三相不平衡度测量仪标准装置的研究

2014-12-19张煌辉王榕模

质量技术监督研究 2014年4期

方杰，张煌辉，王榕模

（福建省计量科学研究院，福建福州 350003）

1 引言

在三相交流电力系统中，三相不平衡是指三相电压（或电流）幅值不同或相位差不是120º，或兼而有之。而不平衡度是指三相的不平衡程度。用电压、电流的负序基波分量或零序基波分量的均方根值百分比表示[1]。三相不平衡分两个方面：事故性不平衡和正常性不平衡。作为电能质量传统指标之一的三相不平衡度限值是针对三相元件或负荷不对称引起的正常不平衡运行工况而定的。三相电压或电流不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害，主要有以下几个方面[2]：（1）引起旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和正常出力；（2）引起以负序分量为启动元件的多种保护装置发生误动作（特别是电网中存在谐波时），会严重威胁电网的安全运行；（3）电压不平衡使发电机容量利用率下降，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不能超过额定值；（4）变压器的三相不平衡，不仅使负荷较大的一相绕组过热导致其寿命缩短，而且还会由于磁路不平衡，造成附加损耗；（5）对于通信系统，电力三相不平衡，会增大对其干扰，影响正常通信的质量。三相不平度测量仪器主要分为如下几类：（1）负序滤过器型测量仪；（2）调制型负序测量仪；（3）旋转磁场型负序测量仪；（4）数字型序分量测量仪。随着电子技术的应用与发展，目前市面上流行的三相不平衡度测量仪器主要是数字型，能够直接测量出三相的幅值和相位数据，给出三相不平衡度的分析值。文中针对此类仪器开展了测量标准装置的研究。

2 三相不平衡度分析与计算方法

在分析电力系统三相电气元件和参数中，广泛使用对称分量法。将三相系统中的电量分解成正序分量、负序分量及零序分量。这种方法是将电路不对称部分化为电压、电流不对称的边界条件，其余的电路视为对称的线性电路。而任何一组不对称的三相相量都可以分接成相序各不相同的3组对称的三相相量，即零序分量正序分量和负序分量根据GB/T 15543-2008 ，三相不平衡度由测量所得的三相幅值和相位数据，依据式（1）和式（2）计算出，

3 三相不平衡度测量仪测量标准的建立

3.1 测量标准的功能配置

三相不平衡度测量仪的设备配置如图1所示。计算机作为控制单元完成不平衡度分析值的计算，三相功率源提供三相独立的幅值和相位信号，三相标准表完成三相幅值和相位的测量。利用三相标准表可以克服三相标准功率源输出信号不准确和不稳定的缺点，进一步提高三相不平衡度测量指标，从三相不平衡度的计算公式可知，要完成测量过程需要通过测量得到三相幅值和三相相位数据，然后将这些数据传送到计算机交给编制的测量程序进行处理，从而得到三相不平衡度的标准值。不平衡度示值计算流程如图2所示。

图1 测量标准硬件配置图

图2 三相不平衡度数值计算流程

3.2 测量标准的技术指标

在所建立的标准中，采用0.05级的三相标准功率源，其三相幅值的稳定度为0.01%，相位的稳定度为0.01º；三相标准表采用0.01级高精度标准电能表。根据GB/T 15543-2008和GB/T 12325-2005中规定，三相电压不平衡度的误差限值为±0.2%，三相电流不平衡度的误差限值为±1%，因此测量标准的总不确定度设计为以下指标较为合适：

（1）三相电压不平衡度：0.05%。

（2）三相电流不平衡度：0.1%。

4 三相不平衡度测量仪校准方法

开展三相不平衡度测量仪的校准首先需要明确以下几个问题：

（1）不平衡度的限值

按有关国标规定，三相电压不平衡度的限值为

式中：2%和4%，三相电流不平衡度的限值为10%和30%。

（2）三相不平衡度分析值的影响量

三相幅值和三相相位是影响三相不平衡度的六个参量，其中任何一个参量数值的变化都将引起分析值的改变。此外，幅值和相位在相同误差下，对分析值测量误差的影响尺度不一样。

（3）测量与取值的有关问题

按国标规定，测量应在电力系统正常方式下运行，不平衡的负荷处于正常、连续的工作状态下进行，这个情况说明了测量标准在合成信号时，将不考虑电网运行故障方式下的信号特征，比如说单相对地短路；另外在取值方面，每个不平衡度测量值的记录间隔为1min，每次读数的时间为3s，且不少于6次的读数，由各次读数的平均值作为不平衡度的测量值。

（4）信号典型设置

三相不平衡度的信号合成是比较困难的一个过程，国标中虽然规定了限值，却没有给出相应限值下的信号设置指南，造成实际的三相不平衡度测量比较随机，无法模拟实际的电网运行特征。在考虑开展三相不平衡度测量仪的校准中，考虑了将6个参量可能的变化特征进行抽象，整理出典型信号的设置方法。

4.1 三相不平衡度测量仪校准项目的规定

在实验研究的基础上经过归纳与分析，认为与不平衡度测量有关的因素可以分成两个方面：其一、测量标准的幅值测量误差和相位测量误差单独或组合对不平衡度测量结果的影响；其二、测量标准三相测量误差的一致性与被检测量仪三相测量误差的一致性差异对不平衡度测量结果的影响。基于这些考虑，拟规定表1所示的校准项目。

表1 校准项目

容易验证测量标准的三相幅值误差与不平衡度的测量误差无线性关系，所以测量时，应对应不同的量程。另外幅值测量误差和相位测量误差对不平衡度分析结果响应尺度不同，并且测量标准和被检测量仪在二者上的测量准确度更是迥异，因此相位独立设置也需作为考查仪器性能的一个因素。当有两相的相位平衡改变时，根据负序分析法公式可以验证不平衡度分析结果与一相相位改变相同。基于以上这些分析规划了一下五个方面的试验内容：

（1）一相幅值改变；

（2）一相相位改变；

（3）两相以上幅值改变；

（4）一相的幅值和同相相位改变；

（5）两相以上幅值和相位改变。

4.2 三相不平衡度测量仪校准程序

依据图1连接好测量线路，K2006的电压输入端子与被检测量仪对应相别并联后与三相功率源的电压回路相连，电流输入端子与被检测量仪对应相别串联后与三相功率源的电流回路相连。依据表2和表3规定的校准点设置开展校准。由于三相功率源不可能准确按设置规定输出信号，所以应将K2006测量的幅值和相位数据按负序分析法公式计算得到不平衡度分析值作为标准值，此时读取被检测量仪的不平衡度示值，按公式（5）计算不平衡度测量误差。