电能质量之电压波动与闪变分析与检测方法

电压波动与闪变分析与检测方法前言电能质量包括电压、频率、谐波、三相不平衡度、电压的骤升或骤降等等。电压波动是多种电能质量问题的1种。一般是指电网由于雷击、对地短路、发电厂故障及其他外部、内部原因造成电网短时故障,引起的电网电压短时大幅度波动、甚至短时断电数秒钟的现象,但如果设备和系统抵御能力较差,将给生产带来不应有的损失。据统计，自动化程度很高的工业用户一般每年要遭受10～50次与电能质量问题有关的干扰，其中因包括电压波动和闪变在内的动态电压质量问题造成的事故数约占事故总数的83%。电压波动和闪变已成为威胁许多重要用户供电可靠性的主要原因之一,必须对其进行有效的监视与抑制。1电压波动的种类及产生原因电压波动的原因多种多样，其危害均是通过电网电压波动或电源的短时消失使工厂生产受到影响的。引起电压波动的因素有多种多样，有自然界因素引起、有电网本身引起、有用电负荷引起的等等。电压波动从类别上分有3大类:暂态扰动、RMS(RightsManagementServices)扰动及稳态变化，每种类别又对应多种表现形式。1.1暂态扰动暂态扰动分为暂态冲击和短时波动2种表现形式(见图1、图2)，暂态冲击是由雷电、电焊机、负荷开关及电容器开关的合断所引起；短时波动是由线路或电缆开关、电容器开关及负荷开关的合断所引起。图1暂态冲击表现形式图2短时波动表现形式1.2RMS扰动RMS扰动分为电压骤降/骤升、电压中断2种表现形式(见图3、图4),电压骤降/骤升是由远端系统故障所引起;电压中断是由系统保护动作、断路器和熔断器的断开及定期检修所引起。图3电压骤降/骤升表现形式图4电压中断表现形式1.3稳态变化稳态变化分为低电压/过电压、谐波及电压闪变3种表形形式(见图5、图6、图7)，低电压/过电压是由电机起动和负荷增加或减少所引起；谐波是由非线性负荷和系统谐振所引起；电压闪变是由间隙性负荷、电机起动及电弧炉所引起。图5低电压/过电压表现形式图6谐波表现形式图7电压闪变表现形式2电压波动的危害各种电气设备都设计在额定电压下工作。只有电网内各级电压符合标准，才能使用电设备处于最佳工况运行。当用户端电压波动超过允许值时，则用电设备的性能、生产效率、产品质量等都将受到不同程度的影响，发、供、用电设备的出力降低，供电线路损耗增加，电动机起动困难，另外还将影响通信、广播电视质量等。电压波动对电气设备的影响如下。a)荧光灯及电视亮度随电压波动而变化，当电压在较大范围内持续波动时有闪烁感。b)白炽灯。电压高于额定值10%，寿命要缩短70%；电压低于额定值时，发光效率急剧下降。c)高压水银灯。当电压降低20%~30%，持续时间为0.05~1s时，便会熄灭。d)试验设备。这些设备要求有高度的输出精度，当输入电压波动时，其精度不能保证。e)电热设备。电压低于额定电压10%；供热量减少20%以上，升温时间延长；电压高于额定值会影响发热元件的寿命。f)感应电动机。电压波动会使其转矩、滑差率、负荷电流都受到影响，造成转速不稳或过负荷现象。当电压低于额定电压10%，电动机电磁转矩约下降为额定转矩的81%，而且起动时间延长、电流增大，造成绕组线圈发热、损耗增加、效率降低以及功率因数下降，影响电动机的寿命。对于用电磁起动器控制或装有失压保护的异步电动机瞬时电压降低会导致这些保护装置动作，设备就要停止运转，再起动需花时间。3电压波动与闪变的检测3.1调幅波检测要对电压波动与闪变进行有效的抑制，首要的任务就是要准确地提取出波动信号，通常将波动电压看成以工频额定电压为载波、其电压的幅值受频率范围在0.05～35Hz的电压波动分量调制的调幅波。因此，电压波动分量的检出方法可采用通信理论中大功率载波调制信号解调方法，用与载波信号同频同相的周期信号乘以被调信号，将电压波动分量与工频载波电压分离，通过带通滤波器得到波动分量。考虑电压波动分量，就是在基波电压上叠加一系列的调幅波，为使分析简化又不失一般性，研究电压波动的检测方法可分析某单一频率的调幅波对工频载波的调制，将工频电压u(t)的瞬时值解析式写成：)cos())cos(1()(0ttmAtu式中：A为工频载波电压的幅值；0为工频载波电压的角频率；m为调幅波电压的幅值；)cos(tm为波动电压。目前，常用的调幅波检测方法有三种：平方解调检波法、全波整流检波法和半波有效值检波法。3.1.1平方解调检波法国际电工委员会(IEC)推荐平方解调检测法，即将u(t)平方，然后利用解调带通滤波器检测出调幅波。经过0.05～30Hz的带通滤波器便能滤去直流分量和二倍工频分量，从而检测出)cos(2tmA的调幅波即电压波动分量。这种方法较适合用数字信号处理的方法来实现。3.1.2全波整流解调检波法全波整流检波法的基本原理是将输入交流电压u(t)全波整流即进行绝对值运算后再经过解调带通滤波器后便取得波动信号。设u(t)经整流后的电压为g(t)，则g(t)可看作u(t)和幅值为土1、频率为工频的方波p(t)的乘积。将g(t)经过0.05～30Hz的带通滤波器便可检测出tmAcos/2的调幅波即电压波动分量。这种方法较适合于模拟电路加以实现。3.1.3半波有效值检波法半波有效值法是利用RMS/DC变换器将波动输入交流电压变换成脉动直流电压，再经解调带通滤波器后获得波动信号。RMS/DC变换器输出直流电压值为输入交流电压的方均根值，其脉动成分反映了输入电压方均根值的变化。根据半波有效值定义442)(2)(ttdttuTu，将电压u(t)乘方减去相当于平均值的参考电压2/20AU取积分，一般来说，大于等于20的分量在工频一周期的积分值几乎为零，便有)cos()2sin(2)(020wmAwK。将)(K加以适当放大和补偿便可得到待测的调幅波。3.2小波变换检测方法小波变换的检测算法的基本原理是用小波多分辨率信号分解滤波器取代传统同步检波器中的低通滤波器，可精确的检测出电压闪变的包络信号和电压闪变信号的突变时间。小波变换检测方法对含有一种两种及其以上频率的波动信号检测效果较好，但它需同步信号与载波信号同相位，同频率，而且需要分频严格，能量集中的小波基以提高检测精度，通常取Db4的小波，它具有4阶消失矩，中心频率较高，易于提取频率范围较宽的暂态信号和抑制低频载波的混入，有8个滤波器系数，进行快速小波变换的计算量小利用小波对非稳定信号的敏感性，就形成了基于快速小波变换的闪变检测方法，其检测过程如图8所示图8闪变信号的检测过程3.3小波包检测方法小波包分析作为一种新型的分析工具，在时域和频域同时具有良好的局部化性质，比傅里叶分析更为准确可靠利用小波包的多分辨率分解可以很容易的得到所需要的频带范围的信息，并且能够将不同类型的闪变信号有效分离开来。小波包分析不但对低频部分进行了分解，而且对高频部分也做了分解该方法的优点是可以对高频信号做分解，具有很强的信号分解能力。缺点是信号分析的运算量将按指数显著上升，计算速度下降，造成分析的延迟，实时性差，在线测量难度大。3.4基于瞬时无功功率理论的检测方法该方法的基本原理：单相电压信号向后延迟可以得到三相电压，并用三相电压代替三相电流，利用无功功率理论算出瞬时有功，进而算出电压信号包络线。具体方法：三相三线制中，将A相瞬时电压)(tua延时60°就可以得到)(tuc，)()()(tututucab，三相电流用三相电压代替，即：)()(tutuaa，)()(tutiaa；)()()(tututucab，)()(tutibb；)6/()(Ttutuac，)()(tuticc。这样就可以利用无功功率理论进行变换，经过这样处理不需要确定相位，减少了三相不平衡带来的负面影响，进而可求出瞬时功率p，q，由于u，t之间没有相位差所以瞬时无功为0，只剩下瞬时有功功率p，为分析提供了方便。当)(tua中含有谐波分量时，p中除了有直流分量外还包括谐波分量，这就需要通过滤波来提取直流分量计算电压幅度，然后用快速傅里叶变换提取包络信号中携带的电压闪变的幅值和频率信息。该方法能够准确，有效地计算出平稳闪变的参数，也能分析出短时暂态电压闪变时扰动发生的时刻和持续时间并计算出闪变的参数。4电压波动与闪变的抑制合理选择变压器的分接头。合理选择变压器的分接头,保证用电设备的电压水平。设置电容器进行人工补偿。电容器分为并联补偿和串联补偿。并联电容补偿用以改变网络中无功功率分配来抑制电压的波动，提高用户的功率因数，改善电压的质量。串联补偿主要是为了改变线路参数,，从而减少线路电压损失、提高线路末端电压并减少电能损耗。线路出口加装限流电抗器。在变电所35kV线路出口加装限流电抗器，以增加线路的短路阻抗，限制线路故障时的短路电流，减小电压的波动范围，提高变电所的35kV母线遭短路时的电压。采用电抗值最小的高低压配电线路。架空线路的电抗约为0.4Ω/km，电缆线路的电抗约为0.08Ω/km。可见，在同样长度的架空线路和电缆线路上因负载波动引起电压波动是相当悬殊的。因此,条件许可时，应尽量优先采用电缆线路供电。配电变压器并列运行。变压器并列运行是减少变压器阻抗的惟一方法。大型感应电动机带电容器补偿。其目的主要为了对大型感应电动机进行个别补偿，使它在整个负荷范围内都保持良好的功率因数。在线路结构上使电动机和电容器同时投入运行，所以一开始启动就有良好的功率因数，电动机较大的滞后启动电流和电容器较大的超前冲击电流的抵消作用,对电力系统电压波动起到了很好的稳定作用。采用电力稳压器稳压。电力稳压器主要用于低压供配电系统中，能在配电网络的供电电压波动或负载发生变化时自动保持输出电压的稳定，确保用电设备的正常运行。此外，目前大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置，它们也都具有抑制电压波动与闪变的功能，如静无功补偿器(SVC)，有源滤波器(APF)，动态电压恢复器(DVR)，统一电能质量控制器(UPFC)等。5结语电压波动与闪变是重要的电能质量问题。在输电和配电系统中，电压波动通过公共连接点(PCC)传递到电网其它馈电线路上危害其他用户的电气设备，给配电系统的电能质量造成了严重污染。因此,需加强对电压波动和闪变的监测与控制。由于产生电压波动的原因多种多样，抑制电压波动的措施也很多。本文论述了电压波动和闪变的常用检测方法,列举了几种抑制电压波动和闪变的方法。这些研究，对研制闪变检测仪器或采取电压波动抑制措施，具有借鉴和参考价值。