电能质量监测和监测仪器讲座第二讲三相不平衡度和电压、频率偏差监测

电能质量监测和监测仪器讲座第二讲 三相不平衡度和电压、 频率偏差监测陈 波 1 ,王鸿钰 2(1.美国福禄克公司上海办事处 ,上海 200070; 2. 上海仪器仪表研究所 ,上海 200082)摘要 : 介绍国家标准对监测电压偏差 、 三相不平衡度和频率偏差的仪器的基本要求 、 测量方法 ,及 Fluke 电能质量分析仪在监测三相不平衡度中的应用 。关键词 : 电能质量 ;仪器 ;电压 ;频率 ;三相不平衡度中图分类号 : TM933 文献标识码 : B 文章编号 : 1006 - 2394 (2005 ) 05 - 0075 - 031 电压偏差监测供电电压偏差指 50Hz电力系统在正常运行条件下供电电压相对额定电压的偏差 。为了使电压监测点的记录能科学真实地反映电压状况 ,根据需要已开发出了专门用于电压质量监测的“ 电压监测仪 ” 。它以数字信号处理器 DSP或微处理器为核心构成 ,具有进行自动记录和统计功能 。在正常使用条件下 ,在被监测额定电压的 ± 20%范围内 ,其综合测量误差 γ s≤ ± 0. 5%。根据定义 ,电压有效值为U = 1T ∫T0 u2 ( t) dt式中 , T为被测电压的周期 , u ( t) 为被测电压的瞬时值 。 监测仪在一个周期 T内对其进行 N 次采样 ,测得的离散采样值为 ui ,因此 ,被测电压的有效值为U = 1N ∑N - 1i = 0u2i式中 , N = T /Δ t为每个周期采样点数 ,Δ t为采样时间间隔 。 电压偏差为实测电压 U 相对额定电压 UN 的偏差 。电压偏差 ( % ) = U - UNUN× 100 ( % ) (1)电压监测仪通常具有下列主要功能 :(1) 监测电压偏差 ,直接或间接地统计电压合格率或电压超限率 ;统计的时间以 m in为单位 。电压合格率 ( % ) = 1 - 电压超限时间电压监测总时间 × 100%电压超限率 ( % ) = 电压超限时间电压监测总时间 × 100%(2) 按月和按日统计 ,打印输出 ;(3) 实时显示被监测电压 ,定时 (如 2s)刷新 ;(4) 能预置被监测电压额定值 ,并按要求整定在被监测电压允许偏差范围内的上限值和下限值 。2 三相不平衡度监测2. 1 不平衡度计算三相不平衡度指 50Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量引起的三相不平衡的程度 。 电压或电流不平衡度分别用 ε U 或 ε I 表示 ,即用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值的百分比表示 。ε U = U2U1× 100 (% ) ( 2)式中 U1 — — — 三相电压的正序分量方均根值 , V;U2 — — — 三相电压的负序分量方均根值 , V。如将式 (2)中 U1 、 U 2 换为 I1 、 I2 ,则为相应的电流不平衡度 ε 1 的表达式 。在有零序分量的三相系统中 ,应用对称分量法 ,分别求出正序分量 U 1 和负序分量 U2 ,由式 (2)求出不平衡度 。U1U2U0= 131 α α 21 α 2 α1 1 1U aU bU c( 3)式中 U a、 U b、 U c 为三相基波电压 ,α 为旋转因子 ,α = ej120° = - 12 + j32 ,α 2 = ej240 ° = - 12 - j32 。在没有零序分量的三相系统中 , 当已知三相量Ua 、 U b、 U c 时 ,可用下式求不平衡度 :ε = 1 - 3 - 6L1 + 3 - 6L× 100 (% ) ( 4)式中 L = (U4a + U 4b +U4c ) / (U2a + U 2b +U 2c ) 2。当公共连接点的正序与负序阻抗相等时 ,则不平衡度可用 GB / T 15543 - 1995给出的近似算式计算 。2. 2 对监测仪器的要求和监测方法不平衡度测量仪器测量电压不平衡度的绝对误差—57—2005年第 5期 仪 表 技 术? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net应不超过 0. 2% ;测量电流不平衡度的绝对误差不应超过 1%。 每次测量 ,一般按 3 s方均根取值 。对于离散采样的测量仪器 ,可按下式计算 :ε = 1m ∑mk = 1ε 2k (5)式中 ε k — — — 在 3s内第 k次测得的不平衡度 ;m — — — 在 3 s内均匀间隔取值次数 (m ≥ 6) 。对于特殊情况 ,由供用电双方另行商定 。对于波动性较小的场合 ,三相不平衡度 ε 允许值应和实测的五次接近数值的算术平均值对比 ;对于波动性较大的场合 ,应和实测值的 95%概率值对比 ,以判断是否合格 (任何时刻均不能超过短时允许值 )。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 ,按日累计 ,超标时间不得超过 72min,且每 30min中超标时间不超过 5m in。2. 3 监测仪器2. 3. 1 ZFL 2B 型序分量测量仪ZFL 2B型测量仪是按照国际 GB /T 15543 - 1995对不平衡度的测量要求设计的一种仪器 ,原理框图见图 1。 仪器测量电压不平衡度的误差小于 0. 2% ,测量电流不平衡度的误差小于 1% 。图 1ZFL 2B型测量仪以 8098单片机作中央处理单元 ,由输入隔离电路 、 低通滤波器 、 自动选相和同步锁相电路以及模数转换电路构成采样系统 ,同步对三相电压 、三相电流采样 。单片机在被测信号的一个周期内采128点 ,经 FFT变换 ,去除各次谐波后 ,求得被测基波的幅值和相位 ,然后利用对称分量法求得电压 、 电流基波的正序 、 负序 、 零序的幅值 、 相位和不平衡度 。ZFL 2B型测量仪具有下列功能 :(1)实时显示电压 、 电流正序 、 负序 、 零序的幅值和不平衡度 ; (2)打印输出三相电压 、 电流基波的幅值和相角 ,以及正序 、 负序 、 零序的幅值 、 相角和不平衡度 ; (3)统计分析连续测量 (6～ 96次 ,两次测量的间隔时间为 6s～ 29min)的数据 ,最后打印出前六个大值的结果 ; (4)根据设定的不平衡度越限值 ,统计出 30min内不平衡度累计越限时间 ; (5)仪器完整地运行一天(即经过两次 0∶ 00)后 ,随时打印出前一天不平衡度累计越限的时间和日变化曲线 ; (6)不平衡度越限报警 。2. 3.2 F430系列三相电能质量分析仪F430系列分析仪是按 IEC和 GB 国际设计的手持式三相电能质量分析仪。 它有 4个电压通道和 4个电流通道。 能够测量和记录三相系统中几乎所有电能质量参数。 测量三相电压不平衡度的准确度为 0. 5% (分辨率 0. 1% ) ,测量三相电流不平衡度的准确度为 1%。图 2是用 Fluke434手持式分析仪诊断向电机供电的配电系统电能质量的接线图 。 此图是按下分析仪的 V iew Config (查看配置 )按钮在屏幕上显示的画面 ,证明电路连接正确 ,配电类型为三相三角形连接 。图 2按下 Scope(示波器 )按钮 ,分析仪上显示三相线电压波形和它们的有效值 (见图 3屏幕顶部 )。由电压之差知 ,相间肯定不平衡 。将显示切换至三相不平衡屏幕 ,检查电压和电流值 。分析仪上显示了三相相电压 大 小 及 矢 量 图 (图 4) 。三 相 相 电 压 分 别 为276. 7V、 266. 8V和 261. 7V。以式 ( 3) 和 ( 2)计算得三相电压不平衡度为 3. 3% ,此值显示在屏幕顶部 。图 5屏幕显示了三相不平衡数据总表 。 由这些画面和数据知 ,三相不平衡引起了非常大的相电流失衡 ,并超出了图 3图 4—67— 仪 表 技 术 2005年第 5期? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net电机满负荷电流的额定值 。进一步查找原因知 ,所有单相负载都连接到了同一相上 ,导致三相严重失衡 。将单相负载在三相之间平衡分配后 ,电机的电压不平衡度 、 电流不平衡降低 ,与此同时 ,流过电机的相电流和工作温度也降到允许值之下 。图 53 频率偏差监测频率偏差指 50Hz电力系统在正常运行条件下的频率实际值与标称值之差 。频率和频率偏差可使用一台符合标准要求的频率表 (具有自动记录和统计功能 、 绝对误差 ≤ 0. 01Hz)跨接在被测电压两端进行测量 。 借助于波形的过零点测出交流信号的周期 ,求得实际的系统频率 f。 再用下式求得频率偏差 (Δ f) :Δ f = f - f0 = f - 50 (6)为克服谐波 、 噪声和非周期分量对测量的影响 ,下面介绍一种准确度和实时性都比较好的测量方法 。设输入信号是角频率为 ω 的正弦电压 u ( t)u ( t) =U sin(ω t +φ ) = U sin(ω 0 t + < )式中 ,ω =ω 0 +Δ ω = 2π f0 +Δ ω , < =Δ ω t +φ = 2π Δ ft +φ ,φ 为初相 ,Δ f为频率偏差 , U为幅值 , f0 = 50Hz。每周期对 u ( t)采样 N 次 ,采样间隔 Δ t = T0N = 1N f0,得采样序列 { ui } :{ ui } = U sin 2πN i + < ( i = 0、 1、 2… N - 1)对 ui 进行傅里叶变换 ,求得基波分量的实部 UR和虚部 U I。 于是 ,基波分量的相位 <1 = arctan U IU R。利用同样的方法 ,以后面的 N 个采样值求得基波相位 <2。 因为 d