1 电能质量的定义

      电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。理想状态的公用电网应以恒定的频率、标准正弦波和额定电压对用户供电。同时,在三相交流系统中,各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120度。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、负荷性质多变,加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因,这种理想状态并不存在。因此,产生了电网运行电力设备和供用电环节中的各种问题,也就产生了电能质量的概念,围绕电能质量含义,从不同角度理解通常包括:

     1)电压质量:是以实际电压与理想电压的偏差,反映供电企业向用户供应的电能是否合格的概念。这个定义能包括大多数电能质量问题,但不能包括频率造成的电能质量问题,也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。

     2)电流质量:反映了与电压质量有密切关系的电流的变化,是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外,还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因素运行。这个定义有助于电网电能质量的改善和降低线损,但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题。

     3)供电质量:其技术含义是指电压质量和供电可靠性,非技术含义是指服务质量。包括供电企业对用户投诉的反映速度以及电价组成的合理性、透明度等。

     4)用电质量:包括电流质量与反映供用电双方相互作用和影响中的用电方的权利、责任和义务,也包括电力用户是否按期、如数交纳电费等

      总之,上述定义都是将电能质量与用户的需求相联系,即解决电能质量问题,就是保证系统设备安全运行并提供给用户所需要的质量水平的电能。


      2 电能质量重要指标

      电能质量指标主要包括: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、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。

      2.1 电压偏差

      (1) 定义:

      供电系统在正常运行方式下,某一节点的实际电压与系统的标准电压之差对系统标称电压的百分数。其数学表达式如下:

      确定允许电压偏差是一个综合的技术经济问题,允许的电压偏差小,有利于用电设备的安全、经济运行,但须为此在电网中增添更多的无功电源和调压设备,需要更多的投入。反过来,如果扩大用电设备对电压的适应范围,提高设备在这方面的性能往往也需增加设备的投资。供电系统在正常运行时,负荷时刻发生着变化,系统的运行方式也经常改变,系统中各节点的电压随之发生改变,会偏离电压标称值。电压的这种变化是缓慢的,其每秒电压变化率小于标称电压的1%。供电电压允许偏差是电能质量的一项基本指标,合理确定该偏差对于电气设备的制造和运行,对于电力系统安全和经济都有重要意义。系统无功功率不平衡是引起系统电压偏差的根本原因,无功功率越严重,电压偏差越大。另外供配电网络结构的不合理也能导致电压偏差。供配电线路输送距离过长,输送容量过大,导致截面过小等因素都会加大线路的电压损失,从而产生电压偏差。

      (2) 电压偏差过大所产生的危害:

      ①对用电设备的危害:当电压偏离标称电压较大时,用电设备的运行性能恶化,不仅运行效率降低,还可能由于过电压或过电流而损坏。例如,当电压高于标称电压5%时,白炽灯的寿命会减少30%,当电压高于标称电压10%时,白炽灯的寿命会减小一半,从而使白炽灯的损坏数量大大增加,当电压低于标称电压的5%时,白炽灯的光通量减少18%。当电压低于标称电压10%时,光通量减少30%,从而使照度显著降低。电压过低或过高都会使电动机的温升增加,若电动机长时间处于较大的电压偏差下运行,就可能烧坏电动机绕组,使绕组绝缘老化而缩短电动机的寿命。由于许多家用电器内部都装有动力装置,也即是各种类型的电动机,电压偏差过大同样会影响它们的使用效率和寿命,严重影响人们的正常生活。

      ② 对电网的危害: 输电线路的输送功率受功率稳定极限的限制,而线路的静态稳定功率极限近似与线路的电压平方成正比。系统运行电压偏低,输电线路的功率极限大幅度降低,可能产生系统频率不稳定现象,甚至导致电力系统频率崩溃,造成系统解列。如果电力系统缺乏无功电源,可能产生系统电压不稳定现象,导致电压崩溃。

     (3)国家标准:

       GB12325-90<<电能质量-供电电压允许偏差>>中规定:35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%;10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%;220kV单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%,-10%。


      2.2 电压波动

      (1) 定义:

       电压波动定义为电压均方根一系列相对快速变动或连续改变的现象,其变化周期大于工频周期。电压波动值为相邻电压方均根的两个极限值UmaxUmin之差△U,常以其标称电压的百分数表示其相对百分值:

      在配电系统运行中,这种电压波动现象有可能多次出现,变化过程可能是规则的、不规则的,亦或是随机的。在波动负荷中,以电弧炉引起的电压波动最为严重。多数国家在制定的电压波动与闪变标准中的条款是针对电弧炉负荷设定的。同时电弧炉造成的供电电压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。

      (2) 国家标准:

      GB12326-2000<<电能质量-电压允许波动和闪变>>中规定:在公共供电点的电压波动允许值如下:10kV及以下为2.5%,35kV—110kV为2%,220kV及以上为1.6%。


      2.3 电压闪变

      (1) 定义:

      闪变是经过灯-脑-眼环节反映人对照度的主观视感。为更为本质地描述灯-脑-眼环节的频率特性,IEC推荐引入视感度系数K(ƒ):

       电压闪变通常是以白炽灯的工况作为判断。在所有低频成份中,人眼对8.8Hz的电压波动最为敏感。因此,IEC标准以S=1(S为瞬时闪变视觉度)为察觉单位,对1/2以下的低频成分以8.8Hz为标准作归一化处理,通过S=1下的电压波动频率、电压波动及视觉系数之间的关系将不同频率下的低频电压波动转化为一个特定频率(如8.8Hz)的电压波动,以该特定频率电压波动的限值作为判断是否发生闪变的标准,大于该限值则判断为发生了闪变;反之则没有,闪变与电压波动有着直接的关系,但由于引起闪变的某些量值难以量化,而且它还需要对电压波动(调幅波)频谱分析度进行统计。因此,对闪变的计算远远比计算电压波动要复杂得多。到目前为止还没有准确计算闪变的公式。

      (2) 国家标准:

      GB12326-2000<<电能质量-电压允许波动和闪变>>中规定,对照明要求高的白炽灯负荷为0.4%,对于一般性的照明负荷为0.6%。


      2.4 频率偏差

      (1) 定义:

       频率偏差是指在电力系统正常运行条件下,系统频率的实际值与标称值(50Hz6OHz,我国采用5OHz标准)之差。用公式表示为:

    

       频率是电能质量的重要指标之一,系统负荷特别是发电厂厂用电负荷对频率的要求。要保证用户和发电厂的正常运行就必须严格控制系统频率,使系统的频率偏差控制在允许范围之内。允许频率偏差的大小不仅体现了电力系统运行管理水平的高低,同时反映了一个国家工业发达的程度。

       (2) 频率偏差过大所产生的危害:

       ① 对用电负荷:  工业企业所使用的用电设备大多数是异步电动机,其转速与系统频率有关,系统频率变化将引起电动机转速改变,从而影响产品质量,降低劳动生产率。电动机的输出功率与系统频率有关,系统频率下降使电动机的输出功率降低,从而影响所传动机械的出力,使电子设备不能正常工作,甚至停止运行,而电子设备对系统频率非常敏感,系统频率的不稳定会影响这些电子设备的工作特性,降低准确度,造成误差。

       ② 对电力系统:  降低发电机组效率,严重时可能引发系统频率崩溃或电压崩溃。汽轮机在低频下运行时容易产生叶片共振,造成叶片疲劳损伤和断裂,处于低频率电力系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加,系统所需无功功率大为增加,导致系统电压水平降低,给系统电压调整带来困难。无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比,当系统频率下降时,电容器的无功出力成比例降低,不利于系统电压的调整,使感应式电能表的计量误差加大。

       (3) 国家标准:

       我国电力系统的标准频率为50Hz,GB/T15945-1995<<电能质量-电力系统频率允许偏差>>中规定,电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz,当系统的容量较小时,偏差值可以放宽到0.5Hz,标准中没有说明系统容量大小的界限。在<<全国供电规则>>中规定“供电局供电频率允许的偏差”:电网容量在300万千瓦以上者为±0.2Hz,电网容量在300万千瓦以下者为±0.5Hz。实际的运行中,从各大电力系统看都保持在不大于±0.1Hz范围内。


       2.5 电网谐波

       (1) 定义:

       谐波的国际公认定义是:“谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍”。谐波的一个重要指标就是总谐波畸变率(THD),定义为畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度。用公式表示为:


       式中:THDh-电压总谐波畸变率;Uh-各次谐波均方根值;U1-基波均方根值;M-所考虑的谐波最高次数,由波形的畸变程度和分析的准确度要求来决定,通常取≤50。

       (2) 国家标准:

       GB/T14549-93<<电能质量-公用电网频率谐波>>中规定:6—220kV各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率是:0.38kV为5.0%,6—10kV为4.0%,35—66kV为3.0%,110kV为2.0%;用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限值范围内,所以国标规定各级电网谐波产生的电压总畸变率是:0.38kV为2.6%,6—10kV为2.2%,35—66kV为1.9%,110kV为1.5%。对220kV及其以上其供电的电力用户参照本标准110kV执行。


      2.6 三相电压不平衡度

      (1) 定义:

       电力系统在正常的运行方式下,电量的负序分量均方根之与正序分量均方根值之比。

       式中:U1为三相电压正序分量的均方根值;U2为三相电压负序分量的均方根值。

       电力系统的三相不平衡(或对称)是由于三相负载不平衡(或对称)以及系统元件参数的不对称所致。在研究不对称的三相电力系统时,广泛使用对称分量法,即将任何一组不对称的三相相量(电压或电流)分解成相序各不相同的三相对称的三相相量。三相电源电压畸变不对称时,对于三相四线制电路,电压中除含有谐波分量外,还含有正序、负序、零序分量。对于三相三线制电路,只含有正、负序分量。电力系统三相不平衡可以分为事故性不平衡和正常性不平衡两大类。事故性不平衡由系统中各种非对称性故障引起,比如单相接地短路、两相接地短路或两相相间短路等。而电力系统正常运行时,供电环节的不平衡或用电环节的不平衡都将导致电力系统的三相不平衡。

       (2) 三相不平衡所产生的危害:

       ① 对感应电动机: 电动机的负序电抗很小,所以负序电压产生的负序电流很大,使电动机的铜损增加。铜损的加大不仅使电动机效率降低,同时使电动机过热,导致绝缘老化过程加快。

       ② 对变压器:变压器处于不平衡负载下运行时,变压器容量得不到充分利用。研究表明,变压器工作在标称负载下,当电流不平衡度为10%时,变压器绝缘寿命约缩短16%。

       ③ 对换流器:三相不平衡使换流器的触发角不对称,换流器将产生较大的非特征谐波。非特征谐波电流的出现对换流器的谐波治理提出了更高的要求,直接导致换流器总投资的加大。

       (3) 国家标准:

       GB/T15543-1995<<电能质量-三相允许不平衡度>>中规定:电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%。短时不得超过4%,标准中还规定对每个用户电压不平衡度的一般限值为1.3%。


       2.7 暂态指标

       评估电能质量的技术指标除了以上几节中介绍的稳态指标之外,还有暂态指标,主要有电压暂升、电压暂降、瞬时间断、暂时过电压、瞬态过电压、脉冲等等。其中,由于变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动化生产线以及计算机系统等敏感性用电设备的大量使用,电压暂降(凹陷、跌落)与短时断电(间断)问题引起了有关部门和研究人员的重视,国内外不少专家学者认为这一问题已上升为当前最重要的电能质量问题之一,许多国家已开展了电压暂降的长期监测工作。电压暂降和电压短时间中断通常是相关联的电能质量问题,发达国家早在20世纪80年代初就开始研究电压跌落并取得大量的应用成果。 

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