电能质量国家标准5 三相电压不平衡标准

行要求， 可作适当变动。” （ ３） 对用户负序发生量的监测 对用户虽然规定了电压不平衡度的限值， 但由于背景电
压中也存有不平衡， 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
εＵ＝
ＳＬ ＳＳＣ
×１００％（ ５）来自单相负序时则设备利用率仅为 １／ " ３ ＝０．５７７。 变压器的三相负荷不平衡不仅使负荷较大的一相线圈绝
衡度的主要依据， 这种不平衡是由三相负荷不对称引起的。电 缘过热导致寿命缩短， 还会由于磁路不平衡， 大量漏磁通经箱
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 壁使其严重发热， 造成附加损耗。
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 声干扰， 致使计算机无法正常运行。变压器运行规程规定 Ｙ，
用户的正常供电， 但对输电线、变压器、互感器、避雷器等设备 ｙｎＯ 连接的变压器中线电流限值为额定电流的 ２５％， 而对于
的安全是威胁的， 也必须加以控制。
计算机电源， 这个限值应更严一些， 在 ５％～２０％范围为宜。
εＵ＝
Ｕ２ Ｕ１
×１００％＝ Ｉ２Ｚ Ｕ１
×１００％≈ Ｉ２ ＩＳＣ
×１００％＝
! ３ Ｉ２Ｕ １０ＳＳＣ
（ ％）
（ 公式推导中近似认为 Ｕ１＝Ｕ； Ｚ２＝Ｚ， Ｚ 为系统等值阻抗）
接于 相 间 的 单 相 负 荷 为 ＳＬ（ ＭＶＡ） 时， 其 所 引 起 的 不 平 衡
度可用更为简单的公式计算：
过高， 从而引起三相对地电压的严重不平衡。《交流电气装置 引起在中线上出现不平衡电流， 同时还有由于波形畸变等因
的过电压保护和绝缘配合》（ＤＬ ／Ｔ６２０－ １９９７）规定 ， 中 性 点电 压 素引起的 ３ 次谐波电流。在不平衡较严重时， 中线过负荷发
位移率应小于 １５％相电压。需要指出， 这种由零序电压引起的 热， 不仅增加损耗， 降低效率， 还会引起零电位漂移， 产生电噪
学
造 １９９５）是电能质量系列标准之一。现将标准的主要内容作些介绍。 用同样公式可得 ε１。如所取的量中有零序分量时（例如三相相
／
４０ 大众用电 ２００６ ／６
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电压， 有零序回路的三相电流）， 一般就利用对称分量法求出负 序分量。这种分析涉及相量运算， 但也不困难。
·Ｃ２＝α２·Ａ２
梁 学 造
３９ 大众用电 ２００６ ／６
专 家 讲 堂 Ｅｘｐｅｒｔｓ′Ｐｌａｔｆｏｒｍ
式中 α为相角旋转 １２０°（ ２" ） 的算子 ３
α＝ｅｊ
２" ３
＝－
１
－ｊ
!３
２２
α２＝ｅｊ
４" ３
＝－
１
－ｊ
!３
２２
α３＝ｅｊ２"＝１
显然， １＋α＋α２＝０
而
Ａ ＝ "$·
$ $
０
$
１ ３
事实上， 已知单相负荷电流 Ｉ 时， 由式（ １） 很易求得负序电
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
流 Ｉ２ 和 Ｉ 的关系为 Ｉ２＝Ｉ／ ! ３ ， 于是
εＵ＝
Ｕ２ Ｕ１
×１００％≈ Ｉ２ ＩＳＣ
×１００％＝ ＳＬ ＳＳＣ
（ ％）
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
电气距离较远的点 （ 即线路和变压器阻抗在等值阻抗中占绝 （ ６）
对优势） 才成立。因此标准中特别指出：“邻近大型旋转电机的
●
式（ ２） 、（ ４） 和（ ５） 均为国标中的推荐的公式。
不平衡度， 可用下列公式
εＵ＝
! ３ Ｉ２Ｕ １０ＳＳＣ
（ ％）
（ ４）
式中： Ｉ２— ——负荷电流的负序分量；
Ｕ— — — 线 电 压
ＳＳＣ— — — 公 共 连 接 点 的 短 路 容 量 。
实际上
（ １） 标准的内容和适用范围 该标 准 规 定 了 三 相 电 压 不平 衡 度 的 允 许 值 及 其 计 算 、测 量和取值方法。标准只适用于负序分量引起的不平衡场合， 因 为零序分量引起的不平衡基本上不影响旋转电机的正常运 行， 且国际上绝大多数有关不平衡的标准均是针对负序分量 制定的。 此外， 该标准只适用于电力系统正常运行方式下的电压 不平衡。因此故障方式引起的不平衡（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 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。 （ ２） 关于电压不平衡度的允许值 标准规定： 电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许 值为 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， 在空间上和时间上 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。也就是说， 标准中规定的 “正常电压不平衡度允许值 ２％”是在测量时间 ９５％内的限值， 而剩余 ５％时间可以超过 ２％。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， 特别是对有负序起动 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 准中对最大的允许值作了“不得大于 ４％”的规定。 标准规定了对每个用户电压不平衡的一般限 值 为 １．３％， 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， 还规定“根据 连接点的负荷状况， 邻近发电机、继电保护和自动装置安全运
绍， 当电动机在额定转 矩 下 负 序 电 压 为 ４％运 行 时， 仅 根 据 附
（ ７） 在低压系统中如三相电压不平衡， 对照明和家用电器
加发热， 其绝缘寿命就缩短一半。
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。
（ ２） 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
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（不 少 于 ３０ 个）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
·
·
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或灯光
等） ， 则将在其近 区 电网 中 出 现 较 高 的 负 序 和 谐波（电 压 和 电 照明不足。
流）。在其共同作用下， 就会造成以负序滤过器为起动元件的 继电保护和自动装置误动作。例如我国某地区电网， 因受电气
···
（ Ａ＋Ｂ＋Ｃ）
& $ $ $ $
$
$
Ａ ＝ $$·
# $
１
$
１ ３
·· ·
（ Ａ＋αＢ＋α２Ｃ）
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$
$
（ １）
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Ａ ＝ $$·
$ $
２
%
１ ３
（ ·Ａ＋α２·Ｂ＋α·Ｃ）
$ $ $
$
(
当三相电量中不含零序分量时（ 例如三相线电压， 无中线
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
·
所示。图 ２ 中， 电容电流 Ｉｂｃ 超前电压 Ｕｂｃ９０°， 电感电流 Ｉｃａ 滞后电
·
压 Ｕｃａ９０°， 电感和电容电流方均根值的相等， 恰能 构成电感和电容
·
·
谐根的条件。电阻电流 Ｉａｂ 与电压 Ｕａｂ 同相， 电阻电流的方均根值是
·· · ·· · ··
电 感 和 电 容 电 流 方 均 根 值 " ３ 倍 。 由 Ｉａ＝Ｉａｂ－ Ｉｃａ、Ｉｂ＝Ｉｂｃ－ Ｉａｂ 和 Ｉｃ＝Ｉｃａ－
２ 三相电压不平衡的危害
（ ６） 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
（ １） 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
３ 对称分量及三相不平衡算式
化铁路的负序和谐波干扰， 下列保护频繁误动： ①发电机的负
三相电量的不平衡度通常以负序分量与正序分量的百分
序电流保护； ②变电所主变压器的复合电压起动过电流保 比表示。
●
栏
护； ③母线差动保护； ④线路的各种距离保护振荡闭锁装置；
根据电工理论， 任何一组不对称的三相相量（ 如电压、电流等） 目
栏
目 编
４ 三相电压不平衡国家标准
辑
用户， 其负序电流值换算时应考虑旋转电机的负序阻抗。” （ ４） 测量和取值的问题 不平衡度的测量比较容易实现。由于标准仅考虑负序引
梁
国标《电能质量 三相电压允许不平衡度》（ＧＢ／Ｔ １５５４３－ 起 的 不 平 衡 ， 如 取 三相 线 电 压 ， 利 用 式 （ ２） 和 式 （ ３） 即 得 εＵ， 利
● 中国电力科学研究院 林海雪
以上的情况往往是分段的架空电网， 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， 各相心线对接地包皮来说都处于对称的位置。
电力系统三相电压平衡的状况是电能质量的主要指标之 一。三相电压不平衡过大（超过标准值 ２％）将导致一系列问题。 国标《电能质量 三相电压允许不平衡度》（ ＧＢ／Ｔ１５５４３－ １９９５） 是
Ｅｘｐｅｒｔｓ′Ｐｌａｔｆｏｒｍ 专 家 讲 堂
１ 概论
电能质量国家标准（ ５）
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
三相电压不平衡标准
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％
衡度的更为简洁的计算式（ 即国标中推荐的准确算式） ：
! Ａ２ ＝ １－ !３－ ６β
Ａ１
１＋!３－ ６β
（ ２）
及
εＵ＝
Ａ２ Ａ１
×１００％
（ ３）
式中：
β＝
（
Ｋ４＋Ｌ４＋Ｍ４ Ｋ２＋Ｌ２＋Ｍ２）
２
与此类似， 三相电流不平衡度 ε１， 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
电源条件下， 在不平衡和平衡电流下运行的有功损耗之比约 为 （ １＋ε１２） ， 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
的附加振动力矩， 危及安全运行和正常出力。据国外文献介 成的损耗越大。
负荷。
（ ５） 对计算机系统的干扰。通常我国低压采用三相四线制
在中 性 点 不 接 地 系 统（６、１０、３５ｋＶ）中 ， 当消 弧 线 圈 调 谐 不 ＴＮ－ Ｃ 系统供电。ＴＮ－ Ｃ 系统的主要特点是采用载流的工作中
当， 和系统对地电容处于串联谐振状态时， 会引起中性点电压 性线 Ｎ 与保护地线 ＰＥ 共用一条导线。由于三相不平衡必然
·· ···
编
⑤线路相差高频保护； ⑥故障录波器。这对电网安全运行是有
零序 Ａ０， Ｂ０＝Ａ０， Ｃ０＝Ａ０
辑
／
严重威胁的。 （ ３） 电压不平衡使换流设备产生附加的谐波电流（ 非特征
···
Ａ、Ｂ、Ｃ 都可以分解为三组对称的相量， 即
正
序
·Ａ１，·Ｂ１＝α２·Ａ１，
··
Ｃ１＝αＡ１
负
序
·· ·
Ａ２， Ｂ２＝αＡ２，
谐波） ， 而这种设备一般设计上只允许 ２％的不平衡（ 见 ＩＥＣ 出 版物 １４６《半导体换流器》） 。
（ ４） 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
针对电力系统正常工况而制定的。标准规定了三相电压不平 衡 的 允 许 值 及 其 计 算 、测 量 和 取 值 方 法 等 。这 是 控 制 电 网 不 平