配出中性导体的IT系统负载不平衡分析

吕强，徐晔，崔陈华，侯鹏飞，杨涛

（解放军理工大学 国防工程学院，南京 210007）

0 引言

TN系统在我国供电系统中一度占据了主导地位，其发展和建设水平也相对成熟。而具有高可靠性的IT系统在我国应用依然仅局限某些特定场合。特别是配出中性导体的IT系统，如图1所示，则研究更少。文献[1]详细分析了国内外标准对IT系统不宜配出中性导体的缘由，并且提出了IT系统配出中性导体后绝缘监测的方法；文献[2]侧重分析了配出中性导体的IT系统相导体和中性导体发生接地故障后电压与电流变化规律；文献[3]则在文献[1][2]的基础上分析了配出中性导体的IT系统接地故障保护和绝缘监测原理。可以说配出中性导体的IT系统接地故障保护和绝缘监测方面的研究正不断深入，然而，由于中性导体的配出，负载条件下IT系统电能质量,特别是非线性负载不平衡带载能力以及与TN系统比较等,目前尚无研究。因此,本文主要从负序电压不平衡度，负载电压畸变率，电压波动，中性导体不平衡电流角度分析配出中性导体的IT系统不平衡带载能力,为该系统应用设计奠定基础。

1 负载不平衡电能质量分析

衡量系统供电电能的质量，通常以供电电压的频率、偏移、波动、闪变、间断、塌陷、尖峰、谐波、畸变、三相不平衡和高频干扰等指标来表征。负载不平衡属于电能质量重要指标之一[4]。

1.1 负序电压不平衡度

不平衡度（unbalance factor）ε，指电力系统中三相不平衡的程度。为衡量电力系统正常运行时由于负序分量引起的公共连接点的电压不平衡，参照 IEC 标准,GB/T15543-1995、GB/T15543-2008[5,6]均对三相三线制以及三相四线制电力系统电压不平衡度做了详细规定并且给出了相应的计算算法。配出中性导体的IT系统属于典型的三相四线制加保护线系统，负载不平衡时，相对中性导体电压中一般含有零序分量，因此推荐采用GB/T15543-2008.B1规定的计算算法，方法简单，同时也可以反映三相电压相位不平衡。

图1 配出中性导体的IT系统原理图

负序电压不平衡度是指电压负序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比，用εU2表示，其计算表达式如下：

1.2 中性导体电流

配出中性导体的IT系统与TN系统的本质区别就在于中性导体的配出并且对地绝缘。在TN系统中，因单相负载不平衡导致的基波剩余电流或者非线性负载导致的零序谐波电流随中性线与等电位接地保护线的不同连接，分布也各有不同。现行标准规定：在TN及TT系统接地型式的低压电网中，当选用Y,yn0结线组别的三相变压器时，单相不平衡负荷引起的中性线电流不得超过低压绕组额定电流的25%，同时其一相电流满载时不得超过额定电流值[7,8]。但是配出中性导体的IT系统遇到同样的不平衡负载时，不平衡电流均经过中性导体，导致中性导体电流较大，不仅考验系统其它方面的性能指标是否合格，同时也关系到该系统中性导体的选型。因此有必要研究中性导体电流在同样标准下配出中性导体的IT系统负载不平衡指标。

1.3 中性点对地电压

如图2所示，三相对地电压不平衡时，发生中性点电位偏移。

图2 中性点电位偏移向量图

与TN系统不同的是，配出中性导体的IT系统中性导体对地绝缘。负载对称时，只考虑电缆对地电容、对地绝缘电阻、电缆本身阻抗，中性点电位会有一定程度漂移，但幅值较小。实际负载运行时中性点电位受各相对地绝缘电阻影响，而各相对地绝缘电阻随负载的增多、温度、湿度等发生很大变化，各类检测仪表接入系统（由系统自身电源供电），也将牵制中性导体对地绝缘电阻进而影响中性点电位大小。

1.4 畸变率

总谐波畸变率THD（total harmonic distortion）是衡量系统谐波的重要指标。

电压谐波总畸变率THDU定义为：

其中Un为n次谐波电压有效值；N是考虑到的最高谐波次数；U1为基波电压有效值。将上式中的电压有效值换成电流有效值即为电流畸变率。

2 负载不平衡测试

我单位与江苏镇安电力设备有限公司合作搭建了配出中性导体的IT系统原型系统，基本原理如图1所示，高压侧由第一级变压器引入市电并进行升压隔离，再经D,yn11接法的配电变压器配送至各级负载。采用20 kW三相电阻箱模拟三相线性负载，自制水电阻作为线性不平衡负载。非线性负载采用三相或者单相不可控式整流器模拟，其功率大小由直流侧水电阻调节。

数据采集系统采用ISB2703模块，传送至主机，随不平衡负载的增加进行实时分析。另外，变压器负载侧中性导体与地线间安装接地开关，保证在同样条件下测量配出中性导体的IT系统与TN系统数据，增强参数的可比性。

2.1 线性负载不平衡试验

三相线性负载平衡时，加载C相线性负载功率，至中线电流比大于25%，观察系统运行情况，测得的数据导入Simulink/MATLAB中分析如下。

图3 负载电压随中性导体电流变化趋势

将以上实验数据分析可知：

1） 负载电压波动随中线电流比增加的变化规律见图3，中线电流比由0（分别示系统空载和负载对称）增至33.1%时，各相对中性导体电压均有不同程度跌落，A相电压由空载的234.2 V降至229.8 V，波动-1.88%；B相电压由空载的234.5 V跌落至228.0 V，波动-2.77%；C相电压由空载时的234.9 V跌落至225.6 V，波动-3.96%。电压波动均在国标规定的-10%范围内[7,8]，也符合诸多负载要求的-7%范围。

图4 电压不平衡度随中性导体电流变化趋势

图5 负载电流随中性导体电流变化趋势

表1 线性负载不平衡中性点电位变化

2）负载电压不平衡度随中线电流比变化如图4所示，与TN系统相比较，配出中性导体的IT系统不平衡度由空载时的0.2%增至1.7%，稍有波动，性能较好。当中线电流比为33.1%时，εU-%依然未超过规定值2%[5,6]。

3）随C相负载不平衡负载增加，除C相负载电流逐级增大外，A、B两相电流保持稳定并有略微下降，这是因为试验中电缆以及变压器有一定阻抗，负载电压随不平衡电流增加有所下降，但是波动范围较小，不会对三相负载正常工作造成影响。

4）由表1可知，由空载到负载不平衡，系统不平衡程度逐渐增大，中性点电位波动明显，但均为未超出20 V范围，这说明UN受诸多因素的影响而不稳定，不仅仅是负载不平衡这一因素，使用中应当注意。

2.2 非线性负载不平衡试验

三相线性负载平衡背景下，加载C相整流负载的功率，至中线电流比大于25%，观察系统电能质量情况。

表2 非线性负载不平衡畸变率及中性点电位变化

由表2数据分析知，从空载到负载平衡，电流和电压总畸变率均符合IEC标准和我国标准对谐波限值的规定。随着非线性负载功率增大，C相电流电压畸变率急剧增大，同时其B、C相电流与电压畸变率也逐渐增大。中线电流比为24.8%时，C相电流谐波含量较大，电压畸变率也已经超出限值，属于典型的电流畸变引发的负载电压畸变，同实际电力系统带非线性负载运行时的情况相同，应当采取相关滤波措施治理谐波，改善电能质量。此外中性点电位随负载增大而总体上升，但没有呈现出明显变化规律，同上一节实验结果一致。

图6 负载电压波动

图7 负序电压不平衡度变化

结合图6不难得出，UCN随负载不平衡度的增加降落幅度较为明显，由空载时的233 V跌落至228.2 V，跌落-2.1%，A、B略有波动但是幅度较小。

如图7所示，TN系统与配出中性导体的IT系统负序电压不平衡度曲线相互交错，当中线电流比为29.6%和35.7%时，电压不平衡度最大为1.8%，小于标准2%的规定，这表明配出中性导体的IT系统中性导体承受25%的单相不平衡电流时，电压不平衡度以及电压波动均满足标准和负载供电要求。

图8 负载电流波形及C相电流谐波分布（中线电流比为35.7%）

C相负载电流因整流器负载的加入畸变较为严重，造成变压器内部磁路不平衡，导致A、B相电压发生变化，所以电流也发生畸变。其中C相电流谐波分布如图8（b）所示，导致负载电流波形恶化的主要原因是零序谐波以及5次谐波，这也是三相四线制配电系统带非线性负载时谐波分布的特点之一。

图9 负载电压波形及C相电压谐波分布（中线电流比为35.7%）

由图9和表2可知，负载电压的畸变主要是由于畸变电流在变压器绕组产生了压降以及磁路不对称所致，中线电流比为35.7%时，C相负载电压已发生严重畸变，超出IEC标准对THDU8%[9]的要求，且电压分布中存在大量的零序谐波电压以及5次谐波，应采取APF或者APF与无源滤波器的配合消除谐波即可，经济环保。

3 结束语

分析了电压不平衡度、中性导体电流、以及中性点电压、畸变率等指标对配出中性导体IT系统研究的意义和必要性，实验证明，与TN系统相比，配出中性导体的IT系统带单相线性负载平衡时，同样上述四方面的指标均能满足现行标准要求，具备不平衡带载能力；带单相非线性负载不平衡时，相关指标的分析表明系统具备非线性负载不平衡带载能力，但是笔者建议，采用目前成熟的滤波技术对负载电流进行治理，以保证电流畸变率较小，且不会导致电压畸变率超标。总体而言，配出中性导体的IT系统具备良好的不平衡负载能力，其发展应当予以重视。

[1] 王巍, 王金全, 徐晔, 付尚琛. IT系统配出中性导体问题简析[J]. 建筑电气, 2011, 30(11): 47-50.

[2] 金伟一, 王金全, 刘俊义, 王坤. 配出中性线的IT系统及其接地故障分析[J]. 电气技术, 2010(1):55-58.

[3] 杨涛, 王金全, 王巍, 宋鹏超. 配出中性导体的低压IT系统综述[J]. 船电技术, 2012, 32(8):43-46.

[4] 魏秀明. 电能质量的三相不平衡问题的研究[D].南京理工大学, 2012.3.

[5] GB/T 15543-1995.电能质量 三相电压允许不平衡度[S].北京：中国标准出版社1995.

[6] GB/T 15543-2008电能质量 三相电压允许不平衡度[S]. 北京：中国标准出版社, 2008.

[7] GB50054-1995低压配电设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社.1996.

[8] GB50052-2009供配电系统设计规范[S] . 北京: 中国计划出版社, 2009.

[9] 徐政 译. 电力系统谐波基本原理、分析方法和滤波器设计（第一版）[M]. 北京:机械工业出版社, 2007:117-122.