电能质量技术讲座

电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”1电能质量技术讲座（概念、影响、标准）演讲人：林海雪中国电力科学研究院电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”2本讲座主要内容1.电能质量基本概念2.电能质量的影响3.电能质量标准电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”3电能质量基本概念1.1电力系统的组成和特点（10kV～110kV）配电线（220kV～500kV）原动机发电机升压变压器输电线降压变压器配电变压器用户有功功率平衡(主要影响系统频率水平)无功功率平衡(主要影响系统电压水平)功率平衡各种干扰：负荷变化；运行操作；故障；雷击电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”4电能质量基本概念1.2电力系统中的电磁现象图1与不良电能质量有关的几个最重要的波形畸变电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”5电能质量基本概念种类典型频谱成分典型持续时间典型电压幅值/pu电磁瞬态冲击ns级μs级ms级5ns上升1μs上升0.1ms上升＜50ns50ns～1ms＞1ms电磁瞬态振荡低频中频升高5kHz5~500kHz0.5~5MHz0.3~50ms20μs5μs0～40～80～4瞬时电压变动中断暂降升高0.5～30周波0.5～30周波0.5～30周波＜0.10.1～0.91.1～1.8表1-1电力系统电磁现象的种类和特征电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”6暂时电压变动中断暂降升高30周波～3s30周波～3s30周波～3s＜0.10.1～0.91.1～1.4短时电压变动中断暂降升高3m～1min3m～1min3m～1min＜0.10.1～0.91.1～1.2长期电压变动持续中断欠电压过电压＞1min＞1min＞1min0.00.8～0.91.1～1.2表1-2电力系统电磁现象的种类和特征电能质量基本概念电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”7电能质量基本概念电压不平衡稳态0.5%～2%直流偏移稳态0～0.1%谐波0～100th稳态0～20%间谐波0～6kHz稳态0～2%缺口稳态噪声宽带稳态0～1%电压波动＜25Hz断续0.1%～7%频率偏差*＜10s波形失真*频率偏差一般控制在±1%范围内。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”8电能质量基本概念1.3电能质量定义PowerQuality——电能质量（电源质量、电力质量、电力品质）¾导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。¾合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是都适合于该设备正常工作的。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”9电能质量基本概念¾在电力系统中某一指定点上电的特性，这些特性可根据预定的基准技术参数来评价。¾电压质量、电流质量、供电质量、用电质量。实际上电能质量就是供电电压特性，即关系到用电设备工作（或运行）的供电电压各种指标偏离理想值（额定值或标称值）的程度。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”10电能质量基本概念1.4电能质量问题的由来¾随电力工业诞生而存在的一个传统问题；¾现代用电负荷结构发生了质的变化。电力电子技术广泛应用，家用电器普及，炼钢电弧炉的发展等，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性引起电能质量的恶化。¾计算机的普及、IT产业的发展、微电子控制技术应用导致对电能质量要求越来越高。例如：一个计算中心失电2s就可能破坏几十个小时数据处理结果，导致几十万美元产值损失；电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”11电能质量基本概念1～2周波供电电压暂降，就可能破坏半导体生产线，导致上百万美元损失。据统计美国因电能质量问题造成的损失每年高达260亿美元。2005年由国际铜业协会（中国）主持的一次“中国电能质量行业现状与用户行为调研报告”中，调查了32个行业，共92个企业中有49个企业，因电能质量问题，在经济上损失2.5～3.5亿元（人民币），每个企业年经济损失约10万～100万（人民币）（其中有四家年损失1000万元以上）。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”12电能质量的影响2.1电能质量指标电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、暂时过电压和瞬态过电压、电压暂降、波形缺口、……电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”13电能质量的影响2.2电能质量指标特点a.空间上、时间上不断变化b.需要供、用电双方共同合作维护电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”14电能质量的影响2.3超标的危害（1）供电电压偏差照明设备的发光和寿命（图2）；电动机的力矩、转速、发热、工效以及产品质量（图3）；变压器的发热、温升、损耗；并联电容器无功出力、寿命；家用电器如电视机的视感、寿命；电子计算机和控制设备不正常；电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”15电能质量的影响图2照明灯的电压特性（a）白炽灯；（b）荧光灯电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”16电能质量的影响图3不同端电压时异步电动机的转矩—转差特性1—U=100%UN；2—U=90%UN3—U=80%UN；4—U=70%UN电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”17电能质量的影响工业设备（如电解、电热）效率降低（表2）；电力系统稳定性降低，线损增加。表2电压偏差与电解铝生产工况的统计表电压偏差（%）0-4.0-6.7-8.6电耗（kWh/t）17200176001825018600电解槽生产率（%）10096.090.087.0电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”18电能质量的影响2.3超标的危害（2）电力系统频率偏差电动机转速变化，影响纺织、造纸等产品质量；传动机械出力变化，影响生产效率；对测量、控制和计时等电子设备精度和性能影响；使感应式电能表计量误差加大；影响发电机和电力系统安全；冲击负荷对近区电网的危害。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”19电能质量的影响2.3超标的危害（3）谐波降低电力设备的利用率，使电气设备（如旋转电机、电容器、变压器）以及导线（如低压中性线、电缆、母排等）过载运行（发热、振动、异常声响等），缩短使用寿命、增加线损；降低断路器遮断容量。例如，馈供给整流负荷的普通电力变压器，其出力应相应的降低。降低值和变压器的杂损比（即附加损耗与基本损耗之比）有关，如表3所列。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”20电能质量的影响表3馈供整流负荷时变压器容量降低（%）杂损比整流器脉动数0.51.01.5612332040244528电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”21电能质量的影响2.3超标的危害（3）谐波干扰继电保护、自动装置和计算机系统；使电子设备工作不正常；使测量和计量仪器（感应式电度表）、仪表误差加大；降低信号传输质量，干扰通信系统；增加电力网中谐振可能性，诱发过电压或过电流的危害；减少白炽灯使用寿命。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”22电能质量的影响2.3超标的危害（4）电压波动和闪变照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳；电视机屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化；电动机转速不均匀、振动、异响，影响产品质量；电子计算机、监测和控制设备等工作不正常（图4）。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”23电能质量的影响图4某些用电设备允许电压波动与其允许波动频度的关系•1区—调节设备用的泵、剧院照明、喷油器等；•2区—独立升降机、提升机、桥式起重机、X光设备等；•3区—电弧炉、手动点焊、落锤、电弧焊、锯、成组升降机等；•4区—活塞泵、空压机、自动点焊机等电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”24电能质量的影响2.3超标的危害（5）三相电压不平衡电机附加发热，并引起二倍频的附加振动力矩使电机负载能力降低（图5、表4）；电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”25电能质量的影响表44kW笼式感应电动机实测数据三相电压不平衡度εU=0εU=5.34%ABBCCAABBCCA380380380380380350空转损耗p0（W）156.5220铁损pFe（W）708.31994.7定子铜损pCu0（W）93.795.3输入功率P1（W）48804960定子铜损pCu1（W）683.5744.9转差率s（%）4.064.26功率因数cosφ0.70.63ABCABC8.88.89.411107.4定子相电流（A）额定负载空载三相线电压（V）电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”26电能质量的影响2.3超标的危害（5）三相电压不平衡引起以负序分量为启动元件的多种保护误动作；换流设备产生附加的谐波电流（非特征谐波）；变压器负载能力下降；在低压配电线路中，引起照明灯的寿命缩短或烧损、电视机损坏、中性线过负荷等；引起线损及线路电压损失增大；影响正常通信质量。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”27电能质量的影响2.3超标的危害（6）暂时过电压和瞬态过电压使设备绝缘破坏，引发事故。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”282.3超标的危害（7）电压暂降（包括短时中断）引起变速驱动装置（ASD）跳闸、程序逻辑控制器（PLC）损坏、各种数字式自动控制装置误动、计算机系统失常，数据丢失；导致相关加工生产线（例如塑料、玻璃、石化、纺织、造纸、半导体以及橡胶等）停顿，大型场所照明失电（例如镝灯，灯灭后需冷却好几分钟后才能启动）等等。电能质量的影响电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”29电能质量的影响图6每次电压暂降对不同用户造成的损失数量级图6为国外统计的一次电压暂降对不同行业可能造成的经济损失。表5为电压暂降对一些设备的危害。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”30表5电压暂降对一些设备的危害电能质量的影响设备电压暂降造成的影响结果冷却控制器当电压低于80%时，控制器动作将制冷电机切除，导致巨大生产损失芯片测试仪当电压低于85%时，测试仪停止工作，芯片、主板被毁坏可编程控制器当电压低于81%时，PLC停止工作；一些I/O设备，当电压低于90%、持续时间仅几十毫秒，就会被切除机器人由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工具，为保证产品质量和安全，工作电压槛值一般设为90%，当电压低于此值、持续时间超过40~60ms时，被跳闸直流电机当电压低于80%时，直流电机被跳闸电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”31电能质量的影响表5电压暂降对一些设备的危害变频调速器当电压低于70%且持续时间超过120ms时，ASD被切除。而对于一些精细加工业中的电机，当电压低于90%且持续时间超过60ms时，电机就会跳闸而退出运行电动机接触器当电压低于50%、持续时间超过20ms，接触器就会脱扣；而有的研究表明，当电压低于70%、甚至更高，接触器就会脱扣计算机当电压低于60%，持续时间超过240ms时，计算工作将会受到影响，如数据丢失电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”32电能质量的影响（8）电压波形缺口由变流装置换相过程造成的电压波形缺口可能影响交流装置的同步或以电压过零进行控制的电子装置正常工作。注意，电压缺口虽然属于波形畸变，但不能用谐波分析来说明它的影响。一般用缺口的深度和面积描述。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”33电能质量的影响2.4案例¾上海某高层大厦一台变压器设计为全部带空调负荷，但投运后由于大量谐波的存在，使得变压器根本就没有办法正常运行。¾90年亚运会期间，网球中心电压暂降造成照明失电10余分钟（照明灯为镝灯，需冷却启动），使场内照明黑了一半，这次事故在国际上造成了非常不好的影响。¾某商厦工程大量采用日光灯，全部采用电子镇流器，正常情况下，零线中产生很大电流，造成电缆发热，变压器温升过高（典型的谐波问题）。电能质量促进联盟“全国电能质量研讨会”34电能质量的影响2.4案例¾某证券公司由于谐波使得网络速度变慢、数据出错，实时交易的动态信息显示屏幕出现大片空白，数据刷新和交易的速度都极慢，且经常中断，根本无法进行交易。¾某宽带运营商由于突然断电造成宽带网络客户不能正常上网，客户索赔几百万。¾北京某化工厂2005年1月18日，外网波动引起断电，聚氯乙烯装置爆炸，停电5-6小时，直接损失30万元。¾某钢铁企业2004年一次停电导致所有生产线上的产品作废，损失上亿元