1、Lin Haixue （China Electric Power Research Institute， Beijing 100085， China）林海雪 （中国电力科学研究院 ， 北京市 100085）Lecture Five Standards of Three-phase Voltage Unbalance第5讲 三相电压不平衡标准电 能 质 量 国 家 标 准 系 列 讲 座Lectures on National Standard of Power Quality作者信息林海雪 ， 男 ， 中国电力科学研究院 ， 教授级高级工程师 。摘 要 阐述引起三相电压不平衡的主要因素及危害
2、， 介绍三相不平衡度的计算方法 。 对国家标准GB / T 15543 - 2008 电能质量 三相电压不平衡 的内容 、 适用范围 、 电压不平衡度的允许值 、 不平衡度的测量和取值及改善三相不平衡的措施等进行解读 。关键词 国家标准 电能质量 电压不平衡 公共连接点 （PCC）1 概论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 。 由于系统阻抗不对称而引起的背景电压不平衡度 ， 很少超过 0. 5 %。 一般架空电网的不平衡度或不平衡电压不超出 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 ，
3、其换位是在变电所母线上实现的 。 电缆线路的不对称度等于零 ， 因为无论是三芯电缆或单芯电缆 ， 各相芯线对接地的电缆金属外皮来说都处于平衡的位置 。电力系统三相电压平衡程度是电能质量的主要指标之一 。 三相电压不平衡过大将导致一系列危害 。 国家标准 GB / T 15543 - 2008 电能质量 三相电压不平衡 是针对高压电力系统正常工况下电压不平衡而制定的 。 这种电压不平衡主要是由三相负荷不对称引起的 。 电气化铁路 、 交流电弧炉 、 电焊机和单相负荷等均是三相不对称负荷 。在中性点不接地系统 （6 kV、 10 kV、 35 kV、66 kV） 中 ， 当消弧线圈调谐不当和系统对
4、地电容处于串联谐振状态时 ， 会引起中性点电压过高 ， 从而引起三相对地电压的严重不平衡 。 DL / T 620 - 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 规定 ， 中性点电压位移率应小于 15 % 相电压 。 需要指出 ， 这种由零序电压引起的三相电压不平衡并不影响三相线电压的平衡性 ， 因此不影响用户的正常供电 ， 但对输电线 、 变压器 、 互感器 、 避雷器等设备的安全是有威胁的 ， 也必须及时消除 ， 这方面内容不属于本标准范围 。Abstract This paper describes the main factorsthat result in three -phase
5、 voltage unbalance and itsharm， introduces the method for calculation of three-phase voltage unbalance， and elaborates the contentand scope of application of the national standardGB/T 15543-2008 Power QualityThree-phase VoltageUnbalance， allowablevoltageunbalancevalues， unbalancefactor measurement a
6、s well as measures for improvingthree-phase voltage unbalance.Key words National standard Powerquality Voltage unbalance Point of commoncoupling （PCC）电能质量国家标准系列讲座 第 5 讲 三相电压不平衡标准 （林海雪 ）专 家 讲 座25593Oct. 2011 Vol. 30 No. 10誖BUILDINGELECTRICITY2 011年 第 期10（1）2 三相电压不平衡的危害a. 当电机承受三相不平衡电压时 ， 将产生和正序电压相反的旋转
7、磁场 ， 在转子中感应出两倍频电压 ， 从而引起定子 、 转子铜损和转子铁损的增加 ， 使电机附加发热 ， 并引起二倍频的附加振动力矩 ， 危及安全运行和正常出力 ； 据国外文献介绍 ， 当电动机在额定转矩下负序电压为 4 % 运行时 ， 仅由于附加发热 ， 其绝缘寿命就缩短一半 。b. 如果在电力系统中有较大的不平衡电压 ， 特别是一些动态的非线性不平衡负荷 （如电弧炉 、 电气化铁路 、 电焊机等 ）， 则将在其近区电网中出现较高的负序和谐波水平 。 在负序和谐波的共同作用下 ， 就会造成以负序滤过器为启动元件的继电保护和自动装置误动作 。 这对电网安全运行是有严重威胁的 。c. 电压不平
8、衡使换流设备产生附加的谐波电流 （非特征谐波 ）， 而这种设备一般在设计上只允许2 % 的不平衡度 （见 IEC 146 - 1 - 1： 1991 半导体变流器 ）。d. 电压不平衡使发电机和变压器的容量利用率下降 ： 由于不平衡时最大相电流不能超过额定值 ， 在极端情况下 ， 只带单相负荷时则设备利用率仅为13%姨= 0. 577。变压器的三相负荷不平衡不仅会使负荷较大的一相线圈可能绝缘过热导致寿命缩短 ， 而且还会由于磁路不平衡 ， 大量漏磁通经箱壁使其严重发热 ， 造成附加损耗 。e. 对计算机系统的干扰 。 通常我国低压采用三相四线制 TN、 TT 系统供电 。 由于三相不平衡必然在
9、中性线上出现不平衡电流 ， 同时还有波形畸变等因素引起的 3 倍数次谐波电流 。 在不平衡较严重时 ， 中性线过负荷发热 ， 不仅增加损耗 ， 降低效率 ， 还会引起零电位漂移 ， 产生电噪声干扰 ， 致使计算机无法正常运行 。 变压器运行规程规定 Y， yn0 连接的变压器中性线电流限值为额定电流的 25 %， 而对于计算机电源 ，这个限值应更严一些 ， 在 5 % 20 % 范围为宜 。f. 电力损耗 （线损率 ） 是电网运行经济性的标志 。 当电网给不对称负荷供电时 ， 会使电力损耗增加 。 研究指出 ， 在理想电源条件下 ， 在不平衡和平衡电流下运行的损耗之比约为 （1 + 21），
10、如果三相电流不平衡 ， 负序电流为 25 %， 则有功功率损耗将达1 + 0. 252= 1. 06 倍 。 显然三相电流越不平衡 ， 则造成的损耗越大 。g. 在低压系统中如三相电压不平衡 ， 对照明和家用电器正常安全用电会造成威胁 ， 因为这类设备大多数为单相用电 。 如接在电压过高的相上用电 ， 则会使设备寿命缩短 ， 以致烧坏 ； 如接在电压过低的相上用电 ， 则设备不能正常运转和照度不足 。3 对称分量及三相不平衡算式三相电量的不平衡度通常以负序分量与正序分量的百分比表示 。根据电工理论 ， 任何一组不对称的三相相量 （如电压 、 电流等 ） 、 和 都可以分解为三组对称的相量 ，
11、即 ：零序0，00， 0正序1，1 a21，1 a1负序2，2 a2，2 a22式中 ： a 相角旋转 12023姨 姨的算子 。而 ：零序分量013（ + + ）正序分量1=13（ + a + a2）负序分量2=13（ + a2+ a ）当三相电量 K、 L、 M 中不含零序分量时 （例如三相线电压 ， 无中性线的三相线电流 ）， 可以利用解析几何的方法推导出求三相不平衡度的更为简洁的计算式 （即国际中推荐的准确算式 ）：%姨A2A1=1 - 3 - 6%姨1 + 3 - 6%姨（2）及U=A2A1 100 （3）式中 ： =K4+ L4+ M4（K2+ L2+ M2）2与此类似 ， 三相电
12、流不平衡度 1， 也可用其相应的公式计算 。工程上为了估计某个不对称负荷在公共连接点上造成的不平衡度 ， 可用下列公式 ：U=3%姨 I2 UL10 SSC（） （4）26594式 中 ： I2 负荷电流的负序分量 ， A；UL 线电压 ， kV；SSC 公共连接点的短路容量 ， MVA。实际上 ：U=U2U1 100 （）=I2ZU1 100 （）I2ISC 100 （）=3%姨 I2 U10 SSC（%）式中 ： U1 三相电压的正序分量方均根值 ， V；U2 三相电压的负序分量方均根值 ， V；Z 系统等值阻抗 ， 。公式推导中近似认为 U1= U； Z2= Z。接于相间的单相负荷为 S
13、L（MVA） 时 ， 其所引起的不平衡度可用更为简单的近似公式计算 ：U=SLSSC 100 （5）事实上 ， 已知单相负荷电流 I 时 ， 由式 （1） 很容易求得负序电流 I2和 I 的关系为 I2= I / 3%姨， 于是 ：U=U2U1 100 （%）I2ISC 100 （%）=SLSSC 100 （）式 （2）、 （4） 和 （5） 均为国标中推荐的公式 （见GB / T 15543 - 2008 附录 A 不平衡度的计算 ）。4 三相电压不平衡国家标准国家标准 GB / T 15543 - 2008 电能质量 三相电压不平衡 （以下简称 标准 ） 是电能质量系列标准之一 。4 1
14、标准 的内容和适用范围标准 规定了三相电压不平衡度的限值 、 计算 、测量和取值方法 。 标准 只适用于负序基波分量引起的电压不平衡场合 ， 国际上绝大多数有关电压不平衡的标准均是针对负序分量制定的 ， 因此 标准 暂不规定零序不平衡限值 。此外 ， 标准 只适用于电力系统正常运行方式下的电压不平衡 。 故障方式引起的电压不平衡 （例如单相接地 ， 两相短路故障等 ） 不在考虑之列 。 由于电网中较严重的正常电压不平衡往往是由于单相或三相不平衡负荷所引起的 ， 因此 标准 的衡量点选在电网的公共连接点 （PCC）， 以便在保证其他用户正常用电的基础上 ， 给干扰源用户以最大的限值 。 实际上一
15、个大用户 （例如 ： 钢铁企业 ） 内部有多个连接点 ，负序干扰源在内部连接点上引起的不平衡度一般大于在 PCC 上引起的不平衡度 。4 2 电压不平衡度的允许值 标准 4.1条规定 “电力系统公共连接点电压不平衡度限值为 ： 电网正常运行时 ， 负序电压不平衡度不超过 2%， 短时不得超过 4 %”。 这是基于对重要用电设备 （旋转电机 ） 标准 ， 电网电压不平衡度的实况调研 ，国外同类标准以及电磁兼容标准全面分析后选取的 。作为电能质量指标的电压不平衡度 ， 在空间和时间上均处于动态变化之中 ， 从整体上表现出统计的特性 ， 因此 标准 中规定用 95 % 概率大值作为衡量值 。 也就是
16、说 ， 标准 中规定的 “正常电压不平衡度不超过 2 %” 是在测量时间 95 % 内的限值 ， 而剩余 5 % 时间可以超过 2 %。 但过大的 “非正常值 ” 时间虽短 ， 也会对电网和用电设备造成有害的干扰 ， 特别是对有负序启动元件的快速动作继电保护和自动装置 ， 容易引起误动 。 因此 标准 对最大允许值作了“短时不得超过 4 %” 的规定 。标准 4. 2 条规定 “接于公共连接点的每个用户引起的该点负序电压不平衡度允许值一般为 1. 3 %，短时不超过 2. 6 %”。 这是参考了国外相关规定 ， 并考虑到不平衡负荷是电网中少数特殊负荷而定的 。 但实际情况千差万别 ， 因此 ，
17、 还规定 “根据连接点的负荷状况以及邻近发电机 、 继电保护和自动装置安全运行要求 ， 该允许值可作适当变动 ”。为了使时间概念更为明确 ， 标准 中引用了电能质量术语 （电力行标报批稿 ） 中关于 “瞬时 ”、 “暂时 ” 和 “短时 ” 的定义 ， 其中 “短时 ” 是指时间范围为 3 s 1 min。4 3 不平衡度的测量和取值标准 6 条中明确了对测量条件 、 测量时间 、测量取值和测量仪器的要求 。 其中测量仪器的基本测量间隔为 10 个周波 ， 按基波有效值平方的算术平均值平方根求出 3 s、 1 min 和 10 min 的输出 ， 这个求法 就 是 IEC 61000 - 4
18、- 30： 2003 Electromagneticcompatibility（EMC） Part 4： Testing and measurement专 家 讲 座电能质量国家标准系列讲座 第 5 讲 三相电压不平衡标准 （林海雪 ）27595Oct. 2011 Vol. 30 No. 10誖BUILDINGELECTRICITY2 011年 第 期10techniques Power quality measurement methods 的规定 （本讲座第 1 讲中已作了解释 ）。 但 标准 中为顾及现有仪器的误差 ， 电压不平衡度的测量误差规定为 0. 2 %， 比 IEC 61000
19、 - 4 - 30 中 A 级仪器0. 15 % 的规定要大些 。对用户虽然规定了电压不平衡度的限值 ， 但由于背景电压中也存在不平衡 ， 因此负序发生量监测宜用电流 。 标准 规定 ： “电压不平衡度允许值一般可根据连接点的正常最小短路容量换算为相应的负序电流值作为分析或测算依据 ”。 由电压不平衡度换算为负序电流值 ， 标准 中推荐的近似公式即为式 （4）。该式是假定公共连接点电网的等值正序阻抗与负序阻抗相等的前提下推出的 ， 而这个假定条件只有在离旋转电机电气距离较远的节点 （即线路和变压器阻抗在等值阻抗中占绝对优势 ） 才成立 。 因此 标准 中特别指出 ： “邻近大型旋转电机的用户
20、， 其负序电流值换算时应考虑旋转电机的负序阻抗 。”关于取值方法 ， 前面已提及的 “95 % 概率值 ”。标准 规定 ， 为了实用方便 ， 实测值的 95 % 概率值可将实测值按由大到小次序排列 ， 舍弃前面 5 % 的大值 ， 取剩余实测值中的最大值 。 对于日波动负荷 ， 也可以按日累计超标时间不超过 72 min， 且每 30 min中超标时间不超过 5 min 来判断 。 注意 ， 72 min 正好是一天的 5 % 时间 。 至于限制每 30 min 中超标时间不超过 5 min， 则是从保护电机不至因负序持续作用引起过热角度而规定的 。为了减少偶然性波动的影响 ， 标准 中规定了
21、每次测量按 3 s 方均根取值 。 对于离散采样的测量仪器 ， 推荐按下式测取每次结果 ： =1m%姨2k = 1k（6）式中 ： k 在 3 s 内第 k 次测得的不平衡度 ；m 在 3 s 内均匀间隔取值次数 （m 6）。对于特殊情况 ， 也可由供用电双方另行商定每次测量的取值方法 。应指出 ， IEC 61000 - 4 - 30 中对测量仪器要求10 周波无缝连续采样 。 例如 3 s 内应取值 15 次 （即m = 15）， 标准 中规定 m6 是照顾现行国产仪器状况而定的 ， 新的仪器最好执行 IEC 标准规定 。5 改善三相不平衡的措施由不对称负荷引起的电网三相不平衡 ， 可以采
22、用下列方法解决 ：a. 将不对称负荷分散接到不同的供电点 ， 以减小集中连接造成不平衡度超标问题 ；b. 使不对称负荷合理分配到各相 ， 尽量使其平衡化 （换相连接 ）；c. 将不对称负荷接到更高电压级上供电 ， 以使连接点的短路容量 SSC足够大 （例如对于单相负荷 ，SSC大于 50 倍负荷容量时 ， 就能保证连接点的电压不平衡度小于 2 %）；d. 采用平衡装置 。下面先介绍平衡化的基本原理 ：最简单的例子是如图 1 （a） 所示的单相电阻负荷 R， 它是不平衡的三相系统 。 图 1 （b） 是在其他两相分别适配电抗为 jL = j 3%姨 R的电感和电抗为1jC= - j 3%姨 R的
23、电容 ， 二者产生谐振 ， 则可构成平衡的三相系统 ， 该平衡的三相系统的相量图如图 2所示 。 图 2 中 ， 电容电流bc超前电压bc90， 电感电流ca滞后电压ca90， 电感和电容电流方均根值图 2 平衡化三相系统的相量图Fig. 2 Phasor diagram of equilibrium three-phase system图 1 三相平衡化电路Fig. 1 An three-phase equilibrium circuit（a） 单相电阻负荷（a） Single-phase resistance load （b）Equilibrium three-phase system（b
24、） 平衡化三相系统28596相 等 ， 恰能构成电感和电容谐振的条件 。 电阻电流ab与电压ab同 相 ， 电 阻 电 流 的 方均根值是电感和电容电流方均根值的 3%姨倍 。 由a=ab-ca、b=bc-ab和c=ca-bc， 可以看出此三相电流a、b、c的方均根值相等 ， 其相互相位差 120。 而经由上述平衡化电路 ， 可将不平衡的三相系统变换成平衡的三相系统 。在上述简单的平衡化例子基础上 ， 可以导出一般不平衡三相负荷的平衡化原理 （即 Steinmetz 原理 ）。此原理的要点为 ：a. 三相不平衡负荷 ， 不论是什么接线 ， 均可以转化成等效三角接线的不平衡负荷 ；b. 对于每相
25、负荷 ， 均可以用一等值电阻 （代表有功功率 ） 和电抗 （代表无功功率 ） 并联表示 ；c. 每相负荷的平衡原则如下 ： 无功功率平衡 ： 在另两相并上同样的电抗 （或无功功率 ）； 有功功率平衡 ： 按图 1 所示 ， 在另两相并上相应的电容和电抗 （也可以用等效的无功功率 ）。d. 综合三相无功和有功平衡补偿要求 ， 求出每相所需的无功补偿量 。实际上 ， 负荷常用有功和无功功率来表示 ， 如图 3 所示 。 则每相的补偿无功可由下式得到 ：Qabr= - Qab1+ （Pca1- Pbc1） / 3%姨Qbcr= - Qbc1+ （Pab1- Pca1） / 3%姨Qcar= - Qc
26、a1+ （Pbc1- Pab1） / 3%姨（7）式中 ， P 前面的负号表示感性无功功率 ； 正号表示容性无功功率 。由于一般负荷是变化的 ， 平衡装置应做成可调节的 。 这种调节可以是分级的 ， 也可以是连续的 。 对于单相负荷 ， 最简单的分级可调节的平衡装置如图 4 所示 。 图中所列的两个方案的区别只是电抗器调节方式不同 （分组投切或变换抽头 ）。 这种方案的缺点是平衡装置的容量较大 （超过负荷的功率 ）， 而且调节范围和精度均有限 。若三相负荷不平衡 ， 且功率因数较低 ， 则可以用三相不同容量的电容器组作平衡装置 ， 如图 5 所示 。装 置 的 总 容 量 由 无功 功 率 补
27、 偿 条 件 来确 定 。 电 容 器 的 三相 容 量 分 配 使 负 序电 流 得 到 补 偿 。 一般情况下 ， 可用两相容 性 元 件 接 到 不 同的线电压上来实现 。诸 如 电 弧 炉 等不对称的冲击负荷造成的电力系统三相电压的严重不平衡 ， 应该用具有快速响应特性的平衡化装置来解决 。 目前电力工程上常用具有分相补偿性能的静止型无功补偿装置 ， 例如 TSC （TSF）、 TCR 和 MCR可以用于这类负荷的补偿 。 这些装置的特点已在第 4 讲中作过简介 。 此外还有些新型的装置 ， 限于篇幅 ， 在此不作进一步介绍 。参 考 文 献1 武汉国测科技股份有限公司 ， 中国电力科
28、学研究院 ，中机生产力促进中心 ， 等起草 . 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 ， 2009.2 电力工业部电力科学研究院高压研究所 ， 起草 .DL / T 620 - 1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 S. 北京 ： 中国标准出版社 ， 1997. 3 International Electrotechnica Commission. IEC61000 - 4 - 30 Electromagnetic compatibility （EMC） Part 4 - 30： Testing and measurement
29、 techniques Powerquality measurement methods S. Geneva.2011 - 07 - 21 来稿图 4 分级可调节的平衡装置Fig. 4 Graded adjustable balancing devices相等 电阻电流与电压 同 相 电 阻 电 流 的 方均根值是电倍 由和 可以看出此三相电流其相互相位差 120 而经由上述平衡化电路可以导出一般即 原理均可以对于每相负荷 代表有功功率 和电抗 代表无功功率 并联表示无功功率平衡 或无功功率 有功功率平衡 按图 所示 在另两相并上相应的电容和电抗求出每实际上 如图 所示式中 正号表示容性无功功
30、率平衡装置应做成可调节的 也可以是连续的 对于单相负荷 所示不同而且调节范围和精度均有限且功率因数较低 则可以用如图 所示装 置 的 总 容 量 由 无功 功 率 补 偿 条 件 来确 定 电 容 器 的 三相 容 量 分 配 使 负 序电 流 得 到 补 偿 一般情况下 可用两相容 性 元 件 接 到 不 同诸 如 电 弧 炉 等不平衡解决止型无功补偿装置 例如 和第 讲中作过简介 限于篇幅 在此不作进一步介绍参 考 文 献等起草 电能北京起草配合 北京000来稿专 家 讲 座电能质量国家标准系列讲座 第 5 讲 三相电压不平衡标准 （林海雪 ）图 3 用功率表示的负荷补偿Fig. 3 Load compensation indicated by power图 5 利用电容器的装置Fig. 5 Devices using capacitors29597
