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波动与闪变汪颖Tel:13402805679QQ:769429505目录第一节基本概念第二节电压波动第三节闪变第四节闪变的评估方法第五节电弧炉用电特性分析第六节电压波动与闪变的测量第一节基本概念一、方均根值电压的变动特性二、典型电压变动现象一、方均根值电压的变动特性方均根电压(RMSVoltage)电力网的瞬时值电压u是随时间t作周期性变化的。周期性非正弦波形的电压,可以分解为基波和谐波电压,基波电压的周期与非正弦电压的周期相同。工频基波电压的标准频率为50Hz,周期为20ms。在工程上通常以电压整周期的方均根值来衡量电压的大小。将工频电压的半周期分成N个等分点,每隔T/2N逐点取电压的瞬时值。设在kT/2N时刻电压的瞬时值为uk,则沿半周期内瞬时电压序列为u0,u1,u2,…,un-1,于是方均根电压U的计算公式为:一、方均根值电压的变动特性1201NkKUuN一、方均根值电压的变动特性0102030500550600650700750800Time[Cycles]Voltage[V]0102030-1000-50005001000Time[cycles]Voltage[V]55.566.576007008009001000Time[cycles]Voltage[V]放大某一处看方均根值一、方均根值电压的变动特性方均根值电压变动特性U(t)是方均根电压的时间函数,它是沿每基波半周期取方均根值顺序逐点画出的图形。()Ut1U2U......kUtdUcU0maxUU1,U2,..,Uk为等间隔记录的电压方均根值。现以电动机启动所引起的电压方均根典型变动曲线为例说明这一变化关系。一、方均根值电压的变动特性()Ut1t2ttcd0maxd3tdt1sdd一、方均根值电压的变动特性()Ut1t2ttcU0maxU3tdt1sdU稳态电压变动值():电动机启动结束后的稳态电压方均根值与额定电压之间的差。maxU动态电压变动值():电动机启动过程中相邻两点极值电压之差。dU通常以标称电压的相对百分数来表示电压变动值:12100%100%NNUUUdUU()Ut1t2ttcd0maxd3tdt1sdd一、方均根值电压的变动特性相对稳态电压变动值:100%ccNUdU相对动态电压变动值:100%ddNUdU相对最大电压变动值:maxmax100%NUdU方均根值电压的变动是系统运行中常出现的一种电压质量现象。IEC标准规定:在低压民用电网中,相对稳态电压变动值应不超过3%;相对动态电压变动值超过3%的时间不应超过200ms;应不超过4%。cdddmaxd一、方均根值电压的变动特性在当代电力系统中,新型的功率冲击性和波动性负荷越来越多,如炼钢用电弧炉、由可控硅整流供电的轧钢机、矿山卷扬机、电焊机、电力机车等,其功率高达几万千瓦甚至十几万千瓦。由于这类干扰性负荷的功率因数普遍较低且无功功率变化量大,所以在其运行时将引起公共连接点(PCC)的电压幅值大幅度快速变动,严重时可能使同一电磁环境下的其他电气设备不能正常工作。二、典型电压变动现象1.电压偏差电压偏差=系统标称电压电压测量值-系统标称电压×100%在一定的电力系统运行条件下,由于总负荷或部分负荷的运行状态与特性的改变,以及变压器分接头调整和电容器、电抗器投入或切除等原因,负荷所需无功功率与配电系统提供的无功功率不平衡,从而导致供电电压出现持续性的逐渐偏离标称电压的情况。这种电压方均根的相对缓慢变动也称为长期电压变动(longdurationvariations),或稳态电压变动。根据电压测量值相对系统标称电压的电压正偏差与负偏差,还可以进一步分为过电压和欠电压。二、典型电压变动现象2.电压波动由于波动性负荷在运行过程中频繁的从配电系统取用快速变动电能,即出现冲击性功率变化,造成公共连接点电压在短时间里急剧变动,并明显偏离标称电压值(IEEE相关文件中给出的典型电压波动范围为0.1%-7%,变化频率小雨25Hz)。相对电压偏差而言,电压波动也成为快速电压变化,或动态电压变动。这里仍以d的大小作为电压波动的量度。为了区分电压波动和电压偏差,在国家电能质量标准中特别对电压的波动性给出了定义,即方均根值电压的变化速率不低于0.2%每秒。maxmin100%NUUdU二、典型电压变动现象3.电压暂降与暂升当系统发生短路故障或由于大容量设备启动等,可能造成供电母线甚至远方的供电母线电压迅速下降,并且跌幅较大,后随即回升,恢复至标称电压的允许范围,其典型持续时间为0.5-30周波,下降幅度为标称电压的90%-10%。这种现象又称为短时欠电压。二、典型电压变动现象4.短时间电压中断当系统发生短路故障时,故障点保护动作,供电端电压迅速下降,其方均根值跌至小于0.1p.u.,经一段时间后重合闸动作成功,重新恢复供电电压至标称电压允许范围。这种过程称为短时间电压中断。5.长时间电压中断由于各种原因,供电电压迅速下降跌至零且长时间不能恢复的现象,称为长时间电压中断,也泛称断电,是电压变动的一种极端情况。这种持续性的长时间电压中断现象与上述电压变动情况有本质性的区别。二、典型电压变动现象电压变动稳态电压变动相对缓慢变化,10min平均电压偏差动态电压变动相对快速变化<25Hz电压波动短时间电压变动0.5c~1min暂降,短时中断长时间电压变动>1min过电压欠电压停电电压变动细化分类图第二节电压波动一、电压波动的含义二、波动性负荷对电压特性的影响三、电压波动限制一、电压波动的含义电压波动(VoltageFluctuation)定义为电压方均根值一系列相对快速变动或连续改变的现象。这种现象将对周边其他负荷正常运行造成危害和影响。其中最突出的是引起照明亮度的闪烁和对人视觉的影响。其变化周期,大于工频周期。在配电系统运行中,这种电压波动现象又可能多次出现,变化过程可能是规则的、不规则的,或者是随机的。024681010.81111.211.411.611.81212.212.412.6Time[s]Voltage[kV]这是一个由电弧炉引起的电压波动,变动明显不规则,试想一下,放大横坐标来看,电压是跳跃形,斜坡形还是准稳态形呢?一、电压波动的含义(a)(b)(c)(d)(a)为周期性等幅矩形电压波动。例:单一阻性负荷投切引起的电压波动。(b)一系列不规则时间间隔阶跃电压波动。其电压波动幅值可能相等,或不等。例:多重负荷投切引起的电压波动。(c)非全阶跃式可明显分离的电压波动。例:非线性电阻负荷运行引起的电压波动。(d)一系列随机的或连续电压波动。例:循环的或随机的功率波动负荷运行引起的电压波动。一、电压波动的含义电压波动的表示为具体描述造成实际电压在短时间里较大幅度变动的特征,将一系列电压变动值中的相邻两个极值之间的变化称为一次电压波动,把两个相邻极值之差称为电压波动值(或波动大小)。实际上,电压波动表现为严重连续偏离额定电压,因此用一系列电压方均根值的两个极值之差,且用其相对值的百分数表示:通常以d的大小作为电压波动的量度。12100%100%NNUUUdUUnomUt基频电压有效值调幅波变化曲线相对电压变动特性一、电压波动的含义tt0载波电压(a)相对电压变动特性(b)调幅波变化曲线vRMS的调幅波电压vRMS的调幅波电压v沿时间轴对被测电压每半个周期求得一个方均根值并按时间轴顺序排列,即可形象地看到连续的电压波动的包络线图形想象中的零轴50Hz工频载波(a)电压波动调制示意图ΔUdv00ut(b)正弦调幅波电压波形10Hz正弦调幅波t一、电压波动的含义为了更直观地表示,下图给出了被观测电压瞬时值的包络线图形。将恒定不变的工频电压看做载波,将波动电压看做调幅波,(b)中的虚线表示工频载波电压峰值的平均电平线,若以此为零轴,该图反应了低频(10Hz)正弦调幅波的变化。一、电压波动的含义如上所述,电压波动的频度是分析电压方均根值变化特性的另一个重要指标。我们把单位时间内电压波动的次数称为电压波动的频度r,一般以分或秒作为频度的单位。请问上页图所示的电压波动的频度是多少?上页图所示的10Hz波动电压,其电压波动值为调幅波的峰谷差值,波动频度为20次/秒。因此,连续电压波动的频度为调幅波频率fF的2倍,表示为:2Frf(次/秒)260Frf(次/min)或一、电压波动的含义()Ut1t2ttcU0maxU3tdt1sdU在这个电动机启动的例子里:在电动机启动一次的过程中,其供电电压实际发生了由高到低后又回升的2次电压变动。但是作为动态电压变动事件,电动机启动一次应算作一次动态电压变动。当电动机频繁启动,或如电弧炉和间歇性通电的负荷工作时,则会出现一系列的电压变动。二、波动性负荷对电压特性的影响引起电压波动的原因是多种多样的:配电系统发生的短路故障或开关操作无功功率补偿装置大型整流设备的投切但是,频繁发生且持续时间较长的电压波动更多是由功率冲击性波动负荷的工作状态变化所致。由于波动性负荷的功率因数低,无功功率变动量也相对较大,并且其功率变化的过程快,因此在实际运行中,可以认为波动性负荷是引起供电电压波动的主要原因。二、波动性负荷对电压特性的影响波动性负荷可以分为两大类:(1)由于频繁启动和间歇通电时,常引起电压按一定规律周期变动的负荷。例如,轧钢机和绞车,电动机,电焊机等。(2)引起供电点出现连续的不规则的随机电压变动的负荷。例如,炼钢电弧炉等。三、电压波动限值从前面的介绍知,供电电压的波动对用电设备和系统安全运行的影响主要决定于波动值的大小和变动的频度。国标中以典型的电弧炉负荷为对象设定了电压波动的极限值(实际上,电压波动限值很少考核,而代之以闪变值作为主要指标)。)(1hr变动频度r波动限值d(%)变动频度r波动限值d(%)LV、MVHVLV、MVHVr≤14310<r≤10021.51<r≤1032.5100<r≤10001.251各级电网电压波动限值表第三节闪变一、基本概念与定义二、闪变视觉系统模型一、基本概念与定义影响:电压波动会引起部分电气设备不能正常工作。一般来说,对电子计算机和控制设备不需要特别去关注在商用和民用建筑的照明设备中,白炽灯占有相当大的数量,电压的波动会造成白炽灯光明显闪烁,严重时使人眼难以忍受,为此,选白炽灯的工况作为判断电压波动值是否能被接受的依据。电压变动值d在10%左右重复变动频率r在5-15Hz白炽灯造成令人烦恼的灯光闪烁严重时,刺激人的视感神经使人们难以忍受而情绪烦躁一、基本概念与定义因此,在研究电压波动带来的影响时,通常选白炽灯光照设备受影响的程度作为判断电压波动是否能被接受的依据。闪变:电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应。换言之,闪变反映了电压波动引起的灯光闪烁对人视感产生的影响。注意:一直以来,人们习惯使用电压闪变(VoltageFlicker)一次代替闪变。严格地讲,闪变是电压波动引起的有害结果,是指人对照度波动的主观视觉反映,它不属于电磁现象。一、基本概念与定义同一观察者反复进行闪变实验不同观察者闪变视感程度进行抽样调查统计分析找出相互间有规律的关系曲线利用函数逼近的方法获得闪变特性的近似数学描述闪变的评价方法不是通过纯数学推导与理论证明得到,而是通过观察者的实验得到:1.闪变觉察率F根据IEC推荐的实验条件,采用不同波形、频度、幅值的调幅波工频电压为载波向工频230V、60W白炽灯供电照明,并对观察者的闪变视感实验进行统计可得到有明显觉察和难以忍受者的数量占观察者总数量的比,即式中,A——没有觉察的人数B——略有觉察的人数C——有明显觉察的人数D——难以忍受的人数。%100DCBADCF如果该比值超过50%,说明半数以上的实验观察者有明显的或难以忍受的视觉反映,若把F(%)大于50%定为闪变限值,则对应的电压变动值为该实验条件下电压波动允许值。2.瞬时闪变视感度S(t)为反映人的瞬时闪变感觉水平,用闪变强弱的瞬
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