電力知識(shí)-三相電壓不平衡專題

1、第6章 三相電壓不平衡Three-phase Voltage Unbalance1雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室三相電壓不平衡良好的三相電壓除了振幅、頻率、諧波成份都符合標(biāo)準(zhǔn)之外，三相電壓的對(duì)稱性也是重要的指標(biāo)之一。理想的三相電壓是三相電壓的大小相等，任兩相之間的相位相差120，如果三相電源偏離了這兩個(gè)條件，我們就稱為三相電壓不平衡。2雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室三相電壓相量圖3雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室三相電壓不平衡的成因電力公司不論在發(fā)電、輸電或配電的階段，均致力於維持三相電壓的平衡，一般來說，造成三相電壓不平衡的原因可分為結(jié)構(gòu)性、功能性與故障性三類。4雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)性因素結(jié)構(gòu)性因素(s

2、tructural cause)是指輸配電線路阻抗的非對(duì)稱。如果三相輸配電線路中的電流為平衡，但是三相線路的阻抗卻不相等，則所產(chǎn)生的壓降也不相等，致使受電端的三相電壓產(chǎn)生不平衡。變壓器的連接方式有時(shí)也是造成阻抗不平衡的原因。5雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室變壓器的連接所造成的阻抗不平衡V-V連接開-Y開-D連接變壓器二次側(cè)之等效電路6雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室另一個(gè)由變壓器所引起的電壓不平衡為三相變壓器的激磁電流。內(nèi)鐵式三相變壓器(three-phase core-type transformer)之鐵芯為三足(three limbs)之磁路，由於各足磁路之長(zhǎng)度不完全相同，鐵芯之磁阻就不相等，致使各相

3、之磁化電抗也不相等，因此三相激磁電流就不平衡。如果變壓器的Y接端中性點(diǎn)未接地，變壓器的相電壓就會(huì)呈現(xiàn)輕微的不平衡。變壓器的連接所造成的阻抗不平衡7雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室功能性因素功能性因素(functional cause)是指三相傳輸?shù)挠行Ъ盁o效功率不平衡，簡(jiǎn)單的說，就是負(fù)載的不平衡。一般的住宅及商業(yè)用戶，不可避免的會(huì)有許多單相設(shè)備。電力公司在分配單相負(fù)載時(shí)，雖然儘量將負(fù)載均勻的分配在各相上，但是即使負(fù)載的分配是三相完全相等，也無法保證所有的單相負(fù)載都在同一時(shí)間消耗相等的功率。8雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室功能性因素在工業(yè)用電方面，大型的單相設(shè)備如單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、電弧爐等，是造成電壓不

4、平衡的重要原因。電氣鐵路之牽引動(dòng)力，交流供電的市區(qū)電車、巴士、地鐵等，都是高容量的單相負(fù)載，對(duì)電壓不平衡有很大的影響。9雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室故障性因素故障性因素是指由電力系統(tǒng)元件故障所導(dǎo)致的電壓不平衡。引起電壓不平衡最常見的故障為三相功因修正電容器熔絲熔斷，使某一相線路無法補(bǔ)償而電壓降低，有補(bǔ)償?shù)南鄤t電壓較高。單相設(shè)備過載、短路、接地故障等，也會(huì)引起嚴(yán)重的電壓不平衡。10雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.3 三相電壓不平衡之度量我們可以使用許多不一樣的指標(biāo)來描述三相電壓不平衡的程度。目前國際電機(jī)電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)、美國電氣製造商公會(huì)(NEMA)、國際電工委員會(huì)(IEC)等組織，都各自訂出

5、度量電壓不平衡的標(biāo)準(zhǔn)。另外，在許多學(xué)術(shù)論文中，電力工程的學(xué)者也自行開發(fā)出另一種描述電壓不平衡的指標(biāo)。11雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.3.1 對(duì)稱分量12雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.3.1 對(duì)稱分量13雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.3.1 對(duì)稱分量14雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.3.1 對(duì)稱分量?jī)蓚€(gè)重要的關(guān)係式:15雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室16雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室以Uab, Ubc與Uca作為邊長(zhǎng)的三角形三角形的兩個(gè)底角可以利用餘弦定理由邊長(zhǎng)求出17雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室各種電壓不平衡的指標(biāo)18雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室各種電壓不平衡的指標(biāo)19雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室各種電壓不平衡的指標(biāo)20雲(yún)

6、科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.4 電壓不平衡因數(shù)的速算法21雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.5 電壓不平衡因數(shù)的圖解法22雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.6 電壓不平衡之影響不平衡的三相電壓含有額外的零相序及負(fù)相序電壓。對(duì)三相無中性線之負(fù)載而言，零相序阻抗為無限大，因此零相序電壓對(duì)這類負(fù)載沒有明顯的影響。許多低壓商業(yè)及住宅配電系統(tǒng)都有大量的單相負(fù)載，這些負(fù)載饋入三相系統(tǒng)之後大多會(huì)有相當(dāng)程度的不平衡，饋線的中性線電流和負(fù)載不平衡的程度有密切的關(guān)係，過大的中性線電流會(huì)影響保護(hù)電驛對(duì)接地故障的偵測(cè)，因此電力公司必須經(jīng)常檢討單相負(fù)載的分配，以避免中性線電流過大。23雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.6 電壓不平衡之影響

7、中性線電流在中性線上所產(chǎn)生的壓降，是零相序電壓的主要來源，零相序電壓對(duì)單相及無中性線的三相負(fù)載影響不大，但是會(huì)造成中性點(diǎn)電壓漂移，可能引起保護(hù)系統(tǒng)誤判為接地故障。對(duì)中性點(diǎn)接地的三相負(fù)載而言，零相序電壓會(huì)引起額外的零相序電流。負(fù)相序電壓對(duì)三相負(fù)載有明顯的危害，這是為什麼電壓不平衡的指標(biāo)主要以負(fù)相序電壓為參數(shù)的原因。24雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室電壓不平衡對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)之影響以最常用的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例，其負(fù)相序阻抗遠(yuǎn)小於正相序阻抗，所以即使是輕微的電壓不平衡也會(huì)引起可觀的負(fù)相序電流，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)定子繞組額外之銅損，使電機(jī)之溫升過高。負(fù)相序電流引起的過熱，會(huì)破壞繞組之絕緣，使繞組產(chǎn)生捷路，致使有效匝數(shù)減少

8、，最後引起故障。如果在不平衡的供電狀態(tài)下想要避免電動(dòng)機(jī)過熱，就必須減少其機(jī)械負(fù)荷，其效果相當(dāng)於減少電動(dòng)機(jī)的有效容量，我們稱這樣的情形為減額運(yùn)轉(zhuǎn)(derating)，例如一部額定10馬力的電動(dòng)機(jī)在不平衡電壓下，可能只能輸出7.5馬力。25雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室NEMA GM 1-1993對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)操作在不平衡電壓下所建議的減額因數(shù)26雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室電壓不平衡使電動(dòng)機(jī)的溫升與損失都快速增加27雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室NEMA所分類的A, B, F, H四級(jí)絕緣材料平均壽命和溫度的關(guān)係，其中絕緣材料壽命隨溫度遞減的關(guān)係符合經(jīng)驗(yàn)公式每10C減少一半壽命的推論。28雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室

9、電壓不平衡對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)之影響除了溫升的問題，負(fù)相序電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正好與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩因而減弱。正、負(fù)相序電流產(chǎn)生兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的磁勢(shì)波在氣隙中互相作用，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)波都是以同步速度旋轉(zhuǎn)，其互相作用的頻率正好是電源頻率的兩倍，所以電動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)120-Hz的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,其大小和電壓不平衡的程度成正比。脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)軸額外的應(yīng)力負(fù)擔(dān)，也是電機(jī)振動(dòng)(vibration)的來源之一。當(dāng)三相電壓不平衡時(shí)，電動(dòng)機(jī)的合成氣隙磁勢(shì)波會(huì)隨著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置而改變，所以會(huì)造成電機(jī)鐵芯的局部飽和，諧波電流因而產(chǎn)生。29雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室電壓不平衡對(duì)整流電路之影響如果整流器的交流

10、輸入電壓是平衡的，則其交流側(cè)會(huì)產(chǎn)生(pk1)階的諧波電流成份，其中p為脈波數(shù)(pulse number)，k為正整數(shù)，例如六脈波整流器會(huì)產(chǎn)生5, 7, 11, 13, 17, 19.階的諧波電流，這些諧波稱為特性諧波(characteristic harmonics)。30雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室電壓不平衡對(duì)整流電路之影響但是如果整流器的交流電源是不平衡的三相電壓，則交流側(cè)除了特性諧波之外，還會(huì)產(chǎn)生三次及其倍數(shù)之奇次非特性諧波(uncharacteristic harmonics) (3, 9, 15, 21,.階)，由於整流器之輸入電流不平衡，其三次諧波就不完全是零相序電流，而無法以接之變壓

11、器繞組消除。31雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室三相六脈波整流器以平衡電壓供時(shí)的電流波形，其頻譜之中僅含特性諧波32雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室不平衡電壓供電時(shí)的電流波形，其頻譜中除了特性諧波之外，還含有三次諧波及其奇次倍之非特性諧波。33雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室供電系統(tǒng)供電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)對(duì)負(fù)相序電流的承受能力也相當(dāng)有限，過度的不平衡電流會(huì)觸動(dòng)發(fā)電機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)引起發(fā)電機(jī)跳脫，此種情形會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的供電可靠度。配電系統(tǒng)三相負(fù)載的不平衡也是增加系統(tǒng)損失的重要原因之一，而且會(huì)降低設(shè)備及線路的供電能力。電壓調(diào)整設(shè)備在不平衡電壓下容易誤動(dòng)作，特別是線路電壓補(bǔ)償設(shè)備。34雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.7 電壓不平衡的

12、管制標(biāo)準(zhǔn)目前我國對(duì)三相電壓不平衡並未制訂管制標(biāo)準(zhǔn)，以下依旋轉(zhuǎn)電機(jī)機(jī)、整流設(shè)備及供電系統(tǒng)列舉出不同標(biāo)準(zhǔn)所建議的電壓不平衡率管制值。35雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.7.1 供電系統(tǒng)臺(tái)灣電力公司在架空配電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)(臺(tái)灣電力公司業(yè)務(wù)處編，民國68年)中規(guī)定電壓的容許不平衡率為4.5%，其不平衡率的定義如(6.8)式，惟並未指明電壓是線電壓或相電壓。由於在電力工程中如果沒有特別指明，三相系統(tǒng)中的電壓均指線電壓，因此我們認(rèn)定其定義如(6.8)式。36雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.7.1 供電系統(tǒng)由NEMA所制定的美國國家標(biāo)準(zhǔn)C84.1-1995建議供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與操作必須使電壓不平衡率(lu，如(6.8

13、)式)的最大值，無載時(shí)在計(jì)費(fèi)表處的量側(cè)值限制在3%以內(nèi)。IEC的標(biāo)準(zhǔn)則建議供電系統(tǒng)的最大電壓不平衡因數(shù)(t)限制在2%以下。歐聯(lián)電力供應(yīng)聯(lián)盟(International Union of Producers and Distributors of Electrical Energy, UNIPEDE)規(guī)定供電業(yè)者在低壓供電網(wǎng)路必須保持電壓不平衡因數(shù)(t，如(6.11)式)在2%以下。37雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室法國國家標(biāo)準(zhǔn)法國在電壓不平衡的管制標(biāo)準(zhǔn)上獨(dú)樹一格，把統(tǒng)計(jì)型管制標(biāo)準(zhǔn)的概念表現(xiàn)無遺。 NF-EN-50165 (May 1995)的規(guī)定為(1)正常條件下，在七日(一週)中，以10 分鐘為

14、區(qū)間所計(jì)算出來的電壓不平衡因數(shù)的有效值，百分之九十五必須在0%和2%之間；(2)特殊條件下，三相供電端之電壓不平衡因數(shù)之上限為3%。38雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室電壓不平衡因數(shù)的有效值是指在10分鐘內(nèi)如果有N個(gè)電壓不平衡因數(shù)的量測(cè)值 ，則 t 的有效值為法國國家標(biāo)準(zhǔn)39雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室法國國家標(biāo)準(zhǔn)40雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.7.2 旋轉(zhuǎn)電機(jī)IEC 34-1 於1969年出版的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定旋轉(zhuǎn)電機(jī)必須能夠在2%的穩(wěn)態(tài)電壓不平衡因數(shù)下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是自1983年以後的標(biāo)準(zhǔn)修改為：旋轉(zhuǎn)電機(jī)必須在1%穩(wěn)態(tài)之電壓不平衡因數(shù)下，或1.5%短時(shí)間之電壓不平衡因數(shù)下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。NEMA MG1-1993建議感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電壓不平衡率如果超過1%，則必須依圖6.5所示的曲線作減額運(yùn)轉(zhuǎn)。IEEE的標(biāo)準(zhǔn)IEEE std 141-1993與IEEE std 241-1990也都建議依圖6.5所示的減額因數(shù)曲線來運(yùn)轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。41雲(yún)科電機(jī) 電力品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室6.7.3 整流設(shè)備IEC及歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體整流/變流設(shè)備之電壓不平衡因數(shù)容許上限為5%。在IEEE std 141-1993與IEEE std 241-1990中提及，某些電子設(shè)備(如電腦等)在三相電壓不平衡率超過2%或2.5%時(shí)會(huì)遭遇到問題，而且規(guī)定三相電路的低壓側(cè)如果供電給對(duì)三相不平衡的設(shè)備時(shí)，則不得再連接單相負(fù)載，該單相負(fù)載必須以其他電