零序电压综合不平衡度探讨

吕强，徐晔，王金全，方建华

（中国人民解放军理工大学国防工程学院，南京 210007）

0 引言

电力系统电压不平衡度作为电能质量主要指标之一，三相电压不平衡将导致一系列危害[1]。为此，早在1995年国家标准化技术委员会就制订了《电能质量 三相电压允许不平衡度》标准，规定了电压不平衡度的概念及其计算公式，并在第3.1条中要求：“电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2% 短时不得超过4%”[2]；经过十多年的发展，2008年国家标准化管理委员会对该标准进行了重新修订，发布了GB/T 15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》[3]，在 GB/T 15543-1995基础上对电压不平衡度的概念进一步明确，将原来的“电压不平衡度”改为“负序电压不平衡度”，相关指标并未改变；此外也提出了“零序电压不平衡度”的概念，但并未给出限值。总体来看，电压不平衡度标准在逐步完善，和IEC标准接轨，但是上述两个标准只适用于基波电压不平衡度，未提及非线性负载条件下电压不平衡度的概念，近年来有文献[4-6]对比了不同方法计算电压不平衡度的优劣，但是大都依然局限于基波电压不平衡度或直接从电压有效值角度粗略地进行分析，也未提出谐波对电压不平衡度的影响及其定义。本文针对非线性负载条件下的电压畸变及电压不平衡问题，提出了谐波电压不平衡度的概念，并进行了实验验证。

1 电压不平衡度分析

GB/T 15543-2008第3.2条规定：电压不平衡度是指电力系统中三相不平衡的程度。用电压基波负序分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示[3]。但三相四线制配电系统实际运行时，一般会带各类非线性负荷，这必将造成系统非线性负载不平衡，无论正序性、负序性还是零序性谐波电压，其零序分量一方面造成变压器，电动机绕组铁芯漏磁增加，发热严重；另一方面各次谐波次数的增大，绕组发热厉害，最终导致效率下降，绝缘寿命缩短；对计算机等弱电系统产生干扰等。

可见非线性负载条件下谐波电压零序分量对设备的影响影较大，为此文献[8]提出了“综合电压不平衡度”的概念。在对畸变电压经傅里叶分析中，将各次谐波电压再进行对称分量法分解，其中基波和正序性谐波的正序电压、负序性谐波的负序电压和零序性谐波的零序电压计入平衡电压分量；将基波与正序性谐波负序与零序电压、负序性谐波的正序电压与零序电压以及零序性谐波的正序电压和负序电压计入不平衡电压分量，二者的均方根值百分比作为综合电压不平衡度的

定义。

上述定义虽然将谐波电压纳入电压不不平衡度的定义范畴，但是依然存在一些缺点。

该方法默认为因非线性负载不对称导致谐波电压相位不对称时，正序性谐波电压同基波电压相序一致，负序性谐波电压总是与正序性谐波电压相序相反，且把零序分量计入平衡电压部分，这种提法是不严谨的。

如图1所示，Za1、Zb1、Zc1为非线性负载输入端等效阻抗，Za2、Zb2、Zc2为线性负载阻抗，整流器直流侧负载大小、阻抗特性（电阻、电容或电感）、直流滤波电容大小及半导体器件类型等因素的变化均会使Za1等发生改变，导致Ia1发生非线性畸变，且每相畸变程度与大小不尽相同，值得注意地是由于非线性负载阻抗特性不可预测的变化，导致各次谐波电压相位的不对称性变化较为敏感，甚至出现正序性谐波电压相序与基波电压相序相反，而负序性谐波电压则与基波电压相序相同的情况。因此，若统一将正序性谐波电压的正序电压纳入平衡电压部分，有些不妥，负序性谐波电压亦类似；另外，对系统损耗、发热有影响的基波电压零序分量计入平衡电压部分也不合适，由此计算出的综合电压不平衡度值得商榷。综上所述，笔者尝试去提出零序综合电压不平衡度的概念。

2 零序综合电压不平衡度定义

首先将畸变电压波形经过傅氏分解为如下形式：

其中n为谐波次数，n=1,2,3,4…；Un为第n次谐波电压有效值；φn为每相各次谐波电压初相角。

再将各次谐波电压分解为正序分量、负序分量和零序分量，即

平衡电压分量：基波正序电压分量；零序谐波电压分量：基波与各次谐波电压零序分量；零序综合电压不平衡度：

3 谐波电压不平衡度实验

3.1 实验原理

实验原理图如图2所示。变压器容量为315 kVA，10/0.4 kV，Dyn11联接，18.8/455 A；线性负载为三相对称电阻箱，功率为100 kW；非线性负载为单相不控整流器加水电阻，功率可调。

3.2 实验结果分析Ⅱ

加载单相水电阻，使得各相非线性负载不平衡，中线电流由空载时的0 A增至变压器低压绕组额定电流的39%，实验数据通过ISB2703系列数据采集模块传至主机，利用Simulink/MATLAB编写程序进行实时分析。

（注：文中的“中线电流”均指中线电流与变压器低压绕组额定电流的百分比）。

由图3可知，实验过程中，负载电压畸变率均在 IEC61000-2-2要求的 8%[9]以下，中线电流为39%时，A相电压因负载不平衡而超标。

图4表明，非线性负载条件下，电压畸变率满足标准要求，基波负序电压不平衡度U2ε在GB/T 15543-2008要求的2%以下，基波零序电压不平衡度U0ε变化小于0.5%，而零序综合电压不平衡度Uh0ε随非线性负载的增大，中线不平衡电流的增加，呈单调上升趋势，由空载时的 0.13%最大增至 1.85%，此时，变压器各类开关、断路器等设备噪音增大，振动明显。

图5、图7、图9表明随单相不平衡负载的增加，各次谐波电压不断增大。

图6表明随单相非线性负载功率增加，3次（零序）谐波电压三相间的相位并非保持相同，中线电流为 10.3%时，三相电压相位关系为：ACBA（顺时针方向）；中线电流为31.8%时，相序为ABCA。说明随非线性负载不对称的变化，以3次谐波为首的零序性谐波电压相位变化幅度明显，相序不确定性较大。

图8可看出中线电流增加的同时，5次谐波（负序）电压相序变为：ABCA。而图 9当中线电流为19.3%、31.8%时，电压相序为ABCA；中线电流为24.9%、34.9%时，电压相序ACBA。

以上结果说明非线性负载情况下，谐波电压相序变化较敏感，依旧不能有效衡量各次谐波电压引起的负序电压不平衡度，然而随谐波量的增加，零序谐波电压不断增加是可以肯定的，对负载造成恶劣影响也在增大。

4 结语

理论分析及实验表明：与基波负序电压不平衡度和基波零序电压不平衡度相比，零序综合电压不平衡度在电压畸变率未超标时较大，对变压器、电机、开关等设备影响不可忽略，建议应当应当进一步研究综合零序电压不平衡度对电机、变压器等影响程度而制定出标准限值。

[1]林海雪. 三相电压不平衡度标准[J]. 建筑电气,2011, 30(10):26-29.

[2]国家标准化技术委员会. GB/T15543-1995 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.

[3]国家标准化管理委员会. GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压不平衡[S]. 北京:中国标准出版社,2008.

[4]同向前, 王海燕, 尹军. 基于负荷功率的三相不平衡度的计算方法[J]. 电力系统及其自动化学报,2011, 23(2):24-30.

[5]周林, 张有玉, 刘强, 马永强, 武剑. 三相不平衡度算法的比较研究[J]. 华东电力, 2010,38(2):2010-0215.

[6]牟树贞, 齐晓波, 刘芹. 三相电压不平衡度的不同计算方法对比[J]. 科技综述, 2010.

[7]林海雪. 三相电压不平衡标准[J]. 大众用电, 2006,(2):39-42.

[8]周晋, 郭蕾, 黄军, 魏光. 基于对称分量法的变压器谐波传输特性研究[J]. 四川电力技术, 2009,32(1):28-31.

[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]. 机械工业出版社,2007:117-122.