配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)負(fù)載不平衡分析

呂強(qiáng)，徐曄，崔陳華，侯鵬飛，楊濤

（解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，南京 210007）

0 引言

TN系統(tǒng)在我國(guó)供電系統(tǒng)中一度占據(jù)了主導(dǎo)地位，其發(fā)展和建設(shè)水平也相對(duì)成熟。而具有高可靠性的IT系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用依然僅局限某些特定場(chǎng)合。特別是配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)，如圖1所示，則研究更少。文獻(xiàn)[1]詳細(xì)分析了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)IT系統(tǒng)不宜配出中性導(dǎo)體的緣由，并且提出了IT系統(tǒng)配出中性導(dǎo)體后絕緣監(jiān)測(cè)的方法；文獻(xiàn)[2]側(cè)重分析了配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)相導(dǎo)體和中性導(dǎo)體發(fā)生接地故障后電壓與電流變化規(guī)律；文獻(xiàn)[3]則在文獻(xiàn)[1][2]的基礎(chǔ)上分析了配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)接地故障保護(hù)和絕緣監(jiān)測(cè)原理?？梢哉f(shuō)配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)接地故障保護(hù)和絕緣監(jiān)測(cè)方面的研究正不斷深入，然而，由于中性導(dǎo)體的配出，負(fù)載條件下IT系統(tǒng)電能質(zhì)量,特別是非線性負(fù)載不平衡帶載能力以及與TN系統(tǒng)比較等,目前尚無(wú)研究。因此,本文主要從負(fù)序電壓不平衡度，負(fù)載電壓畸變率，電壓波動(dòng)，中性導(dǎo)體不平衡電流角度分析配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)不平衡帶載能力,為該系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 負(fù)載不平衡電能質(zhì)量分析

衡量系統(tǒng)供電電能的質(zhì)量，通常以供電電壓的頻率、偏移、波動(dòng)、閃變、間斷、塌陷、尖峰、諧波、畸變、三相不平衡和高頻干擾等指標(biāo)來(lái)表征。負(fù)載不平衡屬于電能質(zhì)量重要指標(biāo)之一[4]。

1.1 負(fù)序電壓不平衡度

不平衡度（unbalance factor）ε，指電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度。為衡量電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)由于負(fù)序分量引起的公共連接點(diǎn)的電壓不平衡，參照 IEC 標(biāo)準(zhǔn),GB/T15543-1995、GB/T15543-2008[5,6]均對(duì)三相三線制以及三相四線制電力系統(tǒng)電壓不平衡度做了詳細(xì)規(guī)定并且給出了相應(yīng)的計(jì)算算法。配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)屬于典型的三相四線制加保護(hù)線系統(tǒng)，負(fù)載不平衡時(shí)，相對(duì)中性導(dǎo)體電壓中一般含有零序分量，因此推薦采用GB/T15543-2008.B1規(guī)定的計(jì)算算法，方法簡(jiǎn)單，同時(shí)也可以反映三相電壓相位不平衡。

圖1 配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)原理圖

負(fù)序電壓不平衡度是指電壓負(fù)序基波分量與正序基波分量的方均根值百分比，用εU2表示，其計(jì)算表達(dá)式如下：

1.2 中性導(dǎo)體電流

配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)與TN系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別就在于中性導(dǎo)體的配出并且對(duì)地絕緣。在TN系統(tǒng)中，因單相負(fù)載不平衡導(dǎo)致的基波剩余電流或者非線性負(fù)載導(dǎo)致的零序諧波電流隨中性線與等電位接地保護(hù)線的不同連接，分布也各有不同。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在TN及TT系統(tǒng)接地型式的低壓電網(wǎng)中，當(dāng)選用Y,yn0結(jié)線組別的三相變壓器時(shí)，單相不平衡負(fù)荷引起的中性線電流不得超過(guò)低壓繞組額定電流的25%，同時(shí)其一相電流滿載時(shí)不得超過(guò)額定電流值[7,8]。但是配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)遇到同樣的不平衡負(fù)載時(shí)，不平衡電流均經(jīng)過(guò)中性導(dǎo)體，導(dǎo)致中性導(dǎo)體電流較大，不僅考驗(yàn)系統(tǒng)其它方面的性能指標(biāo)是否合格，同時(shí)也關(guān)系到該系統(tǒng)中性導(dǎo)體的選型。因此有必要研究中性導(dǎo)體電流在同樣標(biāo)準(zhǔn)下配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)負(fù)載不平衡指標(biāo)。

1.3 中性點(diǎn)對(duì)地電壓

如圖2所示，三相對(duì)地電壓不平衡時(shí)，發(fā)生中性點(diǎn)電位偏移。

圖2 中性點(diǎn)電位偏移向量圖

與TN系統(tǒng)不同的是，配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體對(duì)地絕緣。負(fù)載對(duì)稱(chēng)時(shí)，只考慮電纜對(duì)地電容、對(duì)地絕緣電阻、電纜本身阻抗，中性點(diǎn)電位會(huì)有一定程度漂移，但幅值較小。實(shí)際負(fù)載運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電位受各相對(duì)地絕緣電阻影響，而各相對(duì)地絕緣電阻隨負(fù)載的增多、溫度、濕度等發(fā)生很大變化，各類(lèi)檢測(cè)儀表接入系統(tǒng)（由系統(tǒng)自身電源供電），也將牽制中性導(dǎo)體對(duì)地絕緣電阻進(jìn)而影響中性點(diǎn)電位大小。

1.4 畸變率

總諧波畸變率THD（total harmonic distortion）是衡量系統(tǒng)諧波的重要指標(biāo)。

電壓諧波總畸變率THDU定義為：

其中Un為n次諧波電壓有效值；N是考慮到的最高諧波次數(shù)；U1為基波電壓有效值。將上式中的電壓有效值換成電流有效值即為電流畸變率。

2 負(fù)載不平衡測(cè)試

我單位與江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司合作搭建了配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)原型系統(tǒng)，基本原理如圖1所示，高壓側(cè)由第一級(jí)變壓器引入市電并進(jìn)行升壓隔離，再經(jīng)D,yn11接法的配電變壓器配送至各級(jí)負(fù)載。采用20 kW三相電阻箱模擬三相線性負(fù)載，自制水電阻作為線性不平衡負(fù)載。非線性負(fù)載采用三相或者單相不可控式整流器模擬，其功率大小由直流側(cè)水電阻調(diào)節(jié)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用ISB2703模塊，傳送至主機(jī)，隨不平衡負(fù)載的增加進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。另外，變壓器負(fù)載側(cè)中性導(dǎo)體與地線間安裝接地開(kāi)關(guān)，保證在同樣條件下測(cè)量配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)與TN系統(tǒng)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)參數(shù)的可比性。

2.1 線性負(fù)載不平衡試驗(yàn)

三相線性負(fù)載平衡時(shí)，加載C相線性負(fù)載功率，至中線電流比大于25%，觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況，測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Simulink/MATLAB中分析如下。

圖3 負(fù)載電壓隨中性導(dǎo)體電流變化趨勢(shì)

將以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：

1） 負(fù)載電壓波動(dòng)隨中線電流比增加的變化規(guī)律見(jiàn)圖3，中線電流比由0（分別示系統(tǒng)空載和負(fù)載對(duì)稱(chēng)）增至33.1%時(shí)，各相對(duì)中性導(dǎo)體電壓均有不同程度跌落，A相電壓由空載的234.2 V降至229.8 V，波動(dòng)-1.88%；B相電壓由空載的234.5 V跌落至228.0 V，波動(dòng)-2.77%；C相電壓由空載時(shí)的234.9 V跌落至225.6 V，波動(dòng)-3.96%。電壓波動(dòng)均在國(guó)標(biāo)規(guī)定的-10%范圍內(nèi)[7,8]，也符合諸多負(fù)載要求的-7%范圍。

圖4 電壓不平衡度隨中性導(dǎo)體電流變化趨勢(shì)

圖5 負(fù)載電流隨中性導(dǎo)體電流變化趨勢(shì)

表1 線性負(fù)載不平衡中性點(diǎn)電位變化

2）負(fù)載電壓不平衡度隨中線電流比變化如圖4所示，與TN系統(tǒng)相比較，配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)不平衡度由空載時(shí)的0.2%增至1.7%，稍有波動(dòng)，性能較好。當(dāng)中線電流比為33.1%時(shí)，εU-%依然未超過(guò)規(guī)定值2%[5,6]。

3）隨C相負(fù)載不平衡負(fù)載增加，除C相負(fù)載電流逐級(jí)增大外，A、B兩相電流保持穩(wěn)定并有略微下降，這是因?yàn)樵囼?yàn)中電纜以及變壓器有一定阻抗，負(fù)載電壓隨不平衡電流增加有所下降，但是波動(dòng)范圍較小，不會(huì)對(duì)三相負(fù)載正常工作造成影響。

4）由表1可知，由空載到負(fù)載不平衡，系統(tǒng)不平衡程度逐漸增大，中性點(diǎn)電位波動(dòng)明顯，但均為未超出20 V范圍，這說(shuō)明UN受諸多因素的影響而不穩(wěn)定，不僅僅是負(fù)載不平衡這一因素，使用中應(yīng)當(dāng)注意。

2.2 非線性負(fù)載不平衡試驗(yàn)

三相線性負(fù)載平衡背景下，加載C相整流負(fù)載的功率，至中線電流比大于25%，觀察系統(tǒng)電能質(zhì)量情況。

表2 非線性負(fù)載不平衡畸變率及中性點(diǎn)電位變化

由表2數(shù)據(jù)分析知，從空載到負(fù)載平衡，電流和電壓總畸變率均符合IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波限值的規(guī)定。隨著非線性負(fù)載功率增大，C相電流電壓畸變率急劇增大，同時(shí)其B、C相電流與電壓畸變率也逐漸增大。中線電流比為24.8%時(shí)，C相電流諧波含量較大，電壓畸變率也已經(jīng)超出限值，屬于典型的電流畸變引發(fā)的負(fù)載電壓畸變，同實(shí)際電力系統(tǒng)帶非線性負(fù)載運(yùn)行時(shí)的情況相同，應(yīng)當(dāng)采取相關(guān)濾波措施治理諧波，改善電能質(zhì)量。此外中性點(diǎn)電位隨負(fù)載增大而總體上升，但沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯變化規(guī)律，同上一節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖6 負(fù)載電壓波動(dòng)

圖7 負(fù)序電壓不平衡度變化

結(jié)合圖6不難得出，UCN隨負(fù)載不平衡度的增加降落幅度較為明顯，由空載時(shí)的233 V跌落至228.2 V，跌落-2.1%，A、B略有波動(dòng)但是幅度較小。

如圖7所示，TN系統(tǒng)與配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)負(fù)序電壓不平衡度曲線相互交錯(cuò)，當(dāng)中線電流比為29.6%和35.7%時(shí)，電壓不平衡度最大為1.8%，小于標(biāo)準(zhǔn)2%的規(guī)定，這表明配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體承受25%的單相不平衡電流時(shí)，電壓不平衡度以及電壓波動(dòng)均滿足標(biāo)準(zhǔn)和負(fù)載供電要求。

圖8 負(fù)載電流波形及C相電流諧波分布（中線電流比為35.7%）

C相負(fù)載電流因整流器負(fù)載的加入畸變較為嚴(yán)重，造成變壓器內(nèi)部磁路不平衡，導(dǎo)致A、B相電壓發(fā)生變化，所以電流也發(fā)生畸變。其中C相電流諧波分布如圖8（b）所示，導(dǎo)致負(fù)載電流波形惡化的主要原因是零序諧波以及5次諧波，這也是三相四線制配電系統(tǒng)帶非線性負(fù)載時(shí)諧波分布的特點(diǎn)之一。

圖9 負(fù)載電壓波形及C相電壓諧波分布（中線電流比為35.7%）

由圖9和表2可知，負(fù)載電壓的畸變主要是由于畸變電流在變壓器繞組產(chǎn)生了壓降以及磁路不對(duì)稱(chēng)所致，中線電流比為35.7%時(shí)，C相負(fù)載電壓已發(fā)生嚴(yán)重畸變，超出IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)THDU8%[9]的要求，且電壓分布中存在大量的零序諧波電壓以及5次諧波，應(yīng)采取APF或者APF與無(wú)源濾波器的配合消除諧波即可，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

3 結(jié)束語(yǔ)

分析了電壓不平衡度、中性導(dǎo)體電流、以及中性點(diǎn)電壓、畸變率等指標(biāo)對(duì)配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)研究的意義和必要性，實(shí)驗(yàn)證明，與TN系統(tǒng)相比，配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)帶單相線性負(fù)載平衡時(shí)，同樣上述四方面的指標(biāo)均能滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，具備不平衡帶載能力；帶單相非線性負(fù)載不平衡時(shí)，相關(guān)指標(biāo)的分析表明系統(tǒng)具備非線性負(fù)載不平衡帶載能力，但是筆者建議，采用目前成熟的濾波技術(shù)對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行治理，以保證電流畸變率較小，且不會(huì)導(dǎo)致電壓畸變率超標(biāo)?？傮w而言，配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)具備良好的不平衡負(fù)載能力，其發(fā)展應(yīng)當(dāng)予以重視。

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