关于三相不平衡介绍

关于三相不平衡的介绍关于三相不平衡的介绍概述本文将讨论三相电压和电流的不平衡。由于不平衡电流是引起不对称电压的重要原因，并且电压不平衡是一个公认的电能质量参数，本文如标题所示意，主要讲述三相正弦电压的不平衡。首先定义这种现象，然后给出一些量化所需的基本参数。对数学公式不感兴趣的读者可以忽略这些方程式，直接跳到关于限值、原因和影响的那一节。昀后简要介绍了一些抑制技术。什么是三相不平衡？定义三相电气系统如果三相电压和电流具有相同的幅值、并且相位互相差120º，则被称为平衡或对称的系统。如果其中的一个或两个条件不满足，则称为不对称或不平衡的系统。本文简单地假设波形为正弦波，不含有任何谐波。量化为了量化三相系统电压或电流的不平衡，采用所谓的Fortescue分量或对称分量。三相系统分解成所谓的正序、负序和零序系统，用下标d、i、h来表示（在一些文章中也采用1、2、0的下标）。它们采用三相电压或电流矢量的矩阵变换来计算。下标U、V、W来表示不同的相（有时也采用下标a、b、c。）。这里的数学表达式是针对电压U而言，但是这个变量可以用电流I替代，没有任何问题：（1）式中旋转算子α的计算公式为：这些变换是能量恒定的，因此，采用原有值或转换值计算出的任何电能量具有相同的结果。逆变换为：（2）正序系统与正向旋转磁场有关，而负序系统则生成一个反向旋转磁场（图1）。就交流电气设备而言，这是对旋转磁场的正确物理释译。零序分量具有相同的相角，只是振荡。在没有中性线的系统中零序电流显然不能流通，但在供电系统星形接线“零电压”中性点和负载中性点之间可能会产生很大的电压差。图1—对称分量的图形描述，注意正序（左面图形）分量和负序（中间图形）分量按照实际电压矢量反向标注。图2所示为将不平衡系统分解成了相应的分量。这些分量，特别是正序和负序分量，在实际中不是直接测得的。对采样电压和电流进行以上数学运算的数字测量设备比采用传统模拟设备更加容易实施。在电压和电流的正序和负序分量量值之间的比率UU（电压）和UI（电流）分别是不平衡的测量值（以％表示）：UU=100%*Ui/Ud（3）例如，这样的比率已经用于与电能质量相关的标准，如EN50160或IEC1000－3－X系列标准。如果合适，有时也定义一个类似比率用于表示零序量值与正序量值之间的关系。计算电压比率的一个简单近似方法是：UU≈100%*SL/SSC（4）图2：采用图1中的分量进行图形分解（将用U、V、W表示的三相分量用相应得矢量分解以获得真实的不平衡系统。）这个比率只是采用负载视在功率SL和供电电路的短路容量SSC。在标准中对确定这些参数的完整测量程序进行了介绍。它们采用统计技术决定在一定时间间隔之内的⑶－⑷的平均值。限值国际标准（例如EN50160或IEC1000－3－X系列）给出了由（3）定义的不平衡比率的限值，对于低压和中压系统2%，高压系统1%，它是10分钟间隔时间得测量值，具有4％的瞬时昀大值。然而，这些限值可以就地降低，在英法海底隧道的英国一侧甚至低于0.25%，该隧道的火车系统是一个大型单相负载。对高压系统设置更低限值的原因是通常它们设计用于具有平衡阻三相负载的昀大容量。任何不平衡会导致高负荷传输系统的低效率运行。在进行低电供电系统设计时，对单相负载供电是其中一个主要目的，因此系统和连接负载必须设计成能够容忍较大的不平衡。例如，对额定容量为2X15MVA的复线高速铁路的所需短路容量进行估算（典型的法国TGV布置）。采用比率（4），短路容量至少为3GVA才能维持1％的电压不平衡水平，这解释了为什么必须与超高电压系统相连的原因。关于在公共连接点（PCC）处电压特性的更详细标准可以在作为EMC标准的一部分的IEC61000－2－X和EN50160中找到。除此之外，不同欧洲国家和电力公司对不平衡负载电流的“发射”电平经常采用他们自己的补充标准。三相不平衡是怎样引起的？电力系统调度人员努力在配电电网和用户内部网路之间的PCC处提供一个三相平衡系统。在正常条件下，这些电压由以下决定：z发电机的端子电压；z电气系统的阻抗；z在输电和配电电网内负载汲取的电流。由于在大型集中发电厂广泛采用同步发电机，因此从发电厂出来的系统电压总体上是高度对称的。集中发电通常不会产生不平衡。即便是采用感应式异步发电机，例如一些类型的风力透平机，仍可以获得平衡的三相电压。然而，用户现场的小规模分散式发电机的装用已经越来越普遍，占据了总发电量的很大一部分份额，这种情况就不同了。许多这些相对小型的电源单元，例如光电池单元，在低压侧通过大功率电子逆变器装置与电网相连。连接点具有相对高的阻抗（短路容量相对低），与在较高电压等级处连接相比，电压具有更大的潜在不平衡（方程式（4））。电气系统组件的阻抗并不是每相精确相同。架空线的几何布置使相线对地阻抗不对称，导致线路的电气参数有差异。通常这些差异非常小，如果采取适当的预防措施，例如导线的换位，它们的影响就可忽略不计。在大多数实际情况，负载的不对称是不平衡的主要原因。在高压和中压等级，负载通常为三相平衡的，虽然也可以连接大型单相或双相负载，如交流机车牵引装置（例如高速铁路，图3）或感应炉（采用不规则的大电流电弧产生热量的大型金属熔炼系统）。低压负载通常是单相的，例如PC机和照明系统，因此很难确保相间平衡。在为这些负载供电的电气接线系统进行布置时，负载回路通常在三相系统之间平均分配，例如公寓或办公楼的每层采用一相供电，或对一排房三相依次供电。在中央变压器的等效负载的不平衡由于单个负载的工作周期各不相同（统计分布）依然时有发生。异常的系统状况也会引起相间不平衡。相对地、相对相短路和断线故障是典型的例子。这些故障会引起单相或多相的电压突降，甚至会间接地引起其它相的过电压。此时三相电压就不平衡了，但是这种现象通常被归结为电压骚扰，在相应的应用指南中进行讨论，因为电网的保护系统会切断这种故障。相应的后果是什么？电气设备对不平衡的敏感性随设备不同而有差异。下面对昀常见问题进行了简单概述：感应电动机这种电动机为具有内部旋转感应磁场的交流异步电动机。量值与正序和／或负序分量的幅值成比例。负序分量磁场的旋转方向与正序分量磁场的旋转方向相反。因此，就不平衡供电而言，总旋转磁场变成“椭圆”，而不是圆形。感应电动机面临不平衡引起的三种问题。首先，电动机不能产生满额定转矩，因为负序系统的反向旋转磁场产生一个反向制动转矩，需要从与正常旋转磁场相连的基本转矩中减去。图4所示为在不平衡电源条件下感应电动机的不同转矩-速度特性曲线。实际稳态曲线是这些曲线的加权和，平方不平衡比率与负载平方的转矩比例具有相同权重。可以看出在正常运行区域，几乎位于Td直线的直线段（在曲线顶部开始的部分，昀后以同步转速穿过横轴），Ti和Th都是负的。这些特性可以采用如图5所示的电机连接方式进行测量。第二，轴承由于在双重系统频率处的感应转矩分量可能遭受机械损坏。昀后，定子，尤其是转子，出现过热，可能导致快速热老化。这些热量是由从转子看过去的反向磁场的快速旋转（相对的方向）而产生的有效电流感应所引起的。为了消除这些额外热量，电动机必须降容，可能需要换装一个较大额定功率的电动机。图3—作为不对称负载连接事例的交流铁路连接T型连接V型连接图4—在不平衡供电条件下的感应电动机的转矩－速度（滑差）特性曲线图5—为具有某一不平衡分量的感应电动机供电的系统图采用正序电压供电采用负序电压供电采用零序电压供电同步发电机同步发电机也是交流电机，例如用于就低发电的CHP装置。它们所表现出的特性与感应电动机类似，但主要受额外热量的影响。当设计在转子上的稳定阻尼绕组时应特别注意，其电流是由负序和零序分量感应产生的。变压器、电缆和线路的容量变压器、电缆和线路的容量由于负序分量的影响而下降。运行限值实际上由总电流的RMS额定值决定，总电流也包含一部分“无用”的非正序电流。在整定总过电流保护电器的跳闸电流值时应该考虑到这一点。昀大容量可以用制造商提供的降容系数来求得，依据它可选用一胜任给负载供电的较大容量的供电系统。变压器受负序电压影响的变压器将它们按照与正序电压相同的方式压变。零序电压取决于一次绕组和二次绕组的连接方式，特别是有无中线。例如，如果一侧为三相四线连接，中线电流可以流过。如果另一侧绕组为三角形连接则零序电流转变成为三角形绕组中的循环电流（导致发热）。相应的零序磁通将穿过变压器的结构部分，在象油箱这样的部件中引起寄生损耗，有时为此需要额外降容。电子功率变流器电子功率变流器已经广泛用于象变速传动、PC机电源、高效照明等这样的装置中。他们会面临额外非特性谐波，虽然在总体上，总谐波畸变或多或少保持恒定。在对用于处理这些谐波的无源滤波器组进行设计时必须考虑到这种现象。这个主题在本指南的另外一章有所讲述。以上讨论的设备自然都是三相负载。当然，由三相电压不平衡引起的供电电压变化也会影响单相负载。怎样抑制不平衡？可以采取多种措施降低不平衡的影响，其技术复杂程度也不同。首先考虑的昀基本解决方案是重新排列或布置负载，使系统变得更加平衡。对于一些应用，可以通过改变运行参数来降低不平衡。为降低负序电流的影响，以避免在供电电压上产生负序电压降，需要一个低的内部系统阻抗。为此需将不平衡负载接至电网的高短路容量水平点，或者通过降低内部阻抗的其它系统措施来实现这一点。另外一种类型的抑制技术是应用特殊变压器，如斯柯特（Scott）和司坦麦兹（Steinmetz）变压器：z“斯柯特（Scott）变压器”由两个单相变压器组成，具有特殊的绕组比，与三相系统相连。他们这样连接，在输出点，通过连接两个单相系统生成一个两相正交电压系统。这种设置为电网提供一个平衡的三相负载。z“司坦麦兹（Steinzmetz）变压器”实际上是具有一个额外平衡负载的三相变压器，包含额定值与单相负载成正比的一个电容器和一个电感（图6）。当电感和电容器的无功额定值与负载的有功额定值相等时，用3相除，从三相电网侧可看到一个平衡负载。变压器的三相额定功率等于单相负载的有功功率。注意只有在负载的有功功率等于设计系统所用的值时平衡才完美。昀后，也可以采用象“静态VAR补偿器”这样的特殊快速动作大功率电子电路来限制不平衡。它们的行为就好象在快速改变补充阻抗，以补偿每相负载的阻抗变化。此外，它们也能补偿无用的无功功率。然而，这样的装置非常昂贵，只有在其它解决方案不十分有效时才用于大型负载（例如电弧炉）。其他能够处理不平衡系统以及其它电能质量问题的电能净化器正在开发之中，还不能推广使用。图6—通过司坦麦兹（Steinmetz）变压器与三相电网相连的单相负载。ST变压器P牵引结论三相电压不平衡是一个严重的电能质量问题，主要影响低压供电系统，例如在拥有大量PC机和照明负载的办公大楼里所遇到的。然而，它可以用相对简单的方式量化，得出的参数可以与标准规定值相比较。本文解释了不平衡产生的主要原因，详细介绍了昀重要的可能后果。对于象变压器和感应电动机这样的旋转型电气设备应特别注意。简要总结了这种问题的主要抑制技术。