電能質量技術應用講座

1、電能質量技術應用講座電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響 電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控 電能質量標準解析電能質量標準解析 電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響n 電能質量定義電能質量定義 Power Quality電能質量（電源質量、電力質量、電力品質） 導致用戶設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差 合格電能質量的概念是指給敏感設備提供的電力和設置的接地系統(tǒng)是都適合于該設備正常工作的 在電力系統(tǒng)中某一指定點上電的特性，這些特性可根據(jù)預定的基準技術參數(shù)來評價 電壓質量、電流質量、供電質量、用電質量 實際上電能質量

2、就是供電電壓特性，即關系到用電設備工作（或運實際上電能質量就是供電電壓特性，即關系到用電設備工作（或運行）的供電電壓各種指標偏離理想值（額定值或標稱值）的程度行）的供電電壓各種指標偏離理想值（額定值或標稱值）的程度 電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響n 電能質量問題的由來電能質量問題的由來 隨電力工業(yè)誕生而存在的一個傳統(tǒng)問題 現(xiàn)代用電負荷結構發(fā)生了質的變化。電力電子技術廣泛應用，家用電器普及，煉鋼電弧爐和軋機的發(fā)展等，由于其非線性、沖擊性以及不平衡的用電特性引起電能質量的惡化 計算機的普及、IT產業(yè)的發(fā)展、微電子控制技術應用導致對電能質量要求越來越高 例如：一個計

3、算中心失電2s就可能破壞幾十個小時數(shù)據(jù)處理結果，導致幾十萬美元產值損失 12周波供電電壓暫降，就可能破壞半導體生產線，導致上百萬美元損失 據(jù)統(tǒng)計美國因電能質量問題造成的損失每年高達260億美元 最近由國際銅業(yè)協(xié)會（中國）的一次“中國電能質量行業(yè)現(xiàn)狀與用戶行為調研報告”RMB，每個企業(yè)年經(jīng)濟損失約10萬100萬RMB（其中有四家年損失1000萬元以上）電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響n 電力系統(tǒng)中的電磁現(xiàn)象電力系統(tǒng)中的電磁現(xiàn)象 與不良電能質量有關的幾個最重要的波形畸變 電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響n 電能質量指標電能質量指標 電

4、壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡度、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓、電壓暫降、波形缺口、 n 電能質量指標特點電能質量指標特點 空間上、時間上不斷變化 需要供、用電雙方共同合作維護 電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響n 超標的危害超標的危害 諧波諧波 降低電力設備的利用率，使電氣設備（如旋轉電機、電容器、變壓器）以及導線（如低壓中性線、電纜、母排等）過載運行（發(fā)熱、振動、異常聲響等），縮短使用壽命、增加線損；降低斷路器遮斷容量.例如，饋供給整流負荷的普通電力變壓器，其出力應相應的降低。降低值和變壓器的雜損比（即附加損耗與基本損耗之比）有關，如表3所列

5、 干擾繼電保護、自動裝置和計算機系統(tǒng)；使電子設備工作不正常；使測量和計量儀器（感應式電度表）、儀表誤差加大；降低信號傳輸質量，干擾通信系統(tǒng)；增加電力網(wǎng)中諧振可能性，誘發(fā)過電壓或過電流的危害；減少白熾燈使用壽命雜損比整流器脈動數(shù)3340452024281.01.56120.5饋供整流負荷時變壓器容量降低（%）電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響n 超標的危害超標的危害 電壓波動和閃變 照明燈光閃爍，引起人的視覺疲勞；電視機屏幕圖像失真、擺動翻滾和亮度變化；電動機轉速不均勻、振動、異響，影響產品質量；電子計算機、監(jiān)測和控制設備等工作不正常（見圖4）圖4 某些用電設備允許

6、電壓波動與其允許波動頻度的關系1區(qū)調節(jié)設備用的泵、劇院照明、噴油器等；2區(qū)獨立升降機、提升機、橋式起重機、X光設備等；3區(qū)電弧爐、手動點焊、落錘、電弧焊、鋸、成組升降機等；4區(qū)活塞泵、空壓機、自動點焊機等 圖4 照明允許電壓波動與其允許波動頻度之間的關系曲線 電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響n 超標的危害超標的危害 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓 使設備絕緣破壞，引發(fā)事故 電壓暫降（包括短時中斷） 引起變速驅動裝置（ASD）跳閘、程序邏輯控制器（PLC）損壞、各種數(shù)字式自動控制裝置誤動、計算機系統(tǒng)失常，數(shù)據(jù)丟失；導致相關加工生產線（例如塑料、玻璃、石化、紡織、造紙、半導

7、體以及橡膠等）停頓，大型場所照明失電（例如鏑燈，燈滅后需冷卻好幾分鐘后才能啟動）等等。圖6為國外統(tǒng)計的一次電壓暫降對不同行業(yè)可能造成的經(jīng)濟損失。表5為電壓暫降對一些設備的危害電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響n 案例案例 上海某高層大廈一臺變壓器設計為全部帶空調負荷，但投運后由于大量諧波的存在，使得變壓器根本就沒有辦法正常運行 90年亞運會期間網(wǎng)球中心電壓暫降造成照明失電10余分鐘（照明燈為鏑燈，需冷卻啟動），使場內照明黑了一半，這次事故在國際上造成了非常不好的影響 某商廈工程大量采用日光燈，全部采用電子鎮(zhèn)流器，正常情況下，零線中產生很大電流，造成電纜發(fā)熱，變壓器

8、溫升過高（典型的諧波問題） 某證券公司由于諧波使得網(wǎng)絡速度變慢、數(shù)據(jù)出錯，實時交易的動態(tài)信息顯示屏幕出現(xiàn)大片空白，數(shù)據(jù)刷新和交易的速度都極慢，且經(jīng)常中斷，根本無法進行交易 某寬帶運營商由于突然斷電造成寬帶網(wǎng)絡客戶不能正常上網(wǎng)，客戶索賠幾百萬元 電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響n 結論結論 電能質量涉及國民經(jīng)濟各行各業(yè)和人民生活用電，優(yōu)質電力可以提高用電設備效率，增加使用壽命，減少電能損耗和生產損失，電能質量關系到電力可持續(xù)發(fā)展，也關系到國民經(jīng)濟總體效益，是實現(xiàn)節(jié)約型社會的必要條件之一 電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響 電能質量的治

9、理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控 電能質量標準解析電能質量標準解析 電能質量技術應用講座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 概述概述 電能質量的治理應優(yōu)先對干擾源本身或在其附近采取適當?shù)募夹g措施。主要措施見表1序號名 稱內 容評 價1電力系統(tǒng)中頻率和電壓的控制和調整維持有功功率的平衡以保證頻率穩(wěn)定；維持系統(tǒng)無功功率分區(qū)、分層平衡，采用勵磁調節(jié)、電容器電抗器投切、有載調壓變壓器調節(jié)及其他補償調節(jié)技術，保證電壓水平和功率因數(shù)是維持電力系統(tǒng)正常運行，節(jié)能降耗,保證電能質量的基礎，貫穿在電網(wǎng)建設、運行和管理的全過程以及各個環(huán)節(jié)中2增加換流裝置的相數(shù)或脈動數(shù)改造換流裝置或利用相互間有

10、一定移相角的換流變壓器可用效地減小諧波量；換流裝置容量應相等；使裝置復雜化3加裝交流濾波裝置在諧波源附近裝若干單調諧及高通濾波支路，以吸收諧波電流可有效地減小諧波量；應同時考慮功率因數(shù)補償和電壓調整效應；裝置運行維護簡單，但需專門設計4改變干擾源的配置或工作方式具有干擾互補性的裝置應集中，否則應適當分散或交替使用，適當限制干擾量大的工作方式可以減小干擾的影響；對裝置的配置和工作方式有一定的要求5加裝靜止無功補償器（或稱動態(tài)無功補償器）有TCR，MCR和TSC（或TSF）,MSC等類型，采用TCR、MCR型靜補器時，其容性部分設計成濾波器，感性部分用晶閘管實現(xiàn)快速跟蹤連續(xù)調節(jié)可有效地減小波動干擾

11、源的干擾量；有抑制電壓波動、閃變、諧波、三相不平衡和補償功率因數(shù)的功能，具有綜合的技術經(jīng)濟效益；需專門設計6增加系統(tǒng)承受干擾能力將干擾源由較大容量的供電點或由高一級電壓的電網(wǎng)供電可以減小干擾的影響；在規(guī)劃和設計階段考慮7避免電容器對諧波的放大改變電容器的串聯(lián)電抗器，或將電容器組的某些支路改為濾波器，或限定電容器組的投入容量（組數(shù)）可以有效地減小電容器對諧波的放大并保證電容器組的安全運行；需專門設計8提高設備抗干擾能力，改善保護性能改進設備性能，對干擾敏感設備采用靈敏的干擾保護裝置適用于對干擾（特別是暫態(tài)過程）較敏感的設備；需專門研究9采用有源濾波器、靜止無功發(fā)生器等新型的裝置逐步推廣應用性能好

12、，體積小，造價較高，有的還處于開發(fā)階段電能質量技術應用講座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 電容器無功補償及諧波放大原理電容器無功補償及諧波放大原理 電容器無功補償 作用：提高功率因數(shù)（力率）、節(jié)能降耗、改善電壓 電能質量技術應用講座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 電容器無功補償及諧波放大原理電容器無功補償及諧波放大原理 諧波放大原理 非線性負荷產生諧波電流，一般稱為諧波源 電網(wǎng)中主要諧波源一般可以視為恒流源 圖13 諧波電流放大的分析電路 （a）電路圖 （b）等效電路 (/)/(/)schhsLcLcshhsLchxIIhxhxxhhxxhIIhxhxx

13、h21(50Hz)sscLxLfxfCxL圖中：Ih、Ish、Ich分別為諧波源、系統(tǒng)、電容器回路h次諧波電流 電能質量技術應用講座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 電容器無功補償及諧波放大原理電容器無功補償及諧波放大原理 諧波放大原理 采用純電容補償，L=0，xL=0 當 時， 此時 ， 工程近似估計公式： ， 母線短路容量； 電容器容量。 一般 ，所以諧振只可能 發(fā)生在高次諧波。/0schxx h/chhshhIIII 諧振0csxhhx2hchchUIx 0kCShQkSCQkCSQ電能質量技術應用講座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 防止電容器諧波放

14、大的措施防止電容器諧波放大的措施 在電容器回路加串聯(lián)電抗器，就能改變諧振頻率，從而避免諧波放大電能質量技術應用講座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 防止電容器諧波放大的措施防止電容器諧波放大的措施 因此，電容器上加串聯(lián)電抗器，可以防止電容器對特定次數(shù)諧波的放大作用（注意：凡是高于特定次數(shù)的諧波，也不會放大） I U UL UC U UL UC L C 圖 14 串聯(lián)電抗器對電容器電壓的影響 電能質量技術應用講座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 有源電力濾波器有源電力濾波器隨著電力電子技術的發(fā)展，以及對于非正弦條件下無功功率補償理論的深入研究，特別是基于坐標變

15、換原理的瞬時無功功率和瞬時無功電流理論的提出，為有源電力濾波器（Active Power Filter，縮寫為APF）的實用化提供了必要的條件 有源電力濾波器（APF）根據(jù)與補償對象連接的方式不同而分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，實際應用中多為并聯(lián)型。并聯(lián)型APF是一種向電網(wǎng)注入補償諧波電流，以抵消負荷所產生的諧波電流的濾波裝置，其主電路由靜態(tài)功率變流器（逆變器）構成，故具有半導體功率變流器的高可控性和快速響應性。對于APF，為了能與交流側交流能量，以達到補償?shù)哪康?，逆變器的直流側必須具有儲能元件，該元件既可以是直流電容也可以是電感。因此APF的主電路也就分為直流側采用電容的電壓型圖15(a)和直流側

16、采用電感的電流型圖15（b）兩種。圖16為APF補償原理說明。圖17所示是一個典型的電流波形補償例子。由于電壓型APF在輸出功率容量較小時，其自身損耗較小，效率較高，故目前國內外大多數(shù)APF采用了電壓型結構 電能質量技術應用講座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 有源電力濾波器有源電力濾波器 兩種類型的有源電力濾波器 APF補償原理接線 （a）電壓型 （b）電流型 電能質量技術應用講座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 有源電力濾波器有源電力濾波器 諧波電流的補償 （a）負荷電流；（b）高次諧波分量；（c）APF產生的電流；（d）補償后的電流 電能質量技術應用講

17、座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 有源電力濾波器有源電力濾波器 為了實現(xiàn)上述功能，APF應由高次諧波電流的檢測、調節(jié)和控制器、脈寬調制（PWM）的逆變器和直流電源等主要環(huán)節(jié)組成，其原理結構如圖18所示 APF特點 濾波效果不受系統(tǒng)方式的影響 可以專門完成濾波功能，不受制于功率因數(shù) 建立在時域補償基礎上，響應快，對多次諧波、間諧波同時起補償（濾波）作用 占地小 圖18 有源電力濾波器結構圖 電能質量技術應用講座電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控n 電能質量的監(jiān)控電能質量的監(jiān)控根據(jù)電力生產和供應的特點，隨著生產的發(fā)展和科技水平的不斷提高，電力成本以及和電力相關的運

18、營成本所占的比重正大幅度增加。同時電能質量問題給生產生活帶來的影響日趨嚴重，已受到供電企業(yè)和廣大用電用戶的廣泛關注。為了提高效率、減少損失、縮小運營成本，供電企業(yè)和用戶對電能質量和電力系統(tǒng)運行管理的要求也越來越高。科學的做法應該對供用電系統(tǒng)的關鍵點和主要用電負荷進行全面的實時監(jiān)督專業(yè)的監(jiān)控解決方案應基于先進的現(xiàn)場總線方式（FCS）實現(xiàn)電力系統(tǒng)信息的交換和管理，對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中變電站、配電室內二次設備（安全自動裝置、操作控制、信號系統(tǒng)）的功能進行重新組合，系統(tǒng)集控制、測量、信號采集、故障錄波、諧波分析、電能量管理、負荷控制和運行管理為一體，取消了常規(guī)的儀表盤、操作控制屏和中央信號系統(tǒng)等二次設備，

19、通過計算機和通訊網(wǎng)絡使電力系統(tǒng)成為透明化和高管理水平的智能化系統(tǒng)。當發(fā)生電能質量異?；蚴鹿蕰r，應有完善的測試手段，找出問題的根源，為電能質量的改善或治理提供可靠的依據(jù)。電能質量技術應用講座電能質量基本概念與影響電能質量基本概念與影響 電能質量的治理措施與監(jiān)控電能質量的治理措施與監(jiān)控 電能質量標準解析電能質量標準解析 電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析 n 電能質量國家標準電能質量國家標準 電能質量指標國家標準 供電電壓允許偏差（GB/T 123252003） 電壓波動和閃變（GB 123262000） 公用電網(wǎng)諧波（GB/T 1454993） 三相電壓允許不平衡度（GB/T

20、155431995） 電力系統(tǒng)頻率允許偏差（GB/T 159451995） 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓（GB/T 184812001） 電能質量測量國家標準 供電系統(tǒng)及相連設備的諧波、諧間波的測量和測量儀器導則（1998） 電能質量監(jiān)測設備通用要求（GB/T 198622005）電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析 n 電能質量國家標準電能質量國家標準 相關的設備國家標準 低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值（設備每相輸入電流161998） 對額定電流不大于16A設備在低壓供電系統(tǒng)中產生的電壓波動和閃爍的限制（1999） 對額定電流大于16A的設備在低壓供電系統(tǒng)中產生的電壓波動和閃

21、爍的限制（2000） 半導體變流器與供電系統(tǒng)的兼容及干擾防護導則（GB/T 102362007） 中、高壓電力系統(tǒng)中畸變負荷發(fā)射限值的評估（2000） 電能質量治理設備（裝置）國家標準 輸配電系統(tǒng)靜止無功補償器用晶閘管閥的試驗（待批） 靜止型無功功率補償裝置（SVC）功能特性（GB/T 202982006） 靜止型無功功率補償裝置（SVC）現(xiàn)場試驗（GB/T 202972006）電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析n 電能質量國家標準摘要電能質量國家標準摘要 GB/T 123252003電能質量 供電電壓允許偏差 允許限值 35kV及以上為正負偏差絕對值之和不超過10% 10k

22、V及以下三相供電為7% 220V單相供電為+7%，-10% 說明：衡量點為供電產權分界處或電能計量點電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析n 電能質量國家標準摘要電能質量國家標準摘要 GB 123262000電能質量 電壓波動和閃變 允許限值 電壓變動d的限值和變動頻率r有關；對于隨機不規(guī)則的變動，d=2%（LV，MV）和d=1.5%（HV） 注：低壓（LV）、UN1kV；中壓（MV），1kVUN35kV；高壓（HV），35kVUN220kV。 注：注：括號中的值僅適用于所有用戶為同電壓等級場合；Pst為短時間閃變值（10min）；Plt為長時間閃變值（2h） 說 明：衡量點為公

23、共連接點PCC；限值分三級處理原則；提供預測計算方法，規(guī)定測量儀器并給出典型分析實例。系統(tǒng)電壓 LV MV HV Pst 1.0 0.9(1.0) 0.8 Plt 0.8 0.7(0.8) 0.6 表2 閃變限值 電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析 n 電能質量國家標準摘要電能質量國家標準摘要 GB/T 145491993電能質量 公用電網(wǎng)諧波 允許限值 注：220kV電網(wǎng)參照110kV執(zhí)行 表中THD為總諧波畸變率 說 明：衡量點為PCC，取實測95%概率值； 對用戶允許產生的諧波電流，提供計算方法； 對測量方法和測量儀器做出規(guī)定； 對同次諧波隨機性合成提供算法電壓（kV）

24、THD奇次偶次0.385426、1043.21.635、6632.41.211021.60.8電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析 n 電能質量國家標準摘要電能質量國家標準摘要 GB/T 155431995電能質量 三相電壓允許不平衡度 允許限值 正常允許2%，短時不超過4%； 每個用戶一般不得超過1.3% 說 明： 各級電壓要求一樣； 衡量點為PCC，取實測95%概率值或日累計超標不許超過72min，且每30min中超標不許超過5min； 對測量方法和測量儀器做出基本規(guī)定； 提供不平衡度算法。電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析n 電能質量國家標準摘要電能質量

25、國家標準摘要 GB/T 159451995電能質量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差 允許限值 Hz，Hz； Hz。 說 明： 對測量儀器提出了基本要求電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析n 電能質量國家標準摘要電能質量國家標準摘要 GB/T 184812001電能質量 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓 允許限值 說 明： Um指工頻峰值電壓 Um252kV（）和Um252kV（）分別指斷路器變電所側和線路側電壓等級（kV）過電壓限值（p.u.）Um252（）1.3Um252（）1.4110及2201.335663101.133表4 系統(tǒng)工頻過電壓限值電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準

26、解析n 電能質量國家標準摘要電能質量國家標準摘要 GB/T 184812001電能質量 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓 允許限值 說 明： 暫時過電壓是持續(xù)時間較長的不衰減或弱衰減的（以工頻或其一定的倍數(shù)、分數(shù)）振蕩的過電壓。暫時過電壓包括工頻過電壓和諧振過電壓。 瞬態(tài)過電壓為持續(xù)時間數(shù)毫秒或更短，通常帶有強阻尼的振蕩或非振蕩的一種過電壓。它可以疊加于暫時過電壓上。瞬態(tài)過電壓包括操作過電壓和雷擊過電壓； p.u.=Um/ 。p.u.= Um/ ； 還對空載線路分閘過電壓、斷路器開斷并聯(lián)補償裝置及變壓器等瞬態(tài)過電壓限值作出了規(guī)定。電壓等級（kV）過電壓限值（p.u.）5002.0*3302.2*1102

27、203表5 空載線路合閘過電壓限值* 表示該過電壓為相對地統(tǒng)計操作過電壓。表示該過電壓為相對地統(tǒng)計操作過電壓。 電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析 n 電能質量國外標準簡介電能質量國外標準簡介 歐盟 1995年歐盟（歐共體）頒布了公用配電系統(tǒng)供電電壓特性（EN50160），包括5大類13個指標 頻率 互聯(lián)電網(wǎng)：（500.5）Hz 孤立電網(wǎng)：（501）Hz 電壓幅值 慢速電壓變化：10%UN 電壓波動：低壓系統(tǒng)5% UN；中壓系統(tǒng)：4% UN。閃變： 電壓暫降：每年可能發(fā)生幾十至一千次，大部分持續(xù)時間小于1s，幅值不大于60% UN。 短時斷電：每年可發(fā)生幾十次至幾百次，約70

28、%的短時斷電小于1s。 長時斷電：超過3分鐘的長時斷電，每年在10次以內或不超過50次。 暫時工頻過電壓：低壓系統(tǒng)一般不超過1.5倍相電壓，中壓系統(tǒng)不超過1.72.0倍相電壓（和中性點接地情況有關）。 瞬態(tài)過電壓：低壓系統(tǒng)一般不超過6kV電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析n 電能質量國外標準簡介電能質量國外標準簡介 歐盟 電壓不平衡 負序分量占正序分量RMS（方均根值）的2%。 電壓波形 整數(shù)次諧波：40次諧波以下的總畸變率（THD）不超過8%，且各次諧波上限均有明確規(guī)定 間諧波：缺乏公認的實驗數(shù)據(jù)，未作規(guī)定（但IEC 61000-2-4規(guī)定一般限值為0.2%） 電源信號電壓 指的是工頻電壓上又疊加的一個正弦傳輸信號電壓。低頻段幅值小于10%UN，中頻段幅值小于5%UN 實際上歐盟各國都有相關的國家標準，例如2001年英國頒布英國電氣協(xié)會（EA）工程導則G5/4，就是英國現(xiàn)行的諧波標準電能質量技術應用講座電能質量標準解析電能質量標準解析n