基于對稱分量濾過器的三相電壓不平衡度檢測

安健（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

0 引言

現代生產和現代生活離不開電力，電力部門不僅要滿足用戶對電力數量不斷增長的需要，而且也要滿足對電能質量上的要求。如同其他產品一樣，電能也是有質量優劣之分的。主要包括頻率、電壓、波形和三相對稱。三相不對稱會使電網電壓和額定值產生偏差，還會使波形發生畸變。超出一定范圍的頻率或電壓的偏差或波形的畸變，都會對電力用戶以及電網的安全、經濟運行等帶來不良影響。因此，電網運行中要將這些參數的偏差限制在允許的范圍之內，才能保證電能質量。

電網運行時，三相電路經常出現不平衡狀態，影響了電網穩定與質量。本文提出了基于對稱分量濾過器的三相電壓不平衡度檢測方法。通過匹配檢測參數配置，可以很好的提高檢測精度。實驗結果表明，檢測效果良好，證明此方法具有一定的實用性和可行性。

1 三相電壓不平衡及檢測原理分析

在理想的三相交流電力系統中，三相電壓應有同樣的數值，且按A、B、C順序互成2π/3角，這樣的系統叫做三相平衡系統。然而由于存在種種不平衡因素，實際電力系統并不是完全平衡的。不平衡因素可以歸結為事故性的和正常性的兩大類。事故性的不平衡是由于三相系統中某一相或兩相出現故障所致，例如一相或兩相斷線、單相接地故障等。這種不平衡工況是系統運行不允許的，一般由繼電保護、自動裝置動作切除故障元件后在短期內使系統恢復正常。正常性的不平衡則是由于系統三相元件或負荷不對稱所致。作為電能質量指標之一的三相電壓允許不平衡度即是根據正常性不平衡運行工況制定的。

電力系統處于三相不平衡時，其電壓和電流含有大量負序分量，及時地了解電力系統中電壓和電流負序分量含有率及三相不平衡度，是制定改善措施保證電力系統正常運行的關鍵。電力系統中三相電壓平衡狀況是電能質量指標之一。在中低壓配電網中，三相線路的負荷是隨機變化的，而且也不可能是平衡的。若系統中存在三相不平衡的情況將會影響系統中電動機變壓器的安全和可靠運行，并使系統的損耗增加，降低系統的運行效率。此外，還會增大對周圍通信系統的干擾，影響正常的通信質量［1，2］。因此，要保證電能質量，三相不平衡度的檢測將是十分必要的。

電力系統中三相電壓不平衡主要是由負荷不平衡，系統三相阻抗不對稱以及消弧線圈的不正確調諧所引起的。由于系統負載阻抗不對稱引起的背景電壓不平衡度，一般很少超過0.5%，但在高峰負荷時，或高壓線停電時，不平衡有時超過1%。一般架空電網的不對稱度或不平衡電壓不超過0.5% ～1.5%的范圍，其中1%以上的情況往往是分段的架空電網，其換位是在變電所母線上實現的。

根據對稱分量法，不對稱的三相相量都可分解成相序各不相同的三組對稱的三相分量［3］，即

根據三相不平衡度的定義，三相不平衡度為負序分量與正序分量的均方根值。當輸入端三相電壓中含有三序分量時，輸出端只輸出零序分量，稱為零序分量濾過器;只輸出負序分量時，稱為負序分量濾過器;只輸出正序分量時，稱為正序分量濾過器［4］。因此，設計濾過器電路分別得到負序及正序分量即可完成三相電壓不平衡度檢測。

2 對稱分量濾過器檢測電路

由上可知，利用對稱分量濾過器檢測電路測取電力系統各相電壓的負序及正序分量，取其均方根值便可得到三相電壓不平衡度。然而檢測電路的接入必然會影響待測電路，產生較大誤差，致使無法取得真實的待測電壓。同時，因為根據發電、輸電和用電的不同情況線路上的電壓大小不一，而且相差懸殊，有的是低壓220 V和380 V，有的是高壓幾萬伏甚至幾十萬伏。要直接測量這些低壓和高壓電壓，就需要根據線路電壓的大小，制作相應的低壓和高壓的電壓表和其他儀表和繼電器。這樣不僅會給儀表制作帶來很大的困難，而且更主要的是，要直接制作高壓儀表，直接在高壓線路上測量電壓，那是不可能的，而且也是絕對不允許的。因此，在被測電路與檢測電路之間應進行電路隔離。針對不同的電力系統可選擇不同的隔離方式。本文采用電壓互感器進行隔離，并通過不同的接線法獲取線路相間電壓或相對地電壓。

2.1 電壓互感器

電壓互感器是一個帶鐵心的變壓器。它主要由一、二次線圈、鐵心和絕緣組成。當在一次繞組上施加一個電壓U1時，在鐵心中就產生一個磁通φ，根據電磁感應定律，則在二次繞組中就產生一個二次電壓U2。改變一次或二次繞組的匝數，可以產生不同的一次電壓與二次電壓比，這就可組成不同比的電壓互感器。電壓互感器將高電壓按比例轉換成低電壓，電壓互感器一次側接在一次系統，二次側接測量儀表、繼電保護等;主要是電磁式的（電容式電壓互感器應用廣泛），另有非電磁式的，如電子式、光電式。

測量用電壓互感器一般都做成單相雙線圈結構，其原邊電壓為被測電壓（如電力系統的線電壓），可以單相使用，也可以用兩臺接成V－V形作三相使用。實驗室用的電壓互感器往往是原邊多抽頭的，以適應測量不同電壓的需要。

電壓互感器把高電壓按比例關系變換成100 V或更低等級的標準二次電壓，供保護、計量、儀表裝置使用。同時，使用電壓互感器可以將高電壓與電氣工作人員隔離。

電壓互感器的接線方式很多，常見的有以下幾種

（1）用一臺單相電壓互感器來測量

某一相對地電壓或相間電壓的接線方式

（2）用兩臺單相互感器接成不完全星形，也稱V—V接線，用來測量各相間電壓，但不能測相對地電壓，廣泛應用在20 KV以下中性點不接地或經消弧線圈接地的電網中。

（3）用三臺單相三繞組電壓互感器構成YN，yn，d0或Y，yn，d0的接線形式，廣泛應用于3—220 KV系統中，其二次繞組用于測量相間電壓和相對地電壓，輔助二次繞組接成開口三角形，供接入交流電網絕緣監視儀表和繼電器用。用一臺三相五柱式電壓互感器代替上述三個單相三繞組電壓互感器構成的接線，除鐵芯外，其形式基本相同，一般只用于 3—15 KV系統。

（4）電容式電壓互感器接線形式。

圖1 電壓互感器的V－V接線

在中性點不接地或經消弧線圈接地的系統中，為了測量相對地電壓，電壓互感器一次繞組必須接成星形接地 的方式。

針對不同的線路及測量要求，合理選擇互感器接線方式，獲取相間電壓或相對地電壓，作為濾過器檢測電路的輸入量。

2.2 阻容式負序電壓濾過器

其中R1 =X1，X2=R2，X1=X2。

由于相間電壓中不存在零序分量，相當于零序分量已被濾掉。因此，負序電壓濾過器無一例外地加入相間電壓。當輸入為正序分量時輸出端為零。當輸入為負序分量時，輸出Umn2=1.5Uab2=1.5Ubc2。

相量圖如圖5（a）（b）所示。

如果將負序電壓濾過器任意兩個輸入端互換連接，則濾過器就會成為正序電壓濾過器。

圖4 阻容式負序電壓濾過器

2.3 運放式負序濾過器

因此采用如圖6所示的原理接線，利用運算放大器A1將電壓VB向超前方向移相240°，當選用 | Z1|=R1，Z1的阻抗角為

負序電壓與三相電壓之間的關系為60°時，有

圖5 向量圖

利用運算放大器A2將電壓VC向超前方向移相120°，Z1和R1采用同上的參數，則

圖6 負序電壓濾過器接線圖

在Z1上并聯電阻R2（R2? | Z1|），是為了在交流輸入信號為零時，防止A2開環工作，以減小零點漂移的影響。

運算放大器A3是一個反相加法器，按圖中所標示的參數，輸出電壓應為

如果選取RF=1/3R3，則=－

當輸入三相正序電壓或零序電壓時，其輸出電壓均為零，因此達到了濾出負序電壓的要求。

由于正序電壓與三相電壓之間的關系

其相序關系與負序相反，因此只需把上述負序濾過器接線中的任意兩個電壓互換，即可構成正序電壓濾過器。

由運算放大器和RC移相電路構成的對稱分量濾過器與傳統的構成方法相比，具有體積小、功耗小、線性度好、調試簡單、運行維護方便等優點。實踐證明，只要構成電路的各元件參數與理論計算值相符，一般無需調整即可滿足要求。

3 實驗結果

用上文所述檢測方法對某電機實驗樓供電系統進行三相電壓不平衡度檢測。該電機實驗樓負載眾多，主要有電腦，空調，各式電機及各種電氣實驗設備。

測量選取在下午2∶00～2∶01的1 min（高峰時段）之內，每3 s計算一次不平衡度并測取6次。運用上述兩種方式進行測量，分別稱為1法與2法。測量數據如表1所示。

表1 時段1不平衡度檢測數據

表2 時段2不平衡度統計數據

再次測量選取晚上10:00～10:01的1 min（休息時間）之內，每3 s計算一次不平衡度并測取6次。測量數據如表2。

由表1、2可以看出，該方法能準確、實時的檢測電力系統三相不平衡度。操作簡便快速，誤差較小。

4 結束語

本文給出了一種實用的三相電壓不平衡度檢測方法，該方法根據三相不平衡度定義，通過負序濾過器分別求出負序與正序分量，其均方根值便是三相不平衡度。這類檢測電路結構簡單，操作方便。對于測量精度，最大的影響是濾過器的元件參數匹配。另外當環境溫度變化時，電容會發生變化，電阻元件的老化也會使阻值發生變化，因此可以采用高級材料和精密元件及溫度補償裝置等來提高測量精度［6］。與常用的三相不平衡度數字檢測系統相比，此方法

［1］艾芊.電能質量講座第九講 淺談三相電壓不平衡［J］.低壓電器，2007（18）:12－14.

［2］陳波，王鴻鈺.電能質量監測和監測儀器講座——第二講 三相不平衡度和電壓頻率偏差監測［J］.儀表技術，2005（5）:14:75－77.

［3］林海雪.電力系統的三相不平衡講座［J］.供用電，1998，14（4）:28－30.

［4］林海雪.電力系統三相不平衡講座 第五講 三相不平衡的測量儀器［J］.供用電，1998，（3）:31 －33.

［5］林海雪.電力系統三相不平衡講座 第一講 電力系統三相不平衡的基本概念及其計算式［J］.供用電，1997，（4）:14－17.

［6］楊洪耕，肖先勇，劉俊勇.電能質量問題的研究和技術進展（一）電能質量一般概念［J］.電力自動化設備2003，23（10）:45－49.