电能质量讲座(2010)

电能质量讲座北京博电新力电力系统仪器有限公司1前言电力系统中,理想的电压应具备下列特点:★频率稳定,我国电力系统频率为50Hz。★波形为正弦波。★电压幅值稳定，且为规定值，如：0.38kV、10kV等等。★三相间相位依次相差120度。但随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，引起电网电流、电压波形发生畸变，产生电网的谐波污染。另外，冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的公害。为此，国家技术监督局相继颁布了涉及电能质量六个方面的国家标准，即：GB/T15945-2008电能质量电力系统频率偏差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/T14549-93电能质量公用电网谐波GB/T15543-2008电能质量三相电压不平衡GB/T18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压电能质量的国家标准就是从不同方面描述和规定电压和电流的这种非理想状态。2供电电压允许偏差用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上出现电压偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异。•电压偏差计算式如下：电压偏差（％）=（电压测量值－系统标称电压）/系统标称电压×100％《电能质量供电电压偏差》规定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许偏差为：（1）35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10％，如偏差同号，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。（2）20kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的－7％～＋7％；（3）220V单相供电电压允许偏差为标称电压的－10％～＋7％。为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合理性后，对各类用户设备规定了如上的允许偏差值，此值为工业企业供配电系统设计提供了依据。当用户的无功功率较大时，将产生电压偏差，容性无功使电压偏高，感性无功使电压偏低。改善电压偏差的主要措施有：（1）就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量，无功负荷的变化在电网各级系统中均产生电压偏差，它是产生电压偏差的源，因此，就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量，从源上解决问题，是最有效的措施。（2）采用有载调压变压器。从总体上考虑无功负荷只宜补偿到功率因数为0.90～0.95，仍然有一部分变化无功负荷要电网供给而产生电压偏差，这就需要分区采用一些有效的办法来解决，采用有载调压变压器就是有效而经济的办法之一。3公用电网谐波3.1谐波限值谐波是对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量，它是由电网中非线性负荷而产生。《电能质量公用电网谐波》（GB/T14529－1993）中规定了各电压等级的总谐波畸变率，奇次谐波电压含有率和偶次谐波电压含有率的限值，详见下表。该标准还规定了当公共连接点处的最小短路容量等于基准短路容量时,公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（2～25次）的允许值；当公共连接点处的最小短路容量不等于基准短路容量时,公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（2～25次）的允许值按比例变化；同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分电网标称电压kＶ电压总谐波畸变率％各次谐波电压含有率，％奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8配。因此，每个用户向电网注入的谐波电流允许值取决于公共连接点处的标称电压、最小短路容量、供电设备容量以及用户的协议容量。3.2谐波产生的原因在电力的生产，传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。在发电环节，可以近似认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。在其它几个环节中，谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备：(1)具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如：变压器、电抗器等；(2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；(3)以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等。非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，也就是说，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们的电流具有不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真。此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。3.3谐波的危害增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。2)影响继电保护和自动装置的工作和可靠性谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。3)使测量和计量仪器的指示和计量不准确由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，从而谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。4)干扰通信系统的工作电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。5)对用电设备的影响谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。3.4抑制供电系统谐波的一般对策谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，而且还关系到广大电力用户和电器设备制造厂的切身利益。为减少供电系统的谐波问题，一般从管理上和技术措施上采取以下几方面的对策：1)贯彻执行有关谐波的国家标准，加强谐波管理我国于1998年12月14日发布了国家标准GB17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A)》，等效采用IEC6100-3-2：1995，但在技术内容上与该国际标准完全一致。GB17625.1规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备(每相输入电流≤16A)可能产生的谐波的限值。只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入到配电系统中。这样就可以对低压电气及电子产品注入供电系统的总体谐波电流水平加以限制。此外，1993年发布了国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》，该标准考虑了不同谐波源叠加计算的方法，规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户注入电网的谐波电流容许值，对限制公用电网中的谐波起到了积极的作用。认真贯彻执行有关国家标准关于限制谐波的规定，就能从总体上控制供电系统中的谐波水平，保证供电系统供给优质的电力质量。2)增加换流装置的相数换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk(p为整流相数或脉动数，k为正整数)。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效的消除幅值较大的低频项，(其特征谐波次数分别为12k±1和12k)，从而大大地降低了谐波电流的有效值。3)增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置：静止无功补偿装置(SVC-StaticVarCompensator)或更先进的静止同步补偿装置(STATCOMStaticSynchroncusCompensator)，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。4)加装滤波装置(包括无源滤波和有源滤波装置)为了减少谐波对供电系统的影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防让谐波电流的产生，从而降低谐波电压。防止谐波电流危害的方法，一是被动地防御，即在已产生谐波的情况下，采用传统的无源滤波方法(由一组无源元件：电容器、电抗器和电阻器组成的调谐滤波装置)，减轻谐波对电气设备的危害。另一种方法是主动的预防谐波电流的产生，即有源滤波方法。其原理是利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等，相位相反的电流来消除谐波。总之，一方面要严格限制谐波的发射水平。另一方面还要设法提高设备自身的抗谐波干扰的能力，改善谐波保护性能，以做到真正意义上的电磁兼容。4电压波动和闪变《电能质量电压波动和闪变》（GB12326－2008）适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能引起人对灯闪明显感觉的场合。最敏感频率8.8Hz。电压波动即电压方均根值一系列的变动或连续的改变，用电压变动来表示,电压变动是电压方均根值变动的时间函数上,相邻两个极值电压之差,以系统标称电压的百分数表示。闪变即灯光照度不稳定造成的视感，用短时间闪变值Pst和长时间闪变值Plt来表示,短时间闪变值Pst是衡量短时间(10分钟)内闪变强弱的一个统计量值,长时间闪变值Plt是由短时间闪变值Pst推算出的反映长时间(2小时)内闪变强弱的量值。它们是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。电压变动限值见下表。r,h-1d,%r,h-1d,%LV、MVHVLV、MVHVr≤14310r≤10021.51r≤103*2.5*100r≤10001.251注很少的变动频度r(每日少于1次)，电压变动限值d还可以放宽，但不在本标准中规定。2对于随机性不规则的电压波动，依95%概率大值衡量，表中标有“*”的值为其限值。3本标准中系统标称电压UN等级按以下划分：低压（LV）UN≤1kV中压（MV）1kVUN≤35kV高压（HV）35kVUN≤220kV对于220kV以上超高压可参照高压（HV）执行。公共连接点电压闪变限值见下表。系统电压等级≤110kV110kVPlt10.8在进行变动分析时，GB／T12326－2008给出了几种近似的计算公式。但计算变动的基准方法是根据变动的定义，即：先计算每半个基波电压周期方均根值，再对这些值遍历，求出极值点，最后计算相邻两个