关于电力系统三相不平衡问题的研究

陕西长武亭南煤业有限责任公司 杨桂磊

关于电力系统三相不平衡问题的研究

陕西长武亭南煤业有限责任公司 杨桂磊

本文主要根据现有电能质量国家标准，对电力系统使用中，三相不平衡的基本概念和计算方法、三相不平衡国家标准、三相不平衡现象的危害以及现有治理三相不平衡的方法进行了研究与总结，并对我国现有电能质量标准提出了改进点。

三相不平衡；电能质量；国家标准

1 电力系统三相不平衡基本概念以及计算式

1.1 基本概念

根据电力系统理论定义，电力系统可以分为单相电力系统和多相电力系统两大类。在多相电力系统中，又可以分为对称电力系统与非对称电力系统；其中，对于m相系统，各相电量（电流、电压与电动势等）均相等，且相位相差2π/m被称为对称系统。而多相电力系统系统根据负荷情况，又可以被分为运行于平衡状态或不平衡状态，平衡状态下的电力系统电量瞬时值是时不变的，而非平衡状态下的电力系统电量瞬时值随时间而改变。对称电力系统一定运行于平衡状态下，但是不对称电力系统运行状态可以是平衡的，也可以是不平衡的。本文所研究的电力系统不平衡现象是针对三相电力系统的，而三相系统中，不对称电力系统一般运行于不平衡状态下，因此对于“不平衡”与“不对称”没有作严格区分。

1.2 三相不平衡度算式

负序分量含有率或者正序分量含有率（即百分比）通常被用来表示三相电量的不平衡度。

当电压或者电流产生不平衡时，如果对其进行分析，则需要将其分解为三相对称的向量，即零序、正序、和负序，其算式如下：

式(1-1)可以表示为向量图，利用图解法就可以算出各个分量。而实际工作中，使用更为频繁的是正三角形作图法，如图1-1所示。

假定K,L,M为三相线电压，与三相相电压A,B,C一一对应。

若将式（1-2）带入式(1-1)，可得：

由上分析可以看出，为了得到量3A1和3A2，只需要在图中作辅助三角形，以BC为边，作两个等边三角形PBC和QCB，见图1。其中：

图1 不平衡电压的位形图

三相电压不平衡度的准确算式为：

同理，三相电流不平衡度也可用相应的公式计算。

当三相电量中不含有零序分量时，还有简化算法，本文不作分析，见式(1-7)：

在工程应用时，对某公共连接点（PCC）造成的不平衡度进行估算时，常用下列公式：

式中，I2为负荷电流的负序分量，U为线电压，SK为PCC短路容量。对于接于相间的单相负荷时，其所引起的不平衡度由式(1-8)计算。其中SL（MVA）为单相负荷。

2 三相不平衡国家标准分析

我国在电能质量问题上也作了相应的国家标准，由国家技术监督局发布七个电能质量标准作为规定，其中《电能质量 三相电压允许不平衡度》(GB/T 15543-2008)是其中之一。下面将以此为着重点进行分析。

2.1 标准的内容和适用范围

该标准规定了三相电压参数的测量、取值以及计算方法，以及三相电压不平衡的允许度值。因该规定在被制定之时，零序分量所引起的不平衡被认为对于旋转电机的正常运行基本无影响，而且国际上各个国家为不平衡问题制定标准时，绝大多数国家亦不考虑零序分量，仅考虑负序分量所造成的影响，因此规定了其所适用的场合仅限于负序分量所引起的三相不平衡运行状态。此外，标准也规定了在测量三相电压参数时，是在电网正常运行状态下，于公共连接点（PCC）取值，因此由接地故障或相间短路等运行故障引起的电压不平衡也不在考虑之列。近几年由于居民用户中，非线性负荷大量投入使用，产生大量零序电流，造成了一系列的危害（如增加线路损耗，减少变压器出力等），因此在低压系统中，应该考虑由于零序分量引起的不平衡问题。

2.2 三相电压的允许不平衡度值

根据负荷中重要设备（如旋转电机等）的用电标准，对电网运行过程中实地调研与分析，以及对国外相关标准以及EMC标准进行大量研究与分析，国家技术监督局颁布了电压的不平衡度允许值标准，标准规定：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%。而在电网实际运行中，电网各个公共连接点的电能质量是不同的，而且处于不断变化的状态中，其与用电设备所规定的标准仍有一定差距，因此国标中又作了相关补充，即“电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定。”

标准还规定了电网负荷中，单独用户的电压不平衡允许度，一般为1.3%，根据公共连接点的电能质量情况，对于电网负荷中的自动保护装置、发电机以及继电保护装置等安全运行要求，用户的电压不平衡允许度也可以作适当变动。

2.3 测量和取值

根据以上分析，对于三相不平衡度的计算仅考虑负序分量引起的不平衡，如取三相线电压，可利用根据式（1-7）推导出的简化算法得到不平衡度；若所取的量中含有零序分量，计算负序分量则需要采用对称分量法。根据标准《电能质量 三相电压允许不平衡度》(GB/T15543-2008)，测取电力系统PCC时，每隔1分钟的整数倍测取一次，测取时间一般为一周（168h）；测取波动负荷不平度时，测取间隔仍为1min的整数倍，测取时间一般为一天（24h）。关于取值方法，《标准》中规定为“95%的概率值”，在实际计算中，为了方便计算，一般取测量结果前95%的最大值，即舍弃数据中前5%的最大值，取剩余测量值的最大值。对于用电负荷中，日波动量很大的负荷，则按照比例计算，如日累计超标时间超过75分钟，则视为不合格；如果30分钟内，超标时间超过5分钟，仍视为不合格。为了减小用电过程中电压偶然波动的影响，《标准》中规定了每次测量按3s方均根取值。对于离散测量仪，按式(2-1)测取每次结果。

3 三相不平衡的危害概述

当电力系统运行于不平衡状态时，会对电网负荷和用户造成一系列影响，主要为：

（1）对于电机影响最大的是不平衡电压中的负序分量，当电机供电电能中含有负序分量时，其内部会感应反向旋转磁场，即与正序分量的感应磁场方向相反，转子会因此感应出二倍频电压，造成电机铜损与铁损增加，这些损耗集聚于电机内部，会造成一系列的危害。另外二倍频电压还会产生附加振动力矩，危害电机正常运行与出力。据文献资料，当电动机运行于额定转矩时，供电电压中负序分量含有量为4%时，其内部产生的发热将使电动机的绝缘寿命减半。

（2）对于电网中一些敏感负荷（如继电保护装置、自动控制装置等），当电力系统中电压不平衡度过大时，易造成其误动作，严重威胁电网的安全运行。如今电网负荷中大量非线性负荷（如计算机，电焊机，电弧炉等）大量投入运行，其运行过程中会向电网中注入大量非线性高次谐波与负序分量，这些电网谐波与负序分量过大时，就会导致以负序滤过器为启动原件的二次设备误动作。

（3）IEC 146-1-1：1991《半导体变流器》规定了一些换流设备（逆变器、整流器等）供电电压不平度允许值仅为2%，因为电压不平衡会造成此类设备产生附加的谐波电流，危害电网安全。

（4）负荷不平衡会造成变压器和发电机的利用率下降。当三相变压器在极端状况下，仅带单相负载时，由于相电流不能超过额定值，此时变压器或发电机的容量利用率仅为额定容量的55.7%。另外，当变压器二次侧负荷分布不平衡时，承受负荷较大的一相可能会引起内部发热，而造成寿命缩短；并且由于铁芯磁路分布不均，大量漏磁经过变压器箱壁，感应产生的电能将造成变压器发热，产生额外损耗。

（5）对于低压配电网系统中，三相不平衡中的零序分量还会造成很大危害。我国低压配电网通常采用三相四线制系统，零序分量会引起电网中性线电流增大，我们称之为零序电流，当零序电流过大时，会中性线发热，增加损耗，降低供电效率。同时，零序分量还会引起电网中性点漂移，产生电噪声干扰，这对于电网负荷中一些敏感的电子设备（如计算机）的正常运行具有严重威胁。变压器运行规定规程则对变压器运行过程中，中性线电流的限制作了规定，一般为额定电流的25%，但是如今零序电流造成的危害已经日益凸显，这个限定值还需要更加严格。

（6）引起电网损耗增加。

4 现有低压配电网三相不平衡治理方式综述

在现有的《配电网设计规范》中，没有对用户侧负荷分布作出规定，因此造成城市民用电网以及农用电网中大量单相负荷存在，以及不平衡负荷随机投入的现象十分严重，而且对于配电网负荷平均分布设计方法规范的研究很少，不被重视。对于三相不平衡抑制的方法主要是对负荷进行平衡和补偿。

（1）负荷相序平衡

在低压配电网中，引起不平衡的原因主要是负荷不平衡。负荷相序平衡的原理就是将三相电网中各相序的负荷很好地平均分配，则可以解决这个问题。其主要思路是，在不改变配电网初始建设架构的前提下，依靠人工或自动换相装置将负荷进行平均分配。

（2）配电网重构

配电网重构是电网运行过程中，使用较多也是最有效的平衡三相负载的手段。它主要是通过改变网络中联络开关的开合状态，实现馈线或变压器之间的负荷转移，最终达到降低网络损耗、平衡负荷和提高电能质量的目的。

（3）负荷补偿

这种补偿方式是由于近年来智能控制方法的逐步应用，电力电子设备的突飞猛进以及计算机控制的大量应用，一些大功率、高度可控的电力电子装置可以大量使用。一些无功补偿与谐波治理装置（如STATCOM、APF等），可以通过对不平衡负载的直接补偿，可以对三相电网中不平衡现象进行快速并有针对性的治理。这类装置被认为是未来解决三相不平衡问题的有效措施。

5 小结

通过对三相不平衡算式的分析，以及对现有三相不平衡国家标准的分析，可以认为现有对不平衡电流电压的计算方式具有一定的准确性，而现有的国家标准仍有一定的扩充范围，比如如今低压配电网单相负荷不平衡现象已经十分严重，其产生的零序电压电流分量对电网造成的影响以及不容忽视，因此需要对此部分进行改进和扩充；在《配电网设计规范》中还需要对负荷分布进行规范，减小四线制系统中零序电流的产生；如今民用配电网中大量具有非线性、冲击性的负荷投入，以及民用负荷的随机性投入决定了低压配电网零序电压电流分量不可忽视，这也决定了对于负荷补偿装置的研究是非常具有现实意义和紧迫性的。

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