三相电压不平衡的分析及辨别方法

在电力工作中，经常会遇到三相电压不平衡的异常情况，而引起三相电压不平衡的原因有多种，如：单相接地、断线、谐振等，运行管理人员只有将其正确区分开来，才能快速处理。
　　一、 断线故障  如果一相断线但未接地，或断路器、隔离开关一相未接通，电压互感器保险丝熔断均造成三相参数不对称。上一电压等级线路一相断线时，下一电压等级的电压表现为三个相电压都降低，其中一相较低，另两相较高但二者电压值接近。本级线路断线时，断线相电压为零，未断线相电压仍为相电压。
　　二、接地故障  当线路一相断线并单相接地时，虽引起三相电压不平衡，但接地后电压值不改变。单相接地分为金属性接地和非金属性接地两种。金属性接地，故障相电压为零或接近零，非故障相电压升高1.732倍，且持久不变；非金属性接地，接地相电压不为零而是降低为某一数值，其他两相升高不到1.732倍摘自:工变电器。
　　三、谐振原因  随着工业的飞速发展，非线性电力负荷大量增加，某些负荷不仅产生谐波，还引起供电电压波动与闪变，甚至引起三相电压不平衡。谐振引起三相电压不平衡有两种：一种摘自:工变电器是基频谐振，特征类似于单相接地，即一相电压降低，另两相电压升高，查找故障原因时不易找到故障点，此时可检查特殊用户，若不是接地原因，可能就是谐振引起的。另一种是分频谐振或高频谐振，特征是三相电压同时升高。另外，还要注意，空投母线切除部分线路或单相接地故障消失时，如出现接地信号，且一相、两相或三相电压超过线电压，电压表指针打到头，并同时缓慢移动，或三相电压轮流升高超过线电压，遇到这种情况，一般均属谐振引起。
如果三相电压不平衡时，应先检查三相负荷情况。对Δ/Y接线的三相变压器，如三相电压不平衡，电压超过5V以上则可能是变压器有匝间短路，须停电处理。对Y/Y接线的变压器，在轻负荷时允许三相对地电压相差10；在重负荷的情况下要力求三相电压平衡摘自:工变电器。
随着我国经济的不断发展，越来越多的非线性、冲击性负载的投入使用，使得电网的谐波污染日益严重。电网谐波的治理目前主要有LC无源滤波和基于电力电子技术的电力有源滤波器（APF）两种方式。与LC无源滤波器比较，有源滤波器具有反应速度快，能对变化的无功及电网谐波电流实现连续动态的跟踪补偿，滤波特性不受系统阻抗的影响等优势［1］。为了获得电力有源滤波器控制电路所需的补偿参考电流指令信号，实时检测非线性负载电流中的谐波分量和基波有功、无功分量是技术关键，其准确性将影响到电力有源滤波器的滤波性能。
1  目前，应用于无有源滤波器中的补偿参考电流检测方法大致有以下几种。
根据文献：
［1］提出基于瞬时无功功率理论的p－q法，但该方法只适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测。
［2］提出基于快速傅立叶变换（FFT）的检测方法，该方法延迟时间长，实时性差。
［3］提出用小波变换提取基波分量的方法，由于难于构造分频严格、能量集中的小波，其检测精度有待改善
［4］提出自适应电流检测方法，其缺点是动态响应速度慢且不能滤除基波负序电流
［5］提出ip－iq检测法，该方法具有较好的实时性，计算量少，更适合电流的快速检测。但当三相电压不对称时，该方法对基波有功、无功电流的检测存在误差。本文在分析ip－iq法检测误差的基础上，提出了一种改进的ip－iq检测法，该方法在电压三相不对称且畸变的情况下仍能正确检测谐波与基波有功、无功电流。
2　ip－iq检测法原理简介
　　ip－iq检测法。A相电压信号，PPL为锁相环，由锁相环控制其后的正弦、余弦发生电路，产生与A相电压同相位的正弦和余弦信号，以此消除电压畸变对检测精度的影响。对应图1简介ip－iq检测法原理。由于在三相电流不对称情况下ip－iq法仍然能正确检测到正序基波电流，为了简便起见本文均以三相电流对称为例进行说明。设电网三相瞬时电流ia、ib、ic除基波电流外还包含高次谐波电流，可表示为　　式（1）中n＝3k±1，k为整数，n＝1时为基波，其余为各次谐波。ω为角频率，In、φn分别为各次电流的有效值及初相角。图1中变换矩阵为：
　　电网三相瞬时电流与矩阵C相乘，得到瞬时有功电流ip与瞬时无功电流iq。
ip、iq经低通滤波（LPF）后得到，它们经反变换后得到基波电流ia1、ib1、ic1，
最后，由电网电流减去基波电流ia1、ib1、ic1得到高次谐波电流。

3　三相电压不对称时ip－iq检测法误差分析　　
　　当三相电压不对称时，A相电压的初相角与A相正序电压的初相角间存在相位差。ip－iq检测法中的锁相环只能提取出A相电压，而不是A相正序电压。现设A相电压的初相角与A相正序电压的初相角间的相位差为θ，进行误差分析。由于存在相位差θ，矩阵C变为可见相位差θ的出现，对基波电流的检测没有影响，由于谐波电流由式（6）计算，因此对谐波电流也没有影响。将式（7）、式（8）分别与式（13）、式（14）比较，对于三相基波有功、无功电流，相位差θ的出现使得基波有功、无功电流的幅值和相位都产生了误差。
4　改进的ip－iq检测方法
　　由前面误差分析可知，当三相电压不对称时，ip－iq检测方法对基波有功、无功电流的检测存在误差。在有源滤波器中，如果要对谐波和无功同时进行补偿，控制电路所需的补偿参考电流摘自:工变电器由电网电流减去基波有功电流得到，因此，精确检测基波有功电流对有源滤波器具有重要作用。为了精确检测基波有功、无功电流，必须对传统的ip－iq检测方法的参考电压提供电路进行改进，使其能够提取出A相正序基波电压ea1。本文提出了一种改进的ip－iq检测方法，其采用了基于低通滤波器的A相正序基波电压提取单元，用以代替传统ip－iq检测法中的锁相环单元。基于低通滤波的A相正序基波电压提取单元如图2所示。该单元在三相电压畸变且不对称时，仍然能正确地提取A相正序基波电压ea1。现分析其工作原理。设电源电压畸变且不对称，即含有高次谐波和负序电压。

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