第10章电能质量的提高

第十章电能质量的提高第一节电能质量标准与频率调整第二节供电电压偏差及其调节第三节电压波动和闪变及其降低第四节公用电网谐波及其抑制第五节三相电压不平衡及其补偿本章小结一、电能质量标准电压质量——实际电压与标称电压间在幅值、波形和相位上的偏差，反应供电企业向用户供给的电力是否合格。电流质量——对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，保证系统高功率因数运行，有助于降低电能损耗。第一节电能质量标准与频率调整电能质量电压质量及供电可靠性供电质量用电质量服务质量电流质量用户义务一般地，电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。在现代电力系统中，电压暂降和中断已成为最重要的电能质量问题。现行七项电能质量国家标准：GB/T12325－2008《电能质量供电电压偏差》GB/T12326－2008《电能质量电压波动和闪变》GB/T14549－1993《电能质量公用电网谐波》GB/T24337－2009《电能质量公用电网间谐波》GB/T15543－2008《电能质量三相电压不平衡》GB/T15945－2008《电能质量电力系统频率偏差》GB/T18481－2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》。二、电力系统的频率调整电力系统频率偏差——电力系统频率的实际值与标称值之差。电力系统频率偏差主要反映发电有功功率和消耗的有功功率（包括负荷、厂用电以及电网中有功功率损耗）之间平衡关系。同时也反映频率控制的技术水平。电网容量越大，负荷相对变化越小，则频率控制越容易。电力系统中的发电与用电设备只有在额定频率附近运行时，才能发挥最好的功能。系统频率过大的变动，对用户和发电厂的运行都将产生不利的影响。系统频率变化对用户的不利影响主要有三个方面：①引起电动机转速的变化。②使电动机功率降低，传动机械出力降低；③影响电子设备的准确性和工作性能。GB/T15945－2008《电能质量电力系统频率偏差》规定：电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz。当系统容量较小时，偏差限值可以放宽到±0.5Hz。电力系统频率的变化主要是由有功负荷变化引起的。根据负荷的变动进行电力系统的频率调整，分为一次、二次、三次调整。如果电力系统发生短路故障，或用电负荷突然大幅度增加时，电网频率将显著降低，致使电力系统不能正常运行，这时候也可以通过设置低频减载装置来使电力系统的频率得到有效的恢复。一、电压偏差的含义产生电压偏差的主要原因是正常的负荷电流或故障电流在系统各元件上流过时所产生的电压损失所引起的。实际电压偏高或偏低，对运行中的电气设备会造成不良的影响。对照明灯：影响光源寿命或发光效率对电动机：导致铁芯或绕组发热对其他电气设备：使其运行性能发生变化对电子设备：使电子元件特性改变第二节供电电压偏差及其调节电压偏差是系统某点的实际运行电压相对于系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示，即renn%100UUUU二、变压器对电压偏差的影响我国现行的有载调压变压器分接头，110kV为±8×1.25%（17个分接位置），35kV为±3×2.5%（7个分接位置），10（6）kV为±4×2.5%（9个分接位置）。普通无励磁调压变压器分接头为±2×2.5%（5个分接位置）或±5%（3个分接位置），在投入运行前选择一个合适的分接头。201n2ntt2n%100UUUUUU由于变压器分接头选择而引入的电压偏差量可按下式进行计算：变压器一次侧分接头电压Ut＝（1＋t）U1n变压器二次侧的空载电压一次侧分接头所对应的电压增减量201nt2n(1)100UUUU变压器中的电压损失按式计算：TTT2n%10PRQXUU22nT2n%100UUUU当变压器一次侧分接头所加电压为额定电压时,由变压器本身所产生的总电压偏差量为变压器负载时二次侧电压为：20T21n2nt%100UUUUUU20T1n2nt2n%1001100UUUUUU201nTt2n(1)100%UUUUUtT%%UU三、电压偏差的计算GABCδUA%δUT%DδUD%-2-6-40246δUA%ΔUW1%ΔUW2%δU%ΔUW1%δUT%δUD%ΔUW2%指定地点E的电压偏差可由下式计算:E%%%UUU四、电压偏差限值及调节GB12325－2008《电能质量供电电压允许偏差》中规定，供电部门与用户的产权分界处或供用电协议规定的电能计量点的供电电压偏差限值为：35kV及以上供电电压：电压正、负偏差绝对值之和为10%；20kV及以下三相供电电压偏差：±7%；220V单相供电电压偏差：+7%，－10%。（一）电压偏差限值用电设备端子电压偏差限值表名称电压偏差限值（％）名称电压偏差允许值（％）电动机：正常情况下＋5～－5照明：一般工作场所远离变电所的小面积一般工作场所应急照明、安全特低电压供电的照明道路照明＋5～－5＋5～－10＋5～－10＋5～－10（二）电压调节的方式对中枢点的电压进行监视和调节。调压方式：常调压：不管中枢点的负荷怎样变动，都要保持中枢点的电压偏差为恒定值；0.38kV21ΔUl2%=66~10kV5.5ΔUl1%=14a)最大负荷时最小负荷时ΔUT%=3+8.5+10.5=+10-1=+9=+10-30最大负荷最小负荷-6=+7+1.5-7b)10+7426-2-40-8-68δUt%-ΔUT%δUt%-ΔUT%δU%+7108+1.5-6+3.50+9+7-5.5-70420-4-2-6-86c)δU%逆调压：在最大负荷时，升高母线电压，在最小负荷时，降低母线电压。（三）电压调节的方法对于电力用户的供配电系统，电压偏差调节主要以下两方面入手。1.减小线路电压损失2.合理选择变压器的分接头进行供配电系统设计时，应降低系统的阻抗(如增大导线或电缆的截面积；尽量使高压线路深入负荷中心，减少低压配电距离；采用多回路并联供电等）采取无功功率补偿等措施减少线路电压损失，缩小电压偏差的范围。宜使系统三相负荷平衡，减少中性点电位偏移产生的电压偏差。合理选择无励磁调压变压器的电压分接头或采用有载调压变压器可将供配电系统的电压调整在合理的水平上，但这只能改变电压水平而不能缩小偏差范围。一、基本概念第三节电压波动和闪变及其降低（一）电压波动电压波动——指系统电压方均根值（有效值）一系列的变动或连续的改变。电压波动用电压变动值d和电压变动频度r来综合衡量。电压变动d——指电压方均根值曲线上相邻两个极值电压之差，以系统标称电压的百分数表示。即n100%UdU电压变动频度r——指单位时间内电压变动的次数（电压由大到小或由小到大各算一次变动）。不同方向的若干次变动，如间隔时间小于30ms，则算一次变动。波动负荷——指生产（或运行）过程中周期性或非周期性地从供电网中取用变动功率的负荷。例如：炼钢电弧炉、轧钢机、电弧焊机等。波动负荷在系统阻抗上引起电压降的波动，导致系统公共连接点的电压出现波动现象。当负荷波动时，系统阻抗越大（或短路容量越小），则其所导致的电压波动越大，这决定于供电系统的容量，供电电压，用户负荷位置、类型、大功率用电设备的起动频度等。电压波动的危害表现在：照明灯光闪烁引起人的视觉不适和疲劳，影响工效；可使电子设备和电子计算机无法正常工作；电动机转速不均匀，影响电机寿命和产品质量；影响对电压波动较敏感的工艺或试验结果。电压波动是由波动负荷所引起的。（二）闪变闪变——指电压波动引起灯光照度不稳定造成的视（觉）感（受）。短时间闪变值基本记录周期为10min长时间闪变值基本记录周期为2h一般采用闪变仪（一种测量闪变的专用仪器）进行测量。（三）电压变动和闪变的限值按GB/T12326－2008《电能质量电压波动和闪变》规定任何一个波动负荷用户在电力系统公共连接点产生的电压变动，其限值和电压变动频度、电压等级有关。二、电压波动的测量和估算当电压变动频度较低且具有周期性时，可通过电压方均根值曲线U(t)的测量，对电压波动进行评估。单次电压变动可通过系统和负荷参数进行估算。当已知三相负荷的有功功率和无功功率的变化量时LiLi2n100%RPXQdU在高压电网中，一般LLXR远大于，则ik100%QdS在无功功率的变化量为主要成分时（例如大容量电动机起动）ik100%SdS三、电压波动和闪变的降低1.采用合理的接线方式如对波动负荷采用专线供电；与其它负荷共用配电线路时，降低配电线路阻抗；较大功率的波动负荷或波动负荷群与对电压波动、闪变敏感的负荷分别由不同的变压器供电；对于大功率电弧炉的炉用变压器由短路容量较大的电网供电等。2.采用静止无功补偿器静止无功补偿器（SVC）是无功功率快速补偿的新技术，可以减少无功功率冲击引起的电压变动。静止无功补偿器由特殊电抗器和电容器组成，有的是两者之一为可控的，有的是两者都是可控的，是一种并联联接的无功功率发生器和吸收器。FC-TCR补偿器的原理接线图TSC-TCR的原理接线图近年来，电力系统中主要应用的静止补偿器有自饱和电抗器型（SR）和可控硅控制电抗器型（TCR）两种。其中，可控硅控制的并联静止补偿器，又分为两种类型：固定联接电容器（FC）加可控硅控制的电抗器（FC-TCR）和可控硅开关操作的电容器（TSC）加可控硅控制的电抗器（TSC-TCR）。自饱和电抗器型的原理接线图3.采用动态电压调节装置动态电压调节装置（DVR），也称作动态电压恢复装置，是一种基于柔性交流输电技术（FACTS）原理的新型电能质量调节装置，主要用于补偿供电电网产生的电压跌落，闪变和谐波等，有效抑制电网电压波动对敏感负载的影响，从而保证电网的供电质量。串联型动态电压调节器是配电网络电能质量控制调节设备中的代表。DVR装置串联在系统与敏感负荷之间，当供电电压波形发生畸变时，DVR装置迅速输出补偿电压，使合成的电压动态维持恒定，保证敏感负荷感受不到系统电压波动，确保对敏感负荷的供电质量。四、电动机起动时的电压下降电动机起动时，在其供电端子处及配电系统中要引起电压下降。电动机起动时，配电母线上的电压应符合下列规定：在一般情况下，电动机频繁起动时不宜低于系统标称电压的90%；电动机不频繁起动时，不宜低于标称电压的85%。配电母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷，且电动机不频繁起动时，不应低于标称电压的80%。配电母线上未接其他用电设备时，可按保证电动机起动转矩的条件决定；对于低压电动机，尚应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。电动机全压起动供电系统示意图stWP2stMW11SXSU起动回路的额定输入容量配电母线短路容量rTkWrTTkSSSxS电动机起动时配电母线电压下降为kWcstWWkWBcstSQuuSQS电动机起动时其电源端子处电压下降为ststMstWstMSuuS一、谐波的产生与危害第四节公用电网谐波及其抑制谐波分量——一个非正弦周期电气量的傅立叶级数式中阶次大于1的分量，其频率为基波（周期量的傅立叶级数的一次分量）频率的整倍数，也称为高次谐波。随着现代工业的高速发展，电力系统的非线性负荷日益增多。非线性负荷产生的谐波电流注入到电网，使公用电网的电压波形产生畸变。电网的谐波污染所产生的后果较为严重：继电保护和自动装置产生误动或拒动、电气设备产生附加损耗和发热、谐波电流在电网中而增加损耗、电网中谐波对周围的通信系统产生干扰、谐波使电网中广泛使用的各种仪表产生附加误差、增加了电网中发生谐波谐振的可能。二、谐波评价与限值电网中谐波的严重程度按GB/T14549－1993《电能质量公用电网谐波》规定，通常用单次谐波含有率和总谐波畸变率来表示。1100%hhUHRUU1100%hhIHRII2H2()hhUU2H2()hhII电压/电流