应用在20 KV以下中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中。

（3）用三台单相三绕组电压互感器构成YN，yn，d0或Y，yn，d0的接线形式，广泛应用于3—220 KV系统中，其二次绕组用于测量相间电压和相对地电压，辅助二次绕组接成开口三角形，供接入交流电网绝缘监视仪表和继电器用。用一台三相五柱式电压互感器代替上述三个单相三绕组电压互感器构成的接线，除铁芯外，其形式基本相同，一般只用于 3—15 KV系统。

（4）电容式电压互感器接线形式。

图1 电压互感器的V－V接线

在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，为了测量相对地电压，电压互感器一次绕组必须接成星形接地 的方式。

针对不同的线路及测量要求，合理选择互感器接线方式，获取相间电压或相对地电压，作为滤过器检测电路的输入量。

2.2 阻容式负序电压滤过器

其中R1 =X1，X2=R2，X1=X2。

由于相间电压中不存在零序分量，相当于零序分量已被滤掉。因此，负序电压滤过器无一例外地加入相间电压。当输入为正序分量时输出端为零。当输入为负序分量时，输出Umn2=1.5Uab2=1.5Ubc2。

相量图如图5（a）（b）所示。

如果将负序电压滤过器任意两个输入端互换连接，则滤过器就会成为正序电压滤过器。

图4 阻容式负序电压滤过器

2.3 运放式负序滤过器

因此采用如图6所示的原理接线，利用运算放大器A1将电压VB向超前方向移相240°，当选用 | Z1|=R1，Z1的阻抗角为

负序电压与三相电压之间的关系为60°时，有

图5 向量图

利用运算放大器A2将电压VC向超前方向移相120°，Z1和R1采用同上的参数，则

图6 负序电压滤过器接线图

在Z1上并联电阻R2（R2≫ | Z1|），是为了在交流输入信号为零时，防止A2开环工作，以减小零点漂移的影响。

运算放大器A3是一个反相加法器，按图中所标示的参数，输出电压应为

如果选取RF=1/3R3，则=－

当输入三相正序电压或零序电压时，其输出电压均为零，因此达到了滤出负序电压的要求。

由于正序电压与三相电压之间的关系

其相序关系与负序相反，因此只需把上述负序滤过器接线中的任意两个电压互换，即可构成正序电压滤过器。

由运算放大器和RC移相电路构成的对称分量滤过器与传统的构成方法相比，具有体积小、功耗小、线性度好、调试简单、运行维护方便等优点。实践证明，只要构成电路的各元件参数与理论计算值相符，一般无需调整即可满足要求。

3 实验结果

用上文所述检测方法对某电机实验楼供电系统进行三相电压不平衡度检测。该电机实验楼负载众多，主要有电脑，空调，各式电机及各种电气实验设备。

测量选取在下午2∶00～2∶01的1 min（高峰时段）之内，每3 s计算一次不平衡度并测取6次。运用上述两种方式进行测量，分别称为1法与2法。测量数据如表1所示。

表1 时段1不平衡度检测数据

表2 时段2不平衡度统计数据

再次测量选取晚上10:00～10:01的1 min（休息时间）之内，每3 s计算一次不平衡度并测取6次。测量数据如表2。

由表1、2可以看出，该方法能准确、实时的检测电力系统三相不平衡度。操作简便快速，误差较小。

4 结束语

本文给出了一种实用的三相电压不平衡度检测方法，该方法根据三相不平衡度定义，通过负序滤过器分别求出负序与正序分量，其均方根值便是三相不平衡度。这类检测电路结构简单，操作方便。对于测量精度，最大的影响是滤过器的元件参数匹配。另外当环境温度变化时，电容会发生变化，电阻元件的老化也会使阻值发生变化，因此可以采用高级材料和精密元件及温度补偿装置等来提高测量精度［6］。与常用的三相不平衡度数字检测系统相比，此方法

［1］艾芊.电能质量讲座第九讲 浅谈三相电压不平衡［J］.低压电器，2007（18）:12－14.

［2］陈波，王鸿钰.电能质量监测和监测仪器讲座——第二讲 三相不平衡度和电压频率偏差监测［J］.仪表技术，2005（5）:14:75－77.

［3］林海雪.电力系统的三相不平衡讲座［J］.供用电，1998，14（4）:28－30.

［4］林海雪.电力系统三相不平衡讲座 第五讲 三相不平衡的测量仪器［J］.供用电，1998，（3）:31 －33.

［5］林海雪.电力系统三相不平衡讲座 第一讲 电力系统三相不平衡的基本概念及其计算式［J］.供用电，1997，（4）:14－17.

［6］杨洪耕，肖先勇，刘俊勇.电能质量问题的研究和技术进展（一）电能质量一般概念［J］.电力自动化设备2003，23（10）:45－49.