三相不平衡度測量儀校準方法的研究

韓志強/上海交通大學電子信息與電氣工程學院

0 引言

在理想的平衡三相交流電力系統中，三相電壓應有同樣的幅值和頻率，且相位角互差120°，但在實際應用中，電力系統往往不是完全平衡的。引起電力系統三相不平衡的因素主要有事故性和正常性兩大類。事故性不平衡是由于三相系統中某一相出現故障所致，正常性不平衡則由于系統三相元件或負荷不對稱引起。后者在實際應用中是普遍存在的現象，往往也是不可避免的。電力系統三相電壓或電流不平衡會對電力系統和用戶造成一系列的危害，如影響電機的正常出力危及其安全運行，也會使電網中的多種繼電保護元件誤動作，同時對通信系統及計算機系統也會產生干擾等等。所以GB/T 15543-2008《電能質量 三相電壓不平衡》標準中規定了電壓不平衡度限值，同時規定電壓不平衡度測量儀的誤差要小于0.2%，電流不平衡度測量儀的誤差要小于1%。目前三相不平衡度測量儀種類繁多，根據測量原理的不同可分為：負序濾過器型測量儀、調整型負序測量儀、旋轉磁場型負序測量儀、數字型序分量測量儀。由于這些儀器測量的原理和結構不同，質量差別懸殊，為了保證電能質量監督的合理性和準確性、方便三相不平衡度量值的校準和傳遞，需對三相不平衡度測量儀校準方法進行研究。

本文首先介紹三相不平衡度的計算方法，然后根據測量儀的工作原理和使用情況提出校準方案。

1 三相不平衡度的計算和測量

在研究不對稱三相電路中，廣泛使用對稱分量法，這種方法將電路不對稱部分化為電壓、電流不對稱的邊界條件，其余的電路仍視為對稱的線性電路。而任何一組不對稱的三相相量（如電壓、電流）都可以分解成相序各不相同的3組對稱的三相相量，即零序分量正序分量和負序分量各序量的三相關系為：

其中 a = ej(2/3)π。

由式3可見計算三相交流電力系統的不平衡度，首先要計算三相交流電力系統的正序和負序分量。在測出各相電量的幅值大小及其相位的基礎上，按照對稱分量法計算出三個序分量，最終得到三相不平衡度。

以測量三相電流不平衡度為例加以說明。首先得到三相電流幅值Ia、Ib、Ic和它們之間的相位角a、b、c，用相量法分別求得零序電流、正序電流和負序電流。

在得到負序電流和正序電流后利用公式（3）即可得到三相電流不平衡度。三相電壓不平衡度計算同上，這里不再介紹。

2 校準方案

為了實現準確測量三相不平衡度，必須注意幾點：

●由于交流信號中諧波的存在會對測量帶來影響，所以在校準過程中盡量采用失真度小的源作為信號輸出源。

●由于在讀取被校儀表不平衡度數據和實際不平衡度數據時不能做到完全同步，所以要求源有較高的輸出穩定性，避免由于不同步產生的測量誤差，同時采用計算機自動讀數并計算的方法來提高校準精度。

2.1 校準設備

校準設備主要有：三相交流標準源、三相多功能標準表、計算機等。

本方案采用可分別調整三相電壓、電流幅值和相位角大小的三相交流標準源CL301V2作為輸出源，其輸出穩定度可達0.01%并且輸出信號失真度小，能很好滿足本校準裝置對電壓和電流輸出信號的要求。使用0.01級的三相多功能標準表COM3000來測量三相交流標準源各相輸出量的幅值、相位角，即三相電壓值Ua、Ub、Uc和它們之間的相位角a、b、c，或者三相電流值Ia、Ib、Ic和它們之間的相位角a、b、c。三相交流標準源和三相多功能標準表都帶有RS232通訊接口，方便同計算機的互聯，可以實現自動化校準（圖1）。

圖1 校準裝置結構框圖

通過計算機控制CL301V2，使其輸出滿足要求的不平衡三相電壓或電流值。同時通過計算機讀取COM3000的數據得到三相電壓值Ua、Ub、Uc和它們之間的相位角a、b、c或者三相電流值Ia、Ib、Ic和它們之間的相位角a、b、c。通過軟件按照公式（3）計算得到實際三相不平衡度εs，再從被檢三相不平衡度測量儀中得到指示值εx，被檢儀器的三相不平衡度測量誤差為Δεr= εx-εs，根據誤差限值就可判定被檢儀器是否合格。

2.2 校準流程

根據GB/T 15543-2008的要求調節CL301V2輸出相應的電壓、電流幅值和相角，通過計算機控制COM3000每次按3 s讀取測量值，計算得到實際三相電壓不平衡度和三相電流不平衡度，與此同時讀取被檢三相不平衡度測量儀指示值，最終得到被檢不平衡度測量儀的誤差。

表1和表2分別列出本裝置在不同輸出值時實際的三相電壓不平衡度和三相電流不平衡度測試數據。

3 結論

三相不平衡度測量儀校準方案，采用高穩定性標準源和0.01級高精度三相多功能標準表組成，通過計算機控制可實現對三相不平衡度測量儀的自動化校準,滿足了電力系統中對三相不平衡度測量儀校準的問題。另外要注意GB/T 15543-2008明確規定三相不平衡度是基波的不平衡度，所以在現場測量中需注意電網中諧波對測量的影響。

表1 三相電壓不平衡度測試

表2 三相電流不平衡度測試

[1]全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會. GB/T 15543-2008[S].北京: 中國標準出版社, 2009.

[2]程浩忠, 艾芊, 張志剛等. 電能質量[M]. 北京: 清華大學出版社,2006.