三相不平衡度测量仪校准方法的研究

韩志强/上海交通大学电子信息与电气工程学院

0 引言

在理想的平衡三相交流电力系统中，三相电压应有同样的幅值和频率，且相位角互差120°，但在实际应用中，电力系统往往不是完全平衡的。引起电力系统三相不平衡的因素主要有事故性和正常性两大类。事故性不平衡是由于三相系统中某一相出现故障所致，正常性不平衡则由于系统三相元件或负荷不对称引起。后者在实际应用中是普遍存在的现象，往往也是不可避免的。电力系统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，如影响电机的正常出力危及其安全运行，也会使电网中的多种继电保护元件误动作，同时对通信系统及计算机系统也会产生干扰等等。所以GB/T 15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》标准中规定了电压不平衡度限值，同时规定电压不平衡度测量仪的误差要小于0.2%，电流不平衡度测量仪的误差要小于1%。目前三相不平衡度测量仪种类繁多，根据测量原理的不同可分为：负序滤过器型测量仪、调整型负序测量仪、旋转磁场型负序测量仪、数字型序分量测量仪。由于这些仪器测量的原理和结构不同，质量差别悬殊，为了保证电能质量监督的合理性和准确性、方便三相不平衡度量值的校准和传递，需对三相不平衡度测量仪校准方法进行研究。

本文首先介绍三相不平衡度的计算方法，然后根据测量仪的工作原理和使用情况提出校准方案。

1 三相不平衡度的计算和测量

在研究不对称三相电路中，广泛使用对称分量法，这种方法将电路不对称部分化为电压、电流不对称的边界条件，其余的电路仍视为对称的线性电路。而任何一组不对称的三相相量（如电压、电流）都可以分解成相序各不相同的3组对称的三相相量，即零序分量正序分量和负序分量各序量的三相关系为：

其中 a = ej(2/3)π。

由式3可见计算三相交流电力系统的不平衡度，首先要计算三相交流电力系统的正序和负序分量。在测出各相电量的幅值大小及其相位的基础上，按照对称分量法计算出三个序分量，最终得到三相不平衡度。

以测量三相电流不平衡度为例加以说明。首先得到三相电流幅值Ia、Ib、Ic和它们之间的相位角a、b、c，用相量法分别求得零序电流、正序电流和负序电流。

在得到负序电流和正序电流后利用公式（3）即可得到三相电流不平衡度。三相电压不平衡度计算同上，这里不再介绍。

2 校准方案

为了实现准确测量三相不平衡度，必须注意几点：

●由于交流信号中谐波的存在会对测量带来影响，所以在校准过程中尽量采用失真度小的源作为信号输出源。

●由于在读取被校仪表不平衡度数据和实际不平衡度数据时不能做到完全同步，所以要求源有较高的输出稳定性，避免由于不同步产生的测量误差，同时采用计算机自动读数并计算的方法来提高校准精度。

2.1 校准设备

校准设备主要有：三相交流标准源、三相多功能标准表、计算机等。

本方案采用可分别调整三相电压、电流幅值和相位角大小的三相交流标准源CL301V2作为输出源，其输出稳定度可达0.01%并且输出信号失真度小，能很好满足本校准装置对电压和电流输出信号的要求。使用0.01级的三相多功能标准表COM3000来测量三相交流标准源各相输出量的幅值、相位角，即三相电压值Ua、Ub、Uc和它们之间的相位角a、b、c，或者三相电流值Ia、Ib、Ic和它们之间的相位角a、b、c。三相交流标准源和三相多功能标准表都带有RS232通讯接口，方便同计算机的互联，可以实现自动化校准（图1）。

图1 校准装置结构框图

通过计算机控制CL301V2，使其输出满足要求的不平衡三相电压或电流值。同时通过计算机读取COM3000的数据得到三相电压值Ua、Ub、Uc和它们之间的相位角a、b、c或者三相电流值Ia、Ib、Ic和它们之间的相位角a、b、c。通过软件按照公式（3）计算得到实际三相不平衡度εs，再从被检三相不平衡度测量仪中得到指示值εx，被检仪器的三相不平衡度测量误差为Δεr= εx-εs，根据误差限值就可判定被检仪器是否合格。

2.2 校准流程

根据GB/T 15543-2008的要求调节CL301V2输出相应的电压、电流幅值和相角，通过计算机控制COM3000每次按3 s读取测量值，计算得到实际三相电压不平衡度和三相电流不平衡度，与此同时读取被检三相不平衡度测量仪指示值，最终得到被检不平衡度测量仪的误差。

表1和表2分别列出本装置在不同输出值时实际的三相电压不平衡度和三相电流不平衡度测试数据。

3 结论

三相不平衡度测量仪校准方案，采用高稳定性标准源和0.01级高精度三相多功能标准表组成，通过计算机控制可实现对三相不平衡度测量仪的自动化校准,满足了电力系统中对三相不平衡度测量仪校准的问题。另外要注意GB/T 15543-2008明确规定三相不平衡度是基波的不平衡度，所以在现场测量中需注意电网中谐波对测量的影响。

表1 三相电压不平衡度测试

表2 三相电流不平衡度测试

[1]全国电压电流等级和频率标准化技术委员会. GB/T 15543-2008[S].北京: 中国标准出版社, 2009.

[2]程浩忠, 艾芊, 张志刚等. 电能质量[M]. 北京: 清华大学出版社,2006.