三相不平衡度测量仪标准装置的研究.pdf

质量技术监督研究2014 年第 4 期 （总第34期）Quality and Technical Supervision Research NO.4.2014 General NO.34 三相不平衡度测量仪标准装置的研究 方 杰，张煌辉，王榕模 （福建省计量科学研究院，福建 福州 350003） 摘要：文中介绍了三相不平衡度的概念、危害及三相不平衡度的测量仪器，从 GB/T 19862-2005 和 GB/T 15543-2008 两个标准入手，研究三相不平衡度测量仪的校准方法及测量标准。制定了校准程序，搭建了 校准平台，对校准点的设置进行了规定，评估了测量标准的不确定度。通过校准实例，验证了测量标准的 测量能力，达到全面评价和考查三相不平衡度测量仪计量性能的目的。 关键词：三相电压不平衡度；对称分量法；测量标准；校准；不确定度 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 120， 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 收稿日期：2013-11-13 作者简介：方杰，男，福建省计量科学研究院，电学室，检定员，工程师 ，硕士 张煌辉，男，福建省计量科学研究院 ，科研中心，科研人员，工程师 ，硕士 王榕模，男，福建省计量科学研究院，电学室，检定员 ，教授级高级工程师 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， （1） 其中， 称为旋转因子，表示相量按正方向 旋转 1200， ， ，则 有 。 （2） 式中： 1正序分量均方根值； 2负序分量均方根值； 0零序分量均方根值。 例如，当测量得到三相幅值 和三相相 位 后，可以用式（2）、式（3）和式（4） 计算出负序不平衡度。 （3） （4） 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0.01 ； 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 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。 （5） 表 2 三相电压不平衡度校准点设置 表 3 三相电流不平衡度校准点设置 5 三相不平衡度的校准实例及不确定度 评估4 5 6 5.1 校准实验 以校准三相电压不平衡度为例，选取美国电力 士 PX5-XFAST 型三相不平衡度测量仪作为被检，表 4 给出了以 220V 作为额定电压的三相不平衡度测 量结果。每个校准点单独开展 10 次测量，取其平 均值作为测量结果，并给出了单次实验标准偏差。 表 4 单次实验标准偏差 5.2 不确定度评估 以三相电压不平衡度为例，根据以上的分析 可知， 测量标准的不确定度主要由6个分量组成， 分别为三相幅值测量引入的不确定度和三相相位 测量引入的不确定度。式（6）式 (11) 给出了 各不确定度分量的计算公式。 （1）A 相电压幅值测量引入的不确定度分量 （6） （2）B 相电压幅值测量引入的不确定度分量 （7） （3）C 相电压幅值测量引入的不确定度分量 （8） （4）A 相相位测量引入的不确定度分量 （9） （5）B 相相位测量引入的不确定度分量 （10） （6）C 相相位测量引入的不确定度分量 （11） 式（6）式（11）中的 E1、E2 分别为： 本标准装置三相电压不平衡度校准的总不确 定度为 ，则有： （12） 表 5 给出了测量标准的不确定度分析结果。 表 5 三相电压不平衡度测量标准不确定度评估 由表 4 和表 5 计算得到三相电压不平衡度测 量仪校准结果的合成不确定度和扩展不确定度， 计算结果见表 6。其中表 5 给出的数据表明，测 量标准的不确定度符合 0.05% 规定指标要求。 表 6 校准结果的合成不确定度和扩展不确定度 6 结束语 通过分析三相不平衡度测量仪测量示值的影响 量，并结合两个国标的相关规定，搭建了三相不平 衡度的测量标准，研究了三相不平衡度测量仪的校 准方法，并针对三相电压不平衡度和三相电流不平 衡度的限值，给出了校准点设置参考。最后结合校 准实例给出了校准结果的测量不确定度。为国内外 同行开展此类仪器的校准提供了参考方法。 参考文献 1 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会 . GB/T 15543-2008S.北京：中国标准出版社，2009. 2 孙树勤 , 林海雪 . 扰扰性负荷的供电 . 北京 : 中国 电力出版社 ,1996,12.27-29. 3 程浩忠,艾芊,张志刚,朱子述.电能质量.北京: 清华大学出版社 ,2006.12-26. 4 许遐，蔡维 . 数字化三相不平衡度仪表及其不确定 度 J. 华北电力技术 .2004(2):21-24. 5 韩志强 . 三相不平衡度测量仪校准方法的研究 . 上海计量测试 .2010(1):9-11. 6 许遐.数字化三相不平衡度仪表校验台的设计J. 电测与仪表 .2003(5):11-14. ( 下转 75 页） 使得工作空间图形不是很清晰， 带有毛刺和空洞。 第二通过对挖掘机工作空间边界内在机理分析 的基础上，发现其边界的界定本质是挖掘机任意两 组油缸取极限值，另一组油缸为变量。这就使得方 程（1）变化为只含有一个关节变量的线性方程，从 而使得随机点控制分布在挖掘机工作空间边界上， 大大减少了计算机数值求解所需要的随机点的数量。 与常规法相比，改进蒙特卡洛算法更为高效精准， 为工程实践的运用提供了工具参考。 参考文献 1同济大学.单斗液压挖掘机.中国建筑工业出版.1980. 2 芮挺，龚烈航，乔彦国 . 挖掘机工作装置运动关系 与姿态分析 J. 现代机械 , 2001(3):56-58. 3 银光球 , 林述温 . 单斗液压挖掘机反铲装置作业空 间的分析与仿真 J. 工程机械，2012(43):54-57. 4 刘志忠 , 柳洪义 , 罗忠 , 等 . 机器人工作空间求解 的蒙特卡洛法改进 J. 农业机械学报 ,2013，44(1): 230-235. 5 刘静.挖掘机器人虚拟样机建模技术及其应用研究D. 浙江大学博士学位论文 ,2005